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旋流傳熱式省煤器的結構原理特點和節能效率分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-04-19  瀏覽次數:84776
  針對目前工業鍋爐省煤器存在的積灰和低溫腐蝕的問題,將旋流傳熱技術應用在省煤器上,發明了一種旋流傳熱式省煤器。通過對旋流傳熱式省煤器結構、工作原理、特點和試驗研究進行分析,得出結論:這種省煤器不僅避免了積灰和低溫腐蝕,還提高了鍋爐熱效率,節能效果明顯,應用前景廣闊。
  一、前言
  工業鍋爐是重要的熱能動力設備,被廣泛應用于動力、建筑采暖、人民生活等各個方面,在我國國民經濟各部門和人民生活中發揮著十分重要的作用。我國在用工業鍋爐有50多萬臺,約180萬噸/小時,燃煤鍋爐約48萬臺,每年消耗原煤約4億多噸。我國燃煤工業鍋爐存在主要問題是:效率低、污染重、鍋爐總體運行效率低,約65%。由于鍋爐運行效率不高,能源浪費相當嚴重,節能潛力巨大。因此,降低鍋爐熱損失,提高效率顯得尤其重要。
  目前傳統的回收鍋爐煙氣余熱、降低排煙溫度的措施主要是在鍋爐尾部煙道安裝省煤器。省煤器是利用鍋爐尾部的煙氣熱量來加熱給水的一種熱交換裝置。但傳統結構的省煤器由于處在鍋爐尾部煙道的低溫區域,當燃用含硫燃料時,很容易在運行時造成受熱面積灰,同時發生低溫腐蝕,使鍋爐熱效率降低。針對省煤器存在的以上問題,我們經過研究將旋流技術應用到省煤器上,將傳統的煙氣流動方式紊流改變為旋流,發明了一項專利產品—旋流傳熱式省煤器,這種省煤器使煙氣帶動懸浮顆粒形成強制性旋轉流動,減少粉塵、水蒸汽與金屬管壁接觸,避免了管壁積灰和低溫腐蝕,同時,旋流傳熱也使鍋爐熱效率得到提高。旋流傳熱技術在省煤器上的應用經過多次試驗取得成功,實際運行已有四年多時間,應用這種技術改造的鍋爐有20多臺,節能效果非常明顯,鍋爐熱效率提高5%以上。
  二、現有技術省煤器存在的問題
  省煤器是利用鍋爐尾部煙道中煙氣的熱量加熱省煤器內的鍋爐給水,使爐內水溫度提高,降低排煙溫度,提高鍋爐效率。但由于省煤器處在尾部煙道的低溫區域,當燃用含硫燃料時,由于煙氣在管道內是紊流流動狀態,很容易在運行時引起積灰;并且當煙氣與水換熱,使溫度降至140℃露點以下時,煙氣中會殘留水蒸氣,與硫反應生成硫化物,對金屬管壁造成腐蝕!对u價工業企業合理用熱技術導則》和《鍋爐設計技術規范》等明確規定:鍋爐的運行與設計,其排煙溫度不應低于140℃。也就是說,利用煙氣余熱的最低限度是排煙溫度不得降至露點溫度以下,否則會造成煙道金屬管壁腐蝕。造成省煤器低溫腐蝕和積灰的主要原因是由于煙氣中存在三氧化硫及尾部受熱面金屬壁溫低于煙氣露點溫度的緣故。鍋爐使用的煤碳燃料中,含有少量硫成分,在燃燒后大部分形成二氧化硫,在一定條件下,一部分二氧化硫與煙氣中殘存的氧氣繼續反應,生成三氧化硫,在高溫氣體中,三氧化硫氣體與水蒸汽能結合成硫酸蒸汽,當煙氣或管壁金屬溫度降到硫酸露點以下時,硫酸便被凝結下來,形成低溫腐蝕,反應式如下:
  SO3↑+H2O↑→H2SO4↑
  Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑
  受熱面低溫腐蝕和積灰有著互相促進的關系。因為腐蝕層或積灰都將使傳熱作用減弱,致使金屬壁溫降低,反過來又加劇了腐蝕和積灰的進程,而且管壁上的積灰吸收三氧化硫,也會加速腐蝕作用,因此省煤器在運行中普通存在積灰和低溫腐蝕的問題。
  三、旋流傳熱式省煤器的結構和工作原理
  1、旋流傳熱式省煤器的結構
  針對現有技術省煤器在運行中存在的以上問題,我們經過長期研究,將旋流傳熱技術應用到省煤器上。這種旋流傳熱式省煤器由煙氣分離管、進出水口、隔水板、排氣管、導流件幾部分組成(如圖1)。煙氣分離管在給水管中通過,煙氣分離管內前端裝有煙氣導流葉片,給水管內設有隔水板。當煙氣進入煙氣分離管后,在煙管前端安裝的導流片作用下,煙氣由原來的紊流變為旋流。在紊流條件下,煙氣經過一定距離的過渡段后管壁將會形成楔形的氣體邊界層。在邊界層內由于氣體間摩擦力和粘滯力作用下,氣體速度梯度在垂直于管壁方向將明顯下降,在貼近管壁處氣體速度將趨于零,這樣將會使煙氣內的灰渣、粉塵、水蒸汽等物質沉積凝結在金屬壁面形成灰垢,嚴重影響煙氣的傳熱效果。當煙氣通過導流葉片時改變原有的紊流流動狀態,形成強制旋轉氣流,氣流會對壁面產生軸向和徑向的切應力,破壞邊界層的產生,使煙氣帶動煙道中的煤灰、粉塵等懸浮顆粒強力旋轉沖刷省煤器的煙管金屬內壁,使管內壁不積灰,灰塵污染降低,傳熱系數提高,這樣就降低了灰渣、粉塵等顆粒在壁面的粘結,加強了流體間的換熱。
  給水則沿隔板導流的方向流動沖刷煙氣分離管的外壁降低煙溫,提高鍋爐的給水溫度。管內外流體呈逆向流動。煙氣在旋流中進行充分地熱交換,煙氣在旋轉過程中與壁面接觸,將熱量傳遞給煙氣分離管外的冷流體,管外的冷流體吸收煙氣放出的熱量。兩個換熱介質逆向流動,以達到更好的換熱效果。
  2、旋流傳熱式省煤器工作原理
旋流強化傳熱是通過有效地形成不穩定流和二次流以強化流體中微團混合及減薄邊界層達到強化傳熱的目的。旋流傳熱不但沖刷和破壞流體邊界層,使貼近壁面的流體速度增加,而且改變了流體的流動結構。除軸向流速分量外,還有較大的切向流速分量,切向速度使流道內流體質點的運動受到離心力的作用,加強邊界層流擾動和脈動,因而旋流使傳熱過程得到強化,在旋流情況下壁面合成速度相對較大,邊界層的厚度也相對較薄,從而提高了傳熱系數。
  四、旋流傳熱式省煤器的特點
  這種旋流傳熱式省煤器的特點是煙氣通過導流葉片由紊流變成旋流狀態,帶動懸浮顆粒形成強制性旋轉流動,減少了粉塵、水蒸汽與金屬管壁接觸。一是避免管壁積灰,改變了省煤器物理性能,提高了金屬煙管壁面的導熱系數。二是抑制了硫化物與金屬管壁接觸而產生化學反應,避免了管壁低溫腐蝕。三是煙氣由原來的紊流流動變成了旋流流動,不但沖刷和破壞流體邊界層,使貼近壁面的流體速度增加,而且改變了流體的流動結構,提高了傳熱系數。由以上特點得出:這種旋流省煤器使傳熱得到強化,提高了鍋爐熱效率,節能效果顯著。
  五、旋流傳熱式省煤器的試驗研究
  旋流傳熱式省煤器的研制在試驗室和鍋爐運行現場進行了大量的試驗及熱工測試。
  1、試驗臺設計
  旋流傳熱裝置的測試試驗臺如圖2所示。冷熱流體均采用水,熱流體由恒溫水浴提供,而冷流體采用自來水,溫度采用銅一康銅熱電偶作為溫度傳感器、用HP34970A型數據采集儀采集;流量由LZB型玻璃轉子流量計測量,并由閥門調節其流量。通過測量熱流體的進出口溫度t1′、t1″,流量q1和冷流體的進出口溫度t2′、t2″,流量q2,利用傳熱方程式(式1)及熱流量計算方程式(式2)即可求得換熱器在各種流量下得傳熱系數k。
  Q=k0 A0 Δ tm(1)
  Q=q1c1(t1′-t1″)=q2c2(t2′-t2″)(2)
  式中k0為換熱器基于外側表面的傳熱系數,W/(m2·K);A0為外側換熱面積,m2;Q為換熱器換熱量,W;Δ tm為傳熱溫差,℃;c1、c2為兩流體的比熱,J/(kg·K)。
  2、旋流煙氣的傳熱試驗測試值:
  上表為煙氣速度在6m/s時的試驗結果。
  N—導流件片數。
  K—傳熱系數,單位W/m2·℃。
  3、紊流流動與旋流流動狀態下的傳熱對比試驗(流速相等)
  試驗選擇φ300mm,12m長的鋼管煙道。試驗方法:分別在入口、出口兩端測試紊流流動、旋流流動狀態下的溫度值。從試驗數據中可以看到旋流式省煤器相比傳統省煤器,其出口水溫明顯低于傳統省煤器出口水溫,這就說明其換熱效果要比傳統省煤器要好。
由于旋流流動比紊流流動的流程長,可破壞流體邊界層,改變流體的流動結構,加強邊界層流擾動沖刷管壁,因此旋流流動的對流傳熱能力優于紊流流動。
  六、應用前景
  旋流傳熱式省煤器通過導流葉片使煙氣旋轉流動,強化了換熱,提高了傳熱系數,節約了燃料,避免了積灰和低溫腐蝕的發生,節能效果非常顯著。經過中試和現場運行試驗,目前這個項目已進行推廣應用,其中包括3臺29MW、2臺14MW熱水鍋爐,都取得了顯著的節能效果,收到了明顯的經濟效益。在某林業局供熱管理處一臺14MW鍋爐上安裝了旋流傳熱式省煤器,排煙溫度由310℃降低到210℃,該鍋爐原耗煤量為3401噸/時,改造后耗煤量降低為2931噸/時,年節實物煤470噸,價值人民幣21萬元,當年收回投資。這項技術具有很強的適用性,市場前景十分廣闊。
 
 
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