小型燃煤锅炉尾部烟道烟气余热回收装置设计方案_蒋燕

图1
换热器顺列鳍片管束结构示意
换热器外壳采用普通钢板， 内部加装保温层， 保温层具有抗腐蚀、 抗磨特性. 水箱采用一般材料 即可. 在换热器内布置自动清灰装置， 可定时喷水 . 清灰 布置在清灰口处的高压水枪向各个方向喷 水， 及时清除沉积在管道上的灰尘. 换热器底部设 排污口可手动控制， 亦可自动控制. 设 计排污口， 置启动喷水时排污口自动打开， 污水可通过排污 口流入烟道外部的地沟. 图 2 为锅炉尾部烟道余 热回收装置示意.
≯0. 12 0. 2 ～ 0. 4 ≯0. 12 0. 25 ～ 0. 75 ≯0. 12 S 0. 1 ～ 0. 4 Cu
0. 07 ～ 0. 12 0. 07 ～ 0. 15 0. 07 ～ 0. 12 Ni ≯0. 65 0. 25 ～ 0. 5
阻力， 以保证原机组与换热器均能正常运行 . 这里 ［ 5］ 主要是涉及烟气侧阻力核算和水侧阻力核算 ， 主要包括沿程阻力和局部阻力.
m； 沿程阻力， W / （ m·K） ； 沿程阻力系数， m； 管道长度， m； 管道内径， m； 局部阻力， 局部损失系数， 是一个无量纲系数， 可根据不同的管件由实验确定； m / s. 流体流速，
2
2. 1
项目设计方案
项目技术方案
1
理论基础
能量的交换需要通过换热器来完成. 换热器
以浙江海宁某丝绸厂锅炉为例， 该锅炉容量 “节能 为 10 t / h 小型燃煤链条炉. 为了响应国家 减排” 政策， 该厂希望通过安装节能设备， 利用锅 炉余热加热锅炉用水， 从而降低煤耗， 提高经济效 益. 根据该厂的实际情况， 只有锅炉尾部一段长 2 m、 宽 1 m、 高 1 m 的烟道可以进行余热回收， 安装 换热器. 该厂希望通过在尾部烟道安装一台换热 器， 将锅炉用水从 20 ℃ 加热到 40 ℃ 以上. 为了保证传热的可靠性、 安全性、 稳定性， 换 热器内部采用小管径考登钢管制成的蛇形管结 构， 蛇形管垂直顺排布置. 换热器内部采用一半顺 一半逆流的工作形式. 内管材料采用考登钢 流、 管， 有效耐腐蚀. 考登钢即高耐酸腐蚀结构钢， 就 P， Cr， Ni 是在钢中加入少量的合Hale Waihona Puke Baidu元素， 如 Cu， 等， 使其在金属基体表面形成保护层 ， 进而提高钢 材的耐酸腐蚀性能. 目前国内钢厂生产的、 火力发 电设备经常使用的考登钢牌号及化学组成如表 1 所示. 将考登钢应用于尾部烟道换热器中 ， 能有效 ［ 6］ 抗腐蚀 .
Q295GNH 冷轧 Q345GNH 冷轧 Q295GNHL 冷轧
≯0. 04 0. 25 ～ 0. 45 ≯0. 04 0. 25 ～ 0. 55 0. 3 ～ 1. 25 ≯0. 04 0. 25 ～ 0. 45 0. 3 ～ 0. 65
蒋
燕， 等：小型燃煤锅炉尾部烟道烟气余热回收装置设计方案
表1
牌 号 状态
热计算的基本公式为传热方程式及热平衡方程 ［ 4］ 式 . Q = kAΔt m Q = q m1 c1 （ t1 ′ － t1 ″） = q m2 c2 （ t2 ″ － t2 ′） 式中：Q k （1） （2）
J / S； 换热量， 换热系数， 由平均努塞尔数的定义可 推得 k = Nu λ ， W / （ m2 ·K ） ； d
Abstract：
This paper introduces a design scheme of gas waste heat recovery device in tail flue of
boiler examplified with the enerysaving reforms of small scale coal fired boiler. The problem of acid corrosion in tail flue is overcome by using the Corten steel which has a strong acid corrosionresistant. Key words： boiler；heat exchanger；flue gas；waste heat recovery；Corten steel 中小容量锅炉 （ 小于等于 75 度为 110 ～ 180 ℃ ， t / h） 的排烟温度为 140 ～ 200 ℃ ［2］. 可见， 无论是 中大容量锅炉， 还是中小容量锅炉， 其排烟温度都 较高， 有较大的余热利用空间. 排烟余热可通过能 量转换设备， 如热管换热器、 管式换热器等， 转化 . 20 60 为其他形式的能源回收 热管是 世纪 年代 发展起来的新型高效传热元件， 利用工质在管内
4 值） ， 水的质量流量为 1. 0 × 10 kg / h；烟气侧进口
根据该厂的运行情况， 假设烟气出口温度为 100 ℃， 经过 5 次迭代， 由式 （ 2 ） 可计算得出烟气温度 为 93 ℃ . 由于换热器内部拟采用一半顺流、 一半逆流 的工作形式， 故计算系统平均温度时， 先分别计算 全部顺流、 全部逆流时的平均温度， 再取二者平均 可得到顺流 值作为系统的平均温度. 根据式 （ 3 ） ， 时的平均温度为 91. 3 ℃ ， 逆流时的平均温度为 98. 8 ℃ . 因此， 系统的平均温度为 95. 05 ℃ .
的考登钢， 克服了尾部烟道酸腐蚀问题 . 关键词： 锅炉； 换热器； 烟气； 余热回收； 考登钢 中图分类号： TK229. 6 文献标识码： A
A Design Scheme of Gas Waste Heat Recovery Device in Tail Flue of Smallscale Coal Fired Boiler
考登钢化学组成（ 质量分数）
C Si Mn 0. 2 ～ 0. 5 0. 2 ～ 0. 5 0. 2 ～ 0. 5 Cr P
/ %
式中：Δt max Δt min
℃. 两者中的最小者， 伴随着换热器的热计算， 需要核算换热器的
Q295GNH 冷轧 Q345GNH 冷轧 Q295GNHL 冷轧 牌 号 状态
l u2 d 2g u2 2g
（4） （5）
烟道酸露点腐蚀， 以及热管换热器的结构特点， 经 常会出现磨、 蚀、 堵、 漏等问题， 且积灰难以吹扫， 维修不便， 对锅炉运行安全性与经济性产生很大 的影响， 目前对这些问题还没有较好的解决办法 . 相比热管换热器而言， 管式换热器能较容易地解 决上述问题. 采用一种新型耐腐蚀材料 考登 钢（ 高耐酸腐蚀结构钢 ） ， 可有效克服尾部烟道酸 ， 露点腐蚀 在换热器内部设计自动吹扫装置 ， 可以 有效解决堵塞和管漏问题. 本文以锅炉容量为 10 t / h 的小型燃煤链条 炉的节能改造为例， 在尾部烟道设计安装一台烟 气 － 水换热器， 并对项目的经济效益进行了分析 .
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反复相变进行传热. 利用热管技术制造的换热设 备具有传热效率高、 结构紧凑、 冷热介质完全隔
［ 3］ 离、 管壁温度均一可调等优点 . 然而， 热管换热 由于烟气中夹杂的煤灰、 尾部 器置于尾部烟道中，
hf = λ hj = ζ 式中： h f λ l d hj ζ u
图2
锅炉尾部烟道余热回收装置
2. 2
设计计算
图3
换热器设计计算流程示意
在进行换热器的设计计算时， 首先要进行换 热器的热计算， 以确定换热器所需要的换热面积 ； 其次需要对换热器烟气侧、 水侧的流体阻力进行 核算. 若流动阻力过大， 则需要改变方案重新设 计. 换热器具体设计步骤如图 3 所示. 2. 2. 1 换热器的热计算 根据该厂给定的数据进行具体的设计计算. 水侧进口温度为 20 ℃ ， 出口温度为 45 ℃ （ 目标
文章编号： 1006 － 4729 （ 2010 ） 01 － 0023 － 04
小型燃煤锅炉尾部烟道烟气余热 回收装置设计方案
蒋
1 1 1 2 燕 ，李永光 ， 张丽华 ， 黄锦枝
（ 1. 上海电力学院 能源与环境工程学院， 上海 200090 ； 2. 中国城市规划设计研究院 深圳分院， 广东 深圳 518034 ） 摘 要： 以小型燃煤锅炉的节能改造为例， 介绍了该锅炉烟气余热回收的设计方案， 并采用具有高耐酸腐蚀
目前， 锅炉是中国主要的热能动力设备， 到 8 2007 年底， 全国火电装机容量达 5. 54 × 10 kW，
9 ［ 1］ 全国工业锅炉总容量达 1. 443 × 10 kW . 在国 “节能减排 ” 、 “循环经济 ” 家大力倡导 能源利用政
策的大环境下， 提高锅炉效率、 降低锅炉煤耗变得 . 非常重要 一般的中大容量锅炉（ 大于 75 t / h） 的排烟温
第 26 卷第 1 期 2010 年 2 月
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Vol. 26 ，No. 1 Feb. 2010
Shanghai
University

收稿日期： 2009 － 05 － 26 作者简介： 蒋燕（ 1984 － ） ， 女， 在读硕士， 四川成都人. 主要研究方向为汽液两相流 、 传热、 两相流测试技术等. Email：cy_jiangyan@ 126. com. 基金项目： 上海市教委重点科研项目（ 05ZZ55 ） ；上海市重点学科建设项目（ P1302 ） .
A m2 ； 换热面积， q m1 ， q m2 冷、 热流体单位时间内质量流 c1 ， c2 kg / s； 量， kJ / （ kg·K） ； 冷、 热流体的比热， 冷、 热流体的进、 出口温 ℃； 度，
t 1 ′， t 1 ″， t 2 ′， t2 ″ Δt m
平均温压， 由冷、 热流体的进出口 ， ℃ . 温度确定 Δt max － Δt min （3） Δt max ln Δt min ℃； Δt′和 Δt″两者中的最大者， Δt m =
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为增加换热器烟气侧换热面积， 强化传热使 结构紧凑， 换热器内管排设计为顺列鳍片管束结 在蛇形管上焊接扁钢鳍片 （ 内径为 30 mm， 外 构， 径为 40 mm） ， 如图 1 所示.
4 3 温度为 175 ℃ ， 烟气体积流量为 1. 35 × 10 Nm / h. 换热量为：
Q = c p qρΔt = 4. 174 × 1. 0 × 10 4 × （ 45 － 20 ） = 1. 043 5 × 10 6 = 289 861. 11 c p 由水侧平均温度 t f = （ 20 + 45 ） / 2 = 式中， 32 . 5 ℃ 查饱和水的热物理性质表而得， 为 4. 174 kJ（ kg·K） .
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根据烟气的进出口温度， 可查得烟气的导热 －2 系数 λ = 3 . 438 × 10 W / （ m · K ） ， 运动粘度 ν = 25. 481 × 10 － 6 m2 / s［4］. 试采用 16 × 32 的排列方 式， 每排排 16 根管， 排 32 排， 则有： u= 1 . 35 × 10 4 Q = = 10 . 42 S 3 600 × （ 1 － 0 . 04 × 1 × 16 ） ud 10 . 42 × 0 . 04 = = 16 357 . 3 ， 且 2. 5 × ν 25 . 481 × 10 － 6 10 3 < Re < 25 × 10 3 因此 N u = 0 . 051Re0. 75 = 0 . 051 × 16 357 . 3 0. 75 = 73 . 77 k = Nu 因此 289 861. 11 Q A= = = 12. 42 kΔt m 63. 4 × （ 95. 05 + 273 ） 16 × 32 的排列方式能满足换热面积的 可见， 需要. 2. 2. 2 阻力核算 首先计算烟气侧阻力. 由于换热器内管排为 顺列鳍片管束结构. 顺列平膜式管束中的传热工 况， 其流动阻力系数可按式（ 6 ） 计算 ： － 0 . 65 0 . 42 s1 s2 Z2 －1 －1 ζ = 0. 2 d d
JIANG Yan1 ， LI Yongguang1 ， ZHANG Lihua1 ， HUANG Jinzhi2
（ 1 . School of Thermal Power and Environmental Engineering， Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090 ，China； 2 . Distribution of Shenzhen，China Academy of Urban Planning and Design，Shenzhen 518034 ，China）