板翅式換熱器在燃油燃氣鍋爐余熱回收中的應用研究

中國礦業(yè)大學化工學院 范慶輝 王 建

1.燃油燃氣鍋爐及余熱的概述

1.1 燃油燃氣鍋爐：是指被我們叫做燃油燃氣鍋爐的就是既可以燃油有可以燃氣的鍋爐。[1]燃油燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的不同之處在于燃油燃氣鍋爐采用的是火室燃燒，因為它沒有燃料灰渣，所以它不需要使用爐排設施。燃油燃氣鍋爐采用的是自動化的燃燒和控制系統(tǒng)，因為它具有一定的危險性，如果噴入鍋爐內的油氣和空氣在一定的范圍內混合或者是熄滅，就會引起爆炸。

1.2 燃油燃氣鍋爐的種類：燃油燃氣鍋爐大致可以分為燃油燃氣熱水鍋爐、燃油燃氣開水鍋爐、燃油燃氣蒸汽鍋爐。

1.3 燃油鍋爐的燃燒的特點：[2]油是屬于液體燃料，而且它的燃燒總是在氣態(tài)下進行，就是因為它的沸點低于著火點，因為油氣和周圍的空氣要相遇，才能形成火焰，所以它得進行氣化，進行氣化的過程就是燃油經霧化后的油粒噴進爐膛以后，被爐內高溫加熱，它就能進行氣化了。燃燒的快慢決定于油粒的大小，油粒直徑越小燃燒的就越快，那是因為燃燒產生的熱量有一部分傳給了噴進鍋爐的油粒，要想油粒燃盡只有使油粒不斷地氣化和燃燒，增大空氣與油粒的相對速度、合理的配風或是提高燃油的霧化質量，從而減小油粒的直徑大小，也就強化了油的燃燒。

1.4 燃氣鍋爐的燃燒特點：相對于燃油來說，燃氣就簡單了很多，因為燃氣的發(fā)熱量高、對于空氣的用量大，所以要使燃氣充分的燃燒，就需要大量的空氣與燃氣混合。又因為燃氣節(jié)省了燃油所需要的霧化過程和氣化過程，所以我個人認為燃氣比燃油要是用的多。

總的來說，燃油燃氣鍋爐的結構比較緊湊，大中型的鍋爐可以組裝出廠，小型的鍋爐的本體的通風、給水、控制和輔助設備都在一個底盤上，所以燃油燃氣鍋爐比較實用。

1.5 余熱的概述余：熱是指受技術、理念、歷史等因素的局限性，在已投運的工業(yè)企業(yè)耗能裝置中，原始設計未被合理利用的顯熱和潛熱。

2.板翅式換熱器

2.1 板翅式換熱器的優(yōu)點

作為新興的換熱器，板翅式換熱器具有傳統(tǒng)換熱器所沒有的特點：[3]

2.1.1 制造工藝的過程復雜且要求嚴格。

2.1.2 緊湊，它的比表面積可達到1000m2/m3是由于板翅式換熱器具有擴展的二次表面。

2.1.3 輕巧，現(xiàn)在鋼制，銅制，復合材料等也已經批量生產，以前就因為緊湊而且多用鋁合金制造。

2.1.4 適應性強，板翅式換熱器可以適用于各種流體之間的換熱以及發(fā)生集態(tài)變化的相變換熱，而且板翅式換熱器適用于不同的換熱工況。

翅式換熱器具有結構緊湊、傳熱效率高等特點，現(xiàn)已廣泛應用于空分、石油化工、航空航天等領域。引起該類換熱器性能下降的主要因素為物流分配的不均勻、縱向導熱以及溫度場的分布不均勻，三者中物流分配不均勻性的影響是最重要的。

2.2 板翅式換熱器的結構

板翅式換熱器的結構(圖1、圖2、圖3)形式有很多，但其基本結構單元都相同，即在兩塊平行的薄金屬板(平隔板)之間，加入金屬翅片，兩邊以封條密封，組成一個單元體。將各單元體進行不同的疊積和適當?shù)呐帕校儆免F焊給予固定，即可得到常用的逆流、并流和錯流的板翅式換熱器的組裝件。翅片基本形式：帶孔型、人字型、鋸齒型、平直型、百葉窗型。翅片是換熱器的基本的零部件，是完成熱傳輸?shù)囊揽?。為了滿足熱傳輸?shù)母鞣N各樣的要求，我們根據(jù)不同的產品選用不同的翅片形式。翅高：2.5-15.7mm，翅距：1.4-5.2mm，翅厚：0.2-0.6mm。

2.3 板翅式換熱器的常見的翅片的類型

板翅式換熱器的常見的翅片的類型通常有5種，平直形、鋸齒形、波紋形、多孔形、百葉窗形。

3.板翅式換熱器的余熱回收實驗

板翅式換熱器由于結構緊湊，換熱能力強，能夠提高能源利用的效率，降低運行成本，而且能使設備小型化，廣泛應用于各個工業(yè)部門中，是生產與生活中不可缺少的重要熱利用設備。

3.1 定向

板翅式換熱器余熱回收實驗如圖4、圖5，以一臺小型臥式燃油鍋爐(WNS1-1.0-Y)為例，將板翅式換熱器作為其余熱回收裝置進行實驗研究。板翅式換熱器外形尺寸為464mm(長)×442mm×182mm(高)，重量為60kg，煙氣側換熱面積為14m，軟水側4。在圖中，T1是軟水進口溫度測點，T2是軟水出口溫度測點，T3是煙氣進口溫度測點，T4是煙氣出口溫度測點。其中T1、T2采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，精確到0.1℃；T3、T4采用鎳鉻—康銅熱電偶。應用testo360便攜式排放物測[4]。

圖1 板翅式換熱器結構示意圖

圖2 芯體結構示意圖

圖3 板翅式換熱器芯體單通道結構示意圖

圖4 鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)圖

圖5 余熱回收實驗系統(tǒng)圖

燃油鍋爐若完全燃燒，排放的煙氣中含有SO2、CO2、N2和H2O。若不完全燃燒，還含有CO、CH4。煙氣經過板翅式換熱器后，SO2含量僅有427.1mg/Nm3，小于GWPB 3－1999《鍋爐大氣污染物排放標準》Ⅱ時段二類區(qū)排放要求的1200mg/Nm3。煙氣中不含CO，說明燃料油完全燃燒。

3.2 結論

板翅式換熱器的發(fā)展趨勢是：提高翅片精度和釬焊質量，增加品種和規(guī)格，加強對翅片性能、多股流和有相變工況下的傳熱機理研究等。

3.2.1 工程造價

余熱回收裝置為約為9200元，煙氣凈化壁載催化劑約為1800元，總計約為11000元。

3.2.2 運用費用

全年運行十個月7200個小時，電價0.85元／Kwh，設備的總功率0.7KW，所以每年的耗電費用為4200元。

3.2.3 節(jié)約費用

余熱回收進水溫度從23度提高到68度，蒸汽產量從1800斤增加到1833.2斤，增加了33.2斤，在相同的耗油情況下，總的產氣量增加了百分之1.84，節(jié)約柴油量為2.76斤每小時。若柴油價格為7.2元每升，則全年節(jié)約柴油費用為85200元。實驗研究了錯排孔板型結構封頭對板翅式換熱器出口溫度分布與換熱性能的影響，并與工業(yè)用基本型封頭進行了對比。結果表明：基本封頭由于物流分配不均勻的影響，其出口截面溫度和阻力分布極不均勻。而孔板封頭結構能夠明顯地提高換熱器出口截面溫度和阻力分布的均勻性。[5]實驗結果證明，新式的板翅式換熱器是一種高效的、緊湊的煙氣余熱回收換熱器。燃油鍋爐排放的煙氣污染源含量得到了有效控制；在第一個使用周期內余熱回收所節(jié)約的油費可以補償初期投資，在第二個使用周期裝置就有純利潤。若推廣到相關行業(yè)的燃油燃氣鍋爐余熱回收系統(tǒng)中，將產生巨大的經濟效益和環(huán)保貢獻，具有良好的推廣應用價值。

4.環(huán)境保護

環(huán)境保護具有一定的重要性，如果我們不重視環(huán)境的保護那么危害就太多太多了，例如：森林破壞、沙漠化、溫室效應、酸雨、臭氧層破壞和大氣污染。

近年來，我國發(fā)生的特大水災旱災就是因為全球氣候變暖，直接影響到了人們的生活和生產。

大氣污染不僅僅是對人類有害，對于植物也是一樣的，就如最近幾年我們國家下酸雨的次數(shù)增多了，酸雨的形成主要是由于大氣中的污染物二氧化硫過多，，所以，接近地面空氣的溫度比四周郊區(qū)要高好多。這就是被人們稱作的"熱島效應"。也減少了了太陽照射地面的輻射量，長此以往，沒有足夠的太陽輻射量，就會導致人和植物因缺乏陽光而生長發(fā)育不好。最重要的是造成的“溫室效應”，“溫室效應”是因為大氣中二氧化碳的含量超多，如果大氣中的二氧化碳的含量按照現(xiàn)在的速度增加下去的話，那么在若干年后南極和北極的冰就會融化，導致全球的氣候變得異常。節(jié)約能源對于現(xiàn)在的環(huán)境來說就是在保護它，保護我們生存的環(huán)境，也就是保護了我們人類自己和我們生活的地球。

板翅式換熱器做到了節(jié)約能源，而節(jié)約能源就是在間接地保護環(huán)境，保護我們的地球，保護我們賴以生存的家園，我們應該支持這樣的產品。

[1]趙欽新,惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安:西安交通大學出版社,2000.

[2]俞珠峰,周然,呂欣.18個城市工業(yè)鍋爐控制污染措施評價(上)[J].節(jié)能與環(huán)保,2004(09).

[3]王彥峰,顧兆林,馮霄,郁永章.熱管換熱器在制備裂化催化劑工藝流程中的應用研究[J].節(jié)能,1999(05).

[4]張世紅,董慶珊,段之殷,周琦.催化燃燒技術在鍋爐中的應用研究[J].北京建筑工程學院學報,2006(3).

[5]黃超進.板翅式換熱器物流分配特性研究[D].上海交通大學,2010.