复合相变换热器

复合相变换热器回收CFB锅炉烟气余热
复合相变换热器余热回收技术与装置（FXH）是一种用于低温排烟热源回收的装置，采用复合相变换热器（FXH）回收CFB锅炉尾部烟气余热，加热自来水，热自来水供外用户，锅炉排烟温度将从150〜155 ℃降低至115 ℃,改造静态投资回收期约为1.69 a; FXH的进口烟气温度不宜超过155 ℃,所选燃煤的烟气露点温度在94.3 ℃较适宜，“最大幅度”有效地进行降温节能、提高热效率和防腐能力。

在锅炉各项热损失中，排烟损失占锅炉总热损失的比例最大。

在高参数锅炉中表现更为明显，排烟损失占锅炉总热损失的比例占70〜80%,甚至更高。

其经济性直接影响着生产效益。

兴化热电有限公司拥有2台UG -75/9.8 -M型 CFB锅炉，锅炉的设计排烟温度为140℃,但日常运行时该值为150〜155 ℃, 这势必降低了锅炉的经济性。

目前，回收烟气余热的方法主要有以下2种：
一种是采用热管技术，但热管存在长时间使用易失效的问题，替换和更新所需费用高，经济性差；
另一种是采用吸收式制冷机集中供冷技术，但该方法实施难度较大，涉及面广，并存在间歇性、不能常年运转的问题。

通过与力合公司合作，我们采用力合复合相变换热器（FXH）技术回收锅炉尾部烟气余热，加热自来水，有效降低锅炉排烟温度，提高锅炉的经济性。

1.复合相变换热器
1.1.工作原理
通过优化设计构造成一个相互关联的结构化的整体，充分利用气（化）液（化）间“两相同向流动”、“汽液相变换热”、“工质自然循环”，将气化潜热与液化潜热交替进行，在2243kJ / kg高效率的热量级的高性能的传热。

在换热平均温差20度时，与传统的烟气横掠列管换热的气气换热器的20 kJ / kg • 20℃ 换热能力相比，具有102以上的量级性的传热特性，用软化水相变潜热传递热量，在热管下端面加热，水吸收热量汽化为饱和蒸汽，在一定的压差下上升到热管上端面，向外释放出热量，并凝结成液体，饱和水经汽水分离器回到受热段，并再次汽化，往复循环，完成了把热量从高端传向低端的单向导热。

FXH具有换热管束壁温整体均匀、可控可调，避免低温腐蚀，最大限度降低排烟温度的优点。

工作原理是上下换热器通过气水分离装置连通，饱和蒸汽和饱和水在密闭系统内自然循环。

下部换热器吸收锅炉尾部烟气余热，形成饱和蒸汽，上部换热器放热，饱和蒸汽相变成饱和水。

由中央控制单元PLC集中控制，使上换热器冷却速率与下换热器吸
热速率平衡，饱和蒸汽与饱和水自然循环达到平衡，壁温在1.64倍大气压力下保持H5C恒定不变。

调整冷却速率与吸热速率平衡点，即可在一定范围内调整壁温
1.2.复合相变换热器技术主要特点
作为一种涉及“设计原理”变更，高效可靠的原创性节能技术，复合相变换热技术有如下主要特点：
（1）节能：能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量中、低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；
（2）防腐：在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度始终高于酸露点，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；
（3）保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化；
（4）节能是最大减排；
（5）在保留热管换热器具有高效传热特性的同时，通过适时排放不凝气体有效解决相变换热器可能出现的老化问题，大大延长设备的使用寿命。

1.3.复合相变换热器应用
引用《强化传热》，目前锅炉的烟气酸露点温度为90℃，年运行时间在7500
小时左右，使用一般热管换热，排烟温度为150℃。

从原锅炉工艺设计方面来讲，由于受传统设计理念的影响，如果锅炉排烟温度155℃时（若进口风温20℃），其空预器冷风进口端的换热器壁温大约87.5℃，则低于计算酸露点94.3℃。

如进一步降低锅炉的排烟温度并保证目前空预器的管壁温度不低于烟气露点，采用传统技术是无法做到的。

复合相变换热器余热回收技术成功地解决了锅炉低温排烟温度难以降低的世界
性难题，是中低温热源利用上的一次世界性突破，复合相变换热器适用于气 -气、气-液各种热交换形式，广泛适用于冶金、石油、化工、电力等各种行业的空气预热器、煤气预热器、预热锅炉、热风炉工业窖炉等设备中。

2.锅炉烟气余热的回收利用
2.1.技术方案
在原锅炉烟气系统尾部水平段，即除尘设备之前水平烟道加装一台复合相变换热器（FXH）吸热段。

其作用为：加热自来水。

相变换热器的最低壁面温度设定在100℃ （高于烟气酸露点94.3℃），将排烟温度从155℃降低到115℃，回收热量用于将流量为24.55t/h的自来水从20℃ 加热到80℃。

80c
24.55t/h送至热水罐
J一：一二一自来水《6
「一！壁温测试仪
图2-1
随着锅炉负荷的变化以及冬夏送风进口风温的变化都将使换热器最低壁面温度和排烟温度发生变化，极有可能造成低温腐蚀的严重后果。

我们可以通过旁通自控阀自动调节水量来控制最低壁温和排烟温度，从而适应锅炉负荷和气温的季节性变化。

2.2.余热回收设计算参数
依据烟气余热利用加热空气的方案，经过对换热设备的计算，主要设备的设
计结果汇总见下表：
序号参数单位数值
1 烟气流量Nm3/h 116192
2 相变换热器入口烟气温度℃150±5
3
3 相变换热器出口烟气温度 ℃ 115
4 相变换热器入口水温 ℃ 20
5 相变换热器出口水温 ℃ 80
6 相变换热器水流量 t/h 24.55 7
相变换热器最低壁面温度 ℃ 100 8
烟气侧阻力
Pa
350
2.3. 节能效益计算表
根据以上参数，计算节能效益汇总见下表： 2.3.1. 回收热量
1）锅炉运行原排烟温度为155℃，经改造，尾部排烟温度为115℃，此区间烟 气降温幅度为40℃。

回收热量Q
116193x1.295x1.09 x (155- 115)x 0.95
3600
2）等效节约标煤量
Q =♦吗 X C* 3600 =1731.24(M
「
860 x Q x HR G = ------------------ 。

Q P x n
k
860 x 1731.24 x 7500
7000 x 0.87
=1833.6。

/ y )
n k
=87%,为锅炉效率；
860［大卡/（千瓦时）］为单位转换系数;
HR 为设备每年运行时数，为7500小时。

3)二氧化碳减排量N
CO2
N 二 G x J M CO 2 CO 2
M
C
1833.6 x 0.3323x
44 12
4)二氧化硫减排量N
SO2
N _ G x S&°xMmg _ 1833.6x0.01x64 _36 7^ t /) SO2 一—一M 3 — 32 — . I/y/
S
2.3.2 .被加热工业水流量
工业水从20℃被加热到80℃,水温上升幅度为60℃。

Q x 3600
p x C x A t
1731.24 x 3600
1 x 1000 x 4.23 x
60
_ 24.55( t )
2.4. 风机和水泵增加的能耗
1）增加回收余热设备会增加阻力，根据设备固有参数，本项目烟气侧增加 了 350Pa 的阻力损失，但由于排烟温度降低使引风机入口体积流量减少可抵消流 阻约220Pa ，故实际增加绝对烟气流阻为130Pa 。

烟气阻力增加130Pa ，引风机增加的能耗P y 为:
130 x 116193 x (273
+115)
3600 x 0.75 x 273 x 1000
2）给水泵增加能耗:
24.55 x 9.8 x 30.0 0.75 x 3600
3）增加的年总耗电量E 为:
E = （P + P b ） x HR = （7.95 + 2.67） x 7500 = 79650 （千瓦时） 4）厂用电按照0.4元/千瓦时计算，由于电耗增加造成的费用为:
79650 x 0.4 /10000 = 3.2(万元 / 年)
5）全年热水产量S 为：
S = S 1 x HR = 24.55 x 7500 = 184125 （吨）
2.5. 方案效益总结
通过上述分析，应用复合相变换热节能技术后，回收锅炉排烟余热，在保证 尾部受热面不发生腐蚀的情况下，锅炉排烟温度可由155℃降至115℃，利用一 台90t/h 锅炉的排烟回收余热，可年节约成本费用为491.65万元，不含建设期 （建设期为50天）的投资回收年限为829.5/491.65 = 1.69 （年），具体方案效 益见下表。

下表方案效益总结表
Ah x V
y ― 3600 x n x 1000 = 7.95 (kW ) =2.67( kW )
3.综合评价
在FXH的设计原则中，换热管壁温的取值为在烟气露点温度(Tld)的基础上加5〜10 ℃,锅炉排烟温度则为换热器壁温加10〜15 ℃。

本方案综合评估：
(1)降低企业成本方面：通过上述分析，应用复合相变换热器节能技术后，回收锅炉排烟余热，在保证尾部受热面不发生腐蚀的情况下，锅炉排烟温度可由目前的150℃降至115℃,锅炉回收的热量为1731.24kw,每年锅炉节约的标煤达 1833.6 吨。

(2)技术方面：复合相变换热新技术是目前国内外处于领先水平的一项新型专利技术。

余热利用装置的设计、制造和安装严格遵循国家有关标准，根据不同的等级要求，可申报当地技术质量监督部门审查和备案。

由于金属壁面温度处于可调、可控状态，复合相变换热器能够在相当大幅度内，适应煤种以及传热负荷的变化，有效避免了低温腐蚀和灰堵现象，设备的使用寿命长。

该装置采用自动控制，不需要人为干预，所用电气控制、电机等设备均采用国家节能产品，运行管理简单可靠。

(3)投资风险方面：由于我公司采用的复合相变换热技术与装置是通过国家级鉴定并被列为《国家级重点新产品》，荣获原国家经贸委“九五”国家技术创新优秀项目奖》，技术是成熟可靠的。

(4)安全方面：在锅炉尾部增加余热利用装置，安装的换热器属于独立设备，没有与原锅炉的本体、给水加热系统、控制系统等连锁，系统静态运行，对实际运行不产生非安全问题；装置本体超温等有报警和采用自动控制泄放装置。

节能优化设计的热力管道设计、施工等均遵循压力管道有关规范和标准，以确保节能优化设计的热力管道的运行安全；余热利用装置不属于压力容器，但该装置的设计、制造和安装严格遵循国家有关压力容器标准，并可报当地技术质量监督部门审查和备案。

（5）环保方面：锅炉排烟余热利用后，锅炉的燃烧系统和燃烧方式不变，因为节约燃料，大气污染物排放浓度因节煤而减少。

锅炉产生的烟气污染物浓度不变，但二氧化碳排放量减少了。

没有新的噪音源产生。

4.工程影响因素及解决措施
4.1.对现有风机的影响
本项目中相变换热器装置吸收烟气的余热，本项目烟气侧增加了480Pa的阻力损失，但由于排烟温度降低使引风机入口体积流量减少，可抵消流阻约220Pa，实际增加阻力260Pa；对引风机余量提出了要求。

若引风机余量足够，则对引风机无负面影响。

4.2.系统防堵防积灰问题
为了防止积灰，既要考虑阻力、磨损、换热面积及经济造价等因素，同时更要控制工艺流速。

由于复合相变换热器的设计是以壁面温度作为第一设计参数，其最低壁面温度整体均匀，在正常运行状况下，可根据负荷及燃料变化可控可调，使其始终控制在酸露点温度以上，所以能从机理上根本解决酸露腐蚀问题，加之弱爆吹灰器定时的正常吹灰，相变下段是不会产生结露、积灰。

考虑到开、停炉或其它非正常状况，相变下段的壁面温度可能会低于烟气酸露点，难免会产生少量的积灰。

在相变下段底部加装放灰斗，以便检修和紧急情况时使用。

因相变换热器烟气段（相变下段）位置很短，该段设计增加了扩大段。

4.3.系统防磨损问题
因为煤粉的含肝石量不同，对于水冷壁、省煤器、空预器、相变换热器都会产生磨损。

（1）主要措施是采用工艺流速降低到不赌灰、不沉降、换热系数不减少为准，相变换热器的烟气流速一般控制在8-10 m/s以内以内；
（2）设备增加防磨瓦、导流板，采取锰钢、银钢等特殊防磨材料、改变散热片形状等；
（3）烟气流速的降低将会带来灰尘沉降的可能，因此进出口均采用喇叭管的形
状，从结构上避免积灰的产生。

（4）在相变下段加装吹灰装置，防止相变下段内部翅片管上产生积灰；
（5）还在相变下段底部加装放灰斗，以便检修和紧急情况时使用。

4.4.相变换热器设备的运行和维护
在锅炉尾部烟道布置受热面经常会遇到沉降积灰的现象，有时候甚至会在水平烟
道底部有一个500mm以上的积灰层，经过多次实践，我们在换热器设计过程中使各个流通面都能够达到一个适当的烟气流速，即积灰的“最小起飞速度”。

4.5.对电除尘器的影响
电除尘器除尘效果在较低温度下运行较好。

为此我们使温度保持在露点温度以上10℃—20℃以上作为安全余量，以避免冷凝结露，发生糊板、腐蚀和破坏绝缘。

[7] 因此，在应用复合相变换热器进行节能优化设计后，由于进入电除尘器烟气的温度得以较大幅度降低，会有利于发挥电除尘的效果，而且，因为电除尘器不是换热器件，极板的壁面温度肯定高于相变换热器的最低壁面温度。

假设电除尘器进口烟气温度为115℃、散热和漏风率都为2-3%以内、外界温度为20℃时，则除尘器出口烟气温度在110℃以上。

由于电除尘器的极板壁面温度总是介于进、出口烟气温度之间，所以只要它的出口烟气温度高于烟气酸露点，电除尘器在原则上总是安全的。

5.结束语
采用FXH回收烟气余热，可使锅炉排烟温
度从150〜155 ℃降低至约115 ℃,当降温幅度达到30度时，回收热量用于将流量为24.55t/h的自来水从20℃加热到80℃。

一台锅炉，每年可平均节煤12-15吨标准煤，在保证锅炉安全运行的前提下，使锅炉热效率稳定提高0.5%-1.0%,发电煤耗减少4-5g/Kwhr,同时相应减少了热污染和燃烧废气的排放量，减少CO2排放量40-55吨，具有良好的社会、环境和经济效益。