CN107356136B - 一种防低温腐蚀烟气余热交换器及基于该交换器的换热系统 - Google Patents

一种防低温腐蚀烟气余热交换器及基于该交换器的换热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种防低温腐蚀烟气余热交换器，属于烟气余热利用和防低温腐蚀设计领域。包括壳体及翅片管，壳体上部设有出水联箱，下部设有进水联箱；翅片管的直管段设置于壳体内，弯管段伸出壳体外，在翅片管直管段的管底设有凹槽，在相邻翅片管直管段之间且沿翅片管轴向密布若干烟气导流块。经计算本发明热应力及结构强度均达到工程要求，且一定程度上可增加换热效率，具有明显的工业应用价值。

Description

一种防低温腐蚀烟气余热交换器及基于该交换器的换热系统
技术领域
本发明属于烟气余热利用和防低温腐蚀设计领域，具体涉及一种防低温腐蚀烟气余热交换器。
背景技术
节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。为了减少排放，我国大中城市均采用了燃气集中供暖的方式，但按照已有的国家标准，出于设备安全型考虑，锅炉的排烟温度均在150-180℃，燃气锅炉烟气热量损失严重，影响能源利用效率，所以回收烟气余热来降低能耗对我国实现节能减排战略具有重要的现实意义。以西安城市供热为例，如将排烟温度降低10℃，每年四个月发的采暖期计算，可节约燃气5200万立方，经济效益可观。同时，余热利用对改善劳动条件、节约能源、增加产量、提高产品质量、降低生产成本等方面起着愈发重要的作用。余热属于二次能源，是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后剩下的量，主要分类为：高温烟气余热、高温蒸汽余热、高温炉渣余热、高温产品余热等。
近些年，我国在余热利用技术方面取得了长足进步，很多技术已经投入生产，其常用利用方法有：余热锅炉、预热空气、烟气-流体换热器、加热物料等。由于天然气品质较高，酸性杂质含量较低，同时耐酸性材料和余热回收利用技术的发展，都为降低排烟温度提高余热利用的可能性大幅度提高。
换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备，广泛应用于工业生产，其作用主要是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体。在余热回收利用领域，核心设备便是换热器，如实际应用中的省煤器。其在壳体中放置了由许多蛇形管组成的管束，可以有叉排和顺排排列方式，换热器的两侧端盖上装有高温流体的进出口接管，待加热的低温流体在管内流动，高温流体通过管壁与低温流体进行热量交换。换热器的换热效率受很多因素影响，包括流体粘度和导热系数、流速、特征长度、特征温度等。余热利用交换器主要目的是降低排烟温度，提高热效率。另外，有的余热利用换热器有其特殊用途，如省煤器可以冲当部分加热受热面或蒸发受热面，空气预热器可以改善燃料的着火条件和燃烧过程，并且提高燃烧温度强化炉膛辐射传热。
烟气余热交换器大多结构简单，经济性好，技术成熟。但有两方面内容值得特别注意。第一个值得注意的问题是换热效率，换热效率是衡量换热器工作能力的重要指标，设计者对换热器进行各种结构优化，目的就是使换热效率尽可能提高。由此发展出了强化传热技术，该技术的主要思路包括：增加受热面(螺纹管、管外各种形状的翅片)、增强流体扰动等。第二个是低温腐蚀问题，烟气中的水蒸气和硫酸蒸汽进入低温受热面，与温度较低的受热面金属接触，并可能发生凝结而对金属壁面造成腐蚀，其腐蚀速率受燃料含硫量、过量空气系数、受热面金属温度、烟气温度、积灰结渣情况影响。目前，防止或减轻低温腐蚀的方法主要有燃料脱硫、提高受热面温度至酸露点以上(热风再循环、加装暖风器)、采用抗腐蚀材料。但每种措施都有其制约因素，一旦抑制效果失效，换热管很容易发生穿孔泄漏等严重安全事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防低温腐蚀烟气余热交换器，该交换器结构设计合理，换热效率高，使用年限久，能够有效解决目前烟气余热交换器中存在的低温腐蚀问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种防低温腐蚀烟气余热交换器，包括壳体及翅片管，壳体上部设有出水联箱，下部设有进水联箱；翅片管的直管段设置于壳体内，弯管段伸出壳体外，在翅片管直管段的管底设有凹槽，在相邻翅片管直管段之间且沿翅片管轴向方向设有烟气导流块。
优选地，所述烟气导流块靠近翅片管的侧面带有弧度。更进一步优选地，烟气导流块侧面的弧度与翅片管圆弧段的弧度大小相等。
优选地，凹槽沿翅片管轴向贯穿翅片管直管段管底，且以烟气形成的最小液滴的受力平衡点作为凹槽的边界。最小液滴制得是不同水蒸气含量下烟气可能形成的最小液滴，按照一个烟气流程内所有含水量在换热器壳程内均布理论上能形成的最小液滴尺寸。
优选地，翅片管在壳体内采用逆流、交叉排布。
优选地，在翅片管外设有高频焊环状翅片。
优选地，凹槽内表面涂覆疏水材料。
优选地，翅片管由耐酸钢制成。
本发明还公开为了基于上述防低温腐蚀烟气余热交换器的烟气余热换热系统，包括带有供热管道和烟气管道的燃气锅炉，燃气锅炉的一侧还设有燃烧器；在烟气管道的出口端设有上述的防低温腐蚀烟气余热交换器，在该防低温腐蚀烟气余热交换器的底部设有烟气出口及防爆口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的防低温腐蚀烟气余热交换器，一方面，创新地在翅片管的直管段管底开设凹槽，能够使酸液滴滑落到凹槽时发生脱落，从而降低低温腐蚀的发生概率，提高烟气余热交换器的安全性，增加使用寿命；另一方面，通过在相邻翅片管直管段之间增设烟气导流块，可以增加烟气流速，提高风压，不仅能够使翅片管下壁面保持两管间最窄处的最大流速，而且改变了烟气主流流向，使其更大程度的向贴壁方向偏移，更有利于将附着在管壁上的酸液滴带走。以上两点设计使本发明的余热交换器能够有效解决目前烟气余热交换器中存在的低温腐蚀问题。
本发明还公开了基于上述余热交换器的换热系统，通过余热交换器增设的凹槽和烟气导流块，均能够增加烟气侧对流换热的扰动程度，从而增加换热效率，经计算可增加4％左右。
进一步地，所述烟气导流块靠近翅片管的侧面呈一定弧度，即烟气导流块的横截面呈“喇叭状”，由上至下面积逐渐增大，更进一步地，烟气导流块侧面的弧度与翅片管圆弧段的弧度一致。
进一步地，凹槽沿翅片管轴向贯穿翅片管直管段管底，且以最小液滴的受力平衡点作为凹槽的边界，能够确保酸液滴在此边界以上会因受力不平衡而发生滑落，滑落到边界时因接触面积急剧减小而发生脱落。
进一步地，耐酸钢的使用，一定程度可以增加翅片管的抗腐蚀性能，提高换热器设备的使用年限。
进一步地，翅片管在壳体内采用逆流、交叉排布，并加装高频焊环状翅片，最大程度上提高了换热效率。
附图说明
图1为本发明的应用系统示意图；
图2-1为本发明的换热器的结构主视图；
图2-2为本发明的换热器的结构左视图；
图3为本发明的防低温腐蚀结构放大图；
图4为酸液滴在壁面上的受力示意图。
其中：1.供热管道；2.燃气锅炉；3.燃烧器；4.烟气管道；5.防低温腐蚀烟气余热交换器；6.烟气出口；7.给水出口；8.给水进口；9.防爆口；10.导流结构；11.耐酸钢管；12.壳体；13.出水联箱；14.进水联箱；15.高频焊环状翅片；16.凹槽。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图2-1和图2-2，本发明的一种防低温腐蚀烟气余热交换器，包括壳体12及翅片管11，壳体12上部设有出水联箱13，下部设有进水联箱14；翅片管11的直管段设置于壳体12内，弯管段伸出壳体12外，在翅片管11直管段的管底设有凹槽16，在相邻翅片管11直管段之间且沿翅片管11轴向方向设有烟气导流块10。
优选地，参见图3，烟气导流块10在同一水平高度的翅片管间，呈“八”字型(喇叭状)，且与靠近翅片管11的侧面带有弧度，烟气导流块10侧面的弧度与翅片管11圆弧段的弧度大小相等。
优选地，翅片管11均使用耐酸钢材料且在凹槽16内涂覆耐腐蚀材料。
凹槽16沿翅片管11轴向贯穿翅片管11直管段管底，且以最小液滴的受力平衡点作为凹槽16的边界。
优选地，翅片管11在壳体12内采用逆流、交叉排布。在翅片管11外设有高频焊环状翅片15。
关于最小液滴受力分析图参见图4，换热器的翅片管下管壁易产生液滴附着，对下管壁悬挂液滴进行受力分析，悬挂液滴主要受五个力作用：1)重力；2)气流施加在液滴主体上的拖曳力；3)液滴产生的接触角滞后现象导致的卡特彼勒变形力；4)液滴表面张力垂直壁面分量；5)液滴固液界面处的相对压力。重力大小为ρgV，方向竖直向下，其中V为整个液滴的体积。
气流施加的拖曳力大小采用经验公式其中H0为固体表面上液滴的高度，RD为液滴与固体界面形成的圆的半径。
卡特彼勒变形力大小为Fs＝2Rcsinθσ(cosθr-cosθa)，其中θr，θa，θ分别为后退接触角、前进接触角和接触角；σ为液滴表面张力；c为常数，与翅片管表面特性有关，作用方向朝着气流上游。
液滴表面张力垂直壁面分量大小为2πRσsinθ。
压力大小为πR2p0，p0为固液界面处的相对压强(等于固液界面处的实际压强减去外部大气的压强)。
通过计算，可以确定出最小液滴受力平衡点处凹槽边界位置角度，确保酸液滴在此边界以上会因受力不平衡而发生滑落，滑落到边界时因接触面积急剧减小而发生脱落。
优选地，以烟气形成的最小液滴的受力平衡点作为凹槽的边界。最小液滴制得是不同水蒸气含量下烟气可能形成的最小液滴，按照一个烟气流程内所有含水量在换热器壳程内均布理论上能形成的最小液滴尺寸。
参见图3，本发明采用碳钢高频环状翅片管，基管外径为38mm进行计算得到凹槽边界位置距中线偏转角度为7°。
参见图1，本发明公开的烟气余热换热系统，包括带有供热管道1和烟气管道4的燃气锅炉2，燃气锅炉2的一侧还设有燃烧器3；在烟气管道4的出口端设有上述的防低温腐蚀烟气余热交换器5，在该防低温腐蚀烟气余热交换器5的底部设有烟气出口6及防爆口9。在防低温腐蚀烟气余热交换器5的一侧壁还设有给水出口7和给水进口8。
本发明的工作原理为：
将本发明的防低温腐蚀烟气余热交换器接于锅炉尾部烟道，利用烟气的余热来加热给水，采用翅片管换热器，翅片选用碳钢高频焊环状翅片，管排布置采用逆流、叉排布置方式，以保证更好的换热效率；主体分为管程和壳程，管程通水，由进水联箱14通入，由出水联箱13导出；壳程通入烟气，由顶部通入烟气，自上而下通过蛇形翅片管进行换热，流经烟气导流块10时，不仅能够使管子下壁面保持相邻两管间最窄处的最大流速，并且改变了烟气的主流流向，更有利于将附着在管壁上的酸液滴带走，当液滴滑落到凹槽10的边界点时因接触面积极具减小而发生脱落，从而极大地减小了酸液滴的附着时间，降低低温腐蚀的程度。
综上所述，本发明具有以下优势：
1、凹槽能够促进酸液滴的滑落，降低了低温腐蚀的发生概率，提高烟气余热交换器的安全性，增加使用年限。
2、烟气导流块不仅可以增加烟气流速即增加风压，也可使烟气的主流流向更大程度的向贴壁方向偏移，促进酸液滴的滑落。
3、耐酸钢的使用，一定程度可以增加翅片管的抗腐蚀性能，提高换热器设备的使用年限；
4、烟气余热交换器整体采用逆流、叉排布局，并加装高频焊环状翅片，最大程度上提高了换热效率。
5、凹槽和烟气导流块均会增加烟气侧对流换热的扰动程度，从而增加换热效率，经计算可增加4％左右。
6、减少液滴在管壁上的附着，一定程度上可以提高换热热效率并且使翅片管热应力不平衡性减弱，经计算结构强度同样满足工程要求。

Claims (8)

1.一种防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，包括壳体(12)及翅片管(11)，壳体(12)上部设有出水联箱(13)，下部设有进水联箱(14)；翅片管(11)的直管段设置于壳体(12)内，弯管段伸出壳体(12)外，在翅片管(11)直管段的管底设有凹槽(16)，在相邻翅片管(11)直管段之间且沿翅片管(11)轴向方向设有烟气导流块(10)；
凹槽(16)沿翅片管(11)轴向贯穿翅片管(11)直管段管底，且以烟气形成的最小液滴的受力平衡点作为凹槽(16)的边界。
2.根据权利要求1所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，所述烟气导流块(10)靠近翅片管(11)的侧面带有弧度。
3.根据权利要求2所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，烟气导流块(10)侧面的弧度与翅片管(11)圆弧段的弧度大小相等。
4.根据权利要求1所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，翅片管(11)在壳体(12)内采用逆流、交叉排布。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，在翅片管(11)外设有高频焊环状翅片(15)。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，凹槽(16)内表面涂覆疏水材料。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的防低温腐蚀烟气余热交换器，其特征在于，翅片管(11)由耐酸钢制成。
8.一种烟气余热换热系统，其特征在于，包括带有供热管道(1)和烟气管道(4)的燃气锅炉(2)，燃气锅炉(2)的一侧还设有燃烧器(3)；在烟气管道(4)的出口端设有权利要求1～7中任意一项所述的防低温腐蚀烟气余热交换器(5)，在该防低温腐蚀烟气余热交换器(5)的底部设有烟气出口(6)及防爆口(9)。
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