工業(yè)層燃鍋爐煙氣余熱回收方案設計計算

郭瑞倩

(哈爾濱匯焓科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

煤炭屬于不可再生化石能源，煤炭的高效利用是研究者一直在探究的問題。國內外許多學者通過多次實驗和數(shù)據(jù)分析，研究鍋爐余熱回收利用技術方案[1-3]。工業(yè)鍋爐燃燒后的煙氣還有較高的溫度，且排放量巨大，高溫煙氣中蘊藏著可觀的余熱[4]。燃料中的水分在經燃料燃燒后吸熱形成水蒸氣，水蒸氣中含有顯熱和汽化潛熱，這些能量未經回收直接排放至大氣中，不僅造成了能源的浪費，也會影響大氣溫度的變化，進而影響大氣環(huán)境。

某熱力公司的一臺強制循環(huán)熱水鍋爐，改造前爐型為QXW90-1.6/150/90-AII。爐排為往復爐排，雙鍋筒橫向布置。尾部受熱面為上級、中級、下級鋼管省煤器和一級空氣預熱器布置。尾部煙道處，煙氣內的水蒸氣體積分數(shù)為0.124 8，占此份額的煙氣中的水蒸氣的顯熱量仍有較高回收價值。為了回收這部分能量，通過合理布置鍋爐的尾部受熱面，重新對尾部受熱面進行結構改造，使高溫煙氣與爐內介質充分換熱后再排至大氣，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，同時提高了能源的利用率。

1 鍋爐結構概況

以某熱力供暖有限公司的QXW90-1.6/150/90-H型熱水鍋爐為研究對象，鍋爐額定供熱量為90 MW，供回水溫度分別為150 ℃、90 ℃，改造前鍋爐設計排煙溫度為155.4 ℃，鍋爐效率82.5%。原鍋爐設計煤種為二類煙煤，熱力公司改購買褐煤，而煤種發(fā)生變化會對熱力計算產生直接影響，因此需要對新煤種進行元素分析和工業(yè)分析。對燃用的褐煤煤樣送檢，得到煤的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)結果為表1。

表1 煤質分析數(shù)據(jù)

煤的焦渣特性為2，屬于黏著，手指輕碰焦渣即為粉末狀，煤渣的黏結性不強。

改造前，鍋爐原尾部受熱面為4個立式空預器管箱并聯(lián)，煙氣自上而下于管內縱向沖刷空預器管。空預器管中部設有隔板，通過連接風道，空氣橫向沖刷錯列的空預器管。空預器管規(guī)格為Φ50 mm×1.8 mm，管長度L=3 240 mm，空預器單級管長度為1 596 mm，空預器總受熱面積為1 763 m2。根據(jù)原鍋爐熱力計算結果，鍋爐排煙溫度較高，而現(xiàn)有的鍋爐標準要求大容量鍋爐排煙溫溫度不能過高，155 ℃的排煙溫度中仍然蘊含著比較可觀的可回收能量，回收該部分熱量不僅提高了鍋爐效率，而且，可以充分利用能源，避免造成能源浪費。

2 尾部受熱面結構改造

工業(yè)鍋爐尾部受熱面一般可選的型式為鋼管省煤器、空氣預熱器和鑄鐵省煤器。

原有結構為全部布置空氣預熱器。由于水的換熱系數(shù)要遠大于空氣，省煤器的換熱效果優(yōu)于空預器，而且空預器可轉換的能量損失較大[5]，可考慮加省煤器代替空預器。但全部取消空預器對煤的引燃及燃燒造成影響，因此考慮取消兩組空氣預熱器，在取消的空預器位置增裝鑄鐵省煤器。改造后煙氣沿尾部煙道自上而下縱向流動，流至尾部受熱面時沿鍋爐寬度方向分為3個煙道：空預器、鑄鐵省煤器、空預器進行換熱。省煤器中水自下向上流動，與煙氣呈逆流。冷空氣自空預器側面進入經90°轉向橫向沖刷空預器錯列管束。空預器冷空氣入口和熱空氣出口均布置溫度和壓力測點，排煙煙道出口設置了溫度壓力及氧量測點，根據(jù)測點返回的數(shù)據(jù)合理調節(jié)燃料量及風量。

3 改造后鍋爐熱力計算結果

熱力計算是循環(huán)迭代計算的過程，計算中有效系數(shù)、流速、參數(shù)等及計算方法的選取均依據(jù)工業(yè)鍋爐設計計算標準計算方法。設計計算過程首先假設溫度數(shù)值，計算部件的換熱量，與假設溫度值對應的換熱量進行循環(huán)迭代，直至迭代結果在誤差允許范圍內。每個部件計算傳熱誤差與總熱量的相對誤差分別滿足Δ<2%，Δ<0.5%的要求即認為計算正確。

3.1 鍋爐熱平衡計算

冷空氣溫度按20 ℃計算，鍋爐受熱面的過量空氣系數(shù)取值見表2。

表2 鍋爐各受熱面的漏風系數(shù)及過量空氣系數(shù)

熱平衡計算中，根據(jù)工業(yè)鍋爐標準計算方法推薦數(shù)值，氣體不完全燃燒損失q3選取值為1%，固體不完全燃燒損失q4選取值為7.5%，散熱損失q5選取值為0.7%，灰渣漏煤與總灰量選取值為0.8%，排煙溫度預先假定數(shù)值為142.7 ℃，計算得出排煙熱損失q5為7.2%，灰渣物理熱損失q6為0.45%，鍋爐總熱損失∑q為16.85%，鍋爐效率η=100-∑q=83.15%，計算燃料消耗量為25 082.3 kg/h，循環(huán)水量G為1 289.8 t/h，鍋爐有效率利用熱量為3.24×108 kJ/h，保熱系數(shù)φ=0.9 917。

3.2 空預器的結構及熱力計算

按原有鍋爐空間兩側布置空預器，對空氣預熱器進行合理結構設計，選擇合適的管徑及橫、縱向節(jié)距，以得出合適的空氣流通截面積和煙氣流通截面積。選擇空預器管φ50 mm×1.5 mm，管長L=3.2 m，橫向節(jié)距S1=84 mm，縱向節(jié)距S2=55 mm，橫向管排數(shù)Z1=26行，縱向管排數(shù)Z2=35列，計算得煙氣流通截面積為3.16 m2，空氣流通截面積為6.08 m2，空預器總受熱面及為887.39 m2，空氣側無旁通。

對改造后空預器進行熱力計算，理論空氣量為3.482 6 m3/kg，燃料煙氣量為6.327 m3/kg，空預器進出口煙溫為195.4 ℃、149 ℃，進出口空氣溫度為20 ℃、43.6 ℃，煙氣及空氣平均流速為9.34 m/s、6.02 m/s；取熱有效系數(shù)φ=0.75，得出傳熱系數(shù)為19.55 W/(m2·℃)，平均溫壓Δt=138.8 ℃，傳熱量相對誤差為ΔQ=0.058%，滿足ΔQ<2%，視為計算正確。

3.3 鑄鐵省煤器的結構及熱力計算

按原有鍋爐空間中間煙道布置鑄鐵省煤器，按該空間合理選擇鑄鐵省煤器規(guī)格，采用管長為2.5 m的鑄鐵省煤器管，選擇管徑60 mm、肋片間距為35 mm的省煤器管。按鍋爐尾部空間布置鑄鐵省煤器，橫向管排為27根，縱向管層數(shù)根據(jù)清灰需要分為兩層，分別為10排、8排，管子總根數(shù)為486根。單根管受熱面積為2.79 m2，單根管煙氣流通截面積為0.159 m2，鑄鐵省煤器總受熱面積為1 355.94 m2，煙氣流通截面積為4.293 m2，工質流通截面積為0.076 3 m2。

對改造后鑄鐵省煤器進行熱力計算，省煤器水循環(huán)流量取309.6 t/h，省煤器進出口煙氣溫度為195.4 ℃、138.5 ℃；進出口工質溫度為70 ℃、75 ℃；煙氣及工質平均流速為9.93 m/s、1.13 m/s；積灰后傳熱系數(shù)降低率取值為0.05，得出傳熱系數(shù)為24.19 W/(m2·℃)，平均溫壓Δt=92.02 ℃，傳熱量相對誤差為ΔQ=0.192%，滿足ΔQ<2%，視為計算正確。

鑄鐵省煤器及空氣預熱器部件煙氣經換熱后，混合進入同一煙道，按煙氣換熱比例，計算得煙氣混合后的溫度為142.7 ℃，與假設排煙溫度誤差為0，總傳熱量誤差為20.1 kJ/kg，總傳熱量相對誤差為Δ=0.139%，滿足Δ<0.5%，視為整體熱力計算正確。

鑄鐵省煤器出口煙氣與空預器出口煙氣混合后排煙溫度為142.7 ℃，與假設排煙溫度相符。鍋爐總傳熱量的誤差數(shù)值為20.1 kJ/kg，總傳熱量相對誤差Δ=0.139%，滿足相對誤差Δ<0.5%的要求。鍋爐效率由原有的82.5%提高到了83.15%，且鍋爐排煙溫度低于改造前的排煙溫度，證明此結構可替代原有的單空氣預熱器布置結構，且達到了節(jié)能的目的。

4 結論

空預器及鑄鐵省煤器并聯(lián)布置時，按合理煙氣流速和合理的工質流速范圍內，選擇各自合適的煙氣流通量，排煙溫度由原來155 ℃降低至142.7 ℃，鍋爐效率由原來有的82.5%提高到了83.15%，計算結果表明此改造后鑄鐵省煤器與空氣預熱器的并聯(lián)結構換熱效果優(yōu)于原單空氣預熱器結構。改造后受熱面充分與煙氣進行換熱，降低了排煙溫度，減少了不必要的熱量浪費，提高了能源的利用率。