天然氣鍋爐煙氣余熱回收裝置研制

劉民，蘇永琴, 李晉欣

（1.甘肅紅峰機(jī)械有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?44000；2.鐳射谷科技（深圳）股份有限公司，廣東 深圳518108）

0 引言

鍋爐排出的煙氣中，含有約8%～15%的顯熱和11%的水蒸氣潛熱，直接排放不符合綠色環(huán)保社會(huì)的發(fā)展方向。處理后的排煙溫度控制在65 ℃左右，以噴淋循環(huán)水為“換熱器”，在裝有規(guī)整填料的混合換熱塔中直接換熱，吸收煙氣中的熱能，同時(shí)洗滌煙氣，大幅度降低碳氧化物、氮氧化物等有害物質(zhì)的排放，再通過(guò)換熱器向其他冷源放熱，可達(dá)成回收煙氣余熱和凈化煙氣的雙重目標(biāo)。傳統(tǒng)鍋爐尾部煙道中通常加裝省煤器，目的是將鍋爐給水加熱，它吸收煙氣的熱量,降低了煙氣的排煙溫度,節(jié)省能源。但這是一種間接熱交換方式，熱交換時(shí)間短，吸熱能力低，排煙溫度降低不明顯，同時(shí)增加了排煙阻力，無(wú)凈化煙氣的功能。本文設(shè)計(jì)的余熱回收裝置克服了以上不足。實(shí)際運(yùn)行表明：當(dāng)排煙溫度低于63 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)酸性結(jié)露，不同地區(qū)和不同運(yùn)行環(huán)境下的結(jié)露點(diǎn)存在差異，結(jié)露后會(huì)產(chǎn)生具有腐蝕性的液體，加快系統(tǒng)老化。所以，排煙溫度設(shè)定值要根據(jù)具體情況進(jìn)行微調(diào)，通常調(diào)整范圍為（65±2）℃[1]。

1 裝置整體組成及功能

余熱回收裝置由引煙系統(tǒng)、煙氣與循環(huán)水直接換熱、冷源間接換熱、控制系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。引煙系統(tǒng)使用高溫變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)鍋爐大火和小火兩種燃燒狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)出風(fēng)量，使鍋爐排煙與換熱系統(tǒng)及時(shí)匹配；煙氣與循環(huán)水直接換熱以噴淋循環(huán)水為載體，煙氣依次通過(guò)填料冷卻、噴淋冷卻途徑，煙氣與循環(huán)水的直接式混合換熱，充分吸收煙氣所攜帶的熱量，并吸收煙氣中的有害氣體成分，排出的氣體為65 ℃的清潔煙氣。循環(huán)水水泵采用變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng),動(dòng)態(tài)調(diào)整噴淋水量，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行；冷源間接換熱為高效板式間接換熱設(shè)備換熱，將吸收煙氣余熱所得的高溫循環(huán)水通過(guò)高效板式換熱器，使熱量轉(zhuǎn)換為可利用的熱能；基于智能遠(yuǎn)程控制模塊、三菱PLC、GOT及自動(dòng)化儀表的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

圖1 余熱回收裝置組成示意圖

2 煙氣主要參數(shù)、裝置技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)力環(huán)境條件

2.1 煙氣主要參數(shù)（鍋爐廠商提供）

鍋爐額定蒸發(fā)量為2～150 t/h；天然氣消耗量：168 m3/h（大火燃燒），42 m3/h（小火燃燒）；排煙溫度/排煙量：180 ℃（大火燃燒）/3600 m3/h，160°C（小火燃燒）/750 m3/h（蒸發(fā)量2 t/h場(chǎng)合）。

2.2 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

熱量回收率＞80%；排煙溫度為（65±2）℃；控制方式為數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)控制和智能遠(yuǎn)程控制；換熱出水溫度為60℃；排污：達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 主要?jiǎng)恿Νh(huán)境條件

供電：3相380 V交流電，50 Hz，10 kW；自來(lái)水：進(jìn)水壓力為0.25 MPa，進(jìn)水溫度＜25 ℃，水質(zhì)為一般工業(yè)凈化水；塔體及管道保溫處理，表面溫度不大于45 ℃；遠(yuǎn)離強(qiáng)電、強(qiáng)磁等干擾源。

3 機(jī)械本體設(shè)計(jì)計(jì)算與設(shè)備選型

3.1 鍋爐煙氣量計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[2]，引風(fēng)機(jī)處的煙氣流量計(jì)算公式為

式中：Bj為燃?xì)庀牧?，m3/h，大火對(duì)應(yīng)值為168，小火對(duì)應(yīng)值為42；Vpy為鍋爐內(nèi)腔煙氣容積（m3/m3），根據(jù)燃?xì)獬煞峙浔鹊牟煌?，取值有變化，長(zhǎng)慶天然氣取值12.9；Δα為爐膛漏風(fēng)系數(shù)，鍋爐為密閉式，無(wú)漏風(fēng)，取0；V0為理論通入爐膛空氣量，m3/m3，2 t鍋爐對(duì)應(yīng)值為9.4；θyf為當(dāng)量煙氣溫度，℃，大火對(duì)應(yīng)值為180，小火對(duì)應(yīng)值為160。

本項(xiàng)目鍋爐規(guī)格為2 t,有兩種工作狀態(tài)，分別是大火燃燒狀態(tài)和小火燃燒狀態(tài)。根據(jù)上式求得大火燃燒狀態(tài)、小火燃燒狀態(tài)煙氣量分別為3596、780 m3/h，與鍋爐廠商提供的數(shù)據(jù)相吻合。

3.2 風(fēng)機(jī)選型及參數(shù)

煙氣溫度為180 ℃，最大煙氣量為3600 m3/h；選用Y5-48型耐高溫小型鍋爐引風(fēng)機(jī)，流量為3772～7005 m3/h；全壓為967～1426 Pa；風(fēng)速為12.8～23.85 m/s；輸入功率為2.84～3.58 kW。

3.3 塔體設(shè)計(jì)計(jì)算

塔體采用中空塔與填料塔，包括循環(huán)水槽、填料空間、噴淋裝置，下部設(shè)排污口，中部設(shè)維修孔、入煙孔法蘭、循環(huán)水入口和溢流口。

3.3.1 塔徑與塔高

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，洗氣塔直徑為

D=Qvt/（2826ut）。

式中：D為洗氣塔直徑，m；Qvt為工作狀態(tài)下洗氣塔處理能力，m3/h；ut為端面工況流速，一般取1.0～1.5 m/s。

則塔徑D=2022.24/2826vt=0.846～0.690m。

洗滌塔噴嘴至底部氣流分布板間圓筒段高度為

H=V/（0.785D2）。

式中：H為洗滌塔有效直線段高度，m；V為洗滌塔有效容積，m3；D為洗滌塔直徑，m。

取V=3 m3，則H=7 m。

塔內(nèi)上升速度計(jì)算公式為

u= Qvt/（3600S）。

式中：u為塔內(nèi)氣流上升速度，m/s;S為塔凈截面積，m2。

則，u=2022.24/（3600×0.2826）=1.988 m/s。

3.3.2 循環(huán)水槽的容量

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，冷卻水量計(jì)算公式為

W=Q/Cw（t1′-t2′）。

式中：W為冷卻水量，kg/h；Q為冷卻散熱量，kJ/h；cw為水的質(zhì)量熱容，Cw=4.187 kJ/（kg·℃）；t1′為供水溫度，℃。

擬定排煙溫度為65 ℃時(shí)，冷卻散熱量Q=187557.12 kJ，冷卻水量W=2232.82 kg/h。

一般循環(huán)水槽容量取2～3 min的循環(huán)水量，W1=111.6 kg，循環(huán)水槽容積V=0.1116 m3。

3.3.3 填料選擇

選擇原則：傳質(zhì)效率要高，通量要大，層的壓降要低，抗污堵性能強(qiáng)，拆裝、檢修方便。常用填料材質(zhì)有陶瓷、金屬、塑料等。本設(shè)備煙氣溫度為180 ℃，選用金屬304材質(zhì)為宜。填料形式有散裝和規(guī)整，規(guī)整填料相比散堆填料來(lái)說(shuō)，在理論板數(shù)和處理量相同的情況下，規(guī)整填料的處理效率更高，成本更小，但是散堆填料比規(guī)整填料更抗堵。綜合對(duì)比后認(rèn)為選擇規(guī)整填料較為合理。

3.3.4 噴淋?chē)娮爝x型計(jì)算

噴淋?chē)娮爝x用美國(guó)噴霧系統(tǒng)公司（SPYaying Systems Co.）的Spiraljet噴霧噴嘴，具有結(jié)構(gòu)緊湊、一體化、大流速和實(shí)心錐形的霧化特性。噴流角度為60°～170°，連接方式有螺紋型和法蘭型。

循環(huán)水量W=2232.82 kg/h，即37.214 L/min，噴射壓力擬定為0.15 MPa，宜選用型號(hào)為HHSJ 3/8的噴嘴1個(gè)，或HHSJ 1/4的噴嘴3～4個(gè)。

3.4 循環(huán)水泵選型及管道計(jì)算

循環(huán)水管道分布為水平垂直立體分布，總長(zhǎng)度約為10 m，爬升高度3 m，管道附件有10個(gè)彎頭，5個(gè)截止閥，1個(gè)過(guò)濾器，板式換熱器1個(gè)。以上沿程壓力損失及管路附件壓力損失估算為0.1 MPa；管道出口為斯普瑞螺旋噴嘴，需要提供噴射壓力0.15 MPa；管路中重要設(shè)備為板式換熱器，板式換熱器一般允許壓降小于80 kPa。綜上循環(huán)水泵需提供33 MPa壓力。取富余系數(shù)K=1.1；循環(huán)水泵流量Gx=2232.82×1.1=2456.102 kg/h；揚(yáng)程Hx=33×1.1=36.3 m。

根據(jù)公式問(wèn)Q=S×V。式中：流量Q=0.00223282 m3/s；D為管道內(nèi)徑，流速取V= 1m/s，S=πD2/4，求得D=28 mm。選取管徑為DN32。

3.5 板換選型計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，換熱面積等于總熱負(fù)荷除以傳熱系數(shù)和平均對(duì)數(shù)溫差值。公式為：

Q=K·A·ΔTm。

式中，ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差。當(dāng)ΔT1/ΔT2＞1.7時(shí)，ΔTm=（ΔT1-ΔT2）/㏑（ΔT1/ΔT2）；ΔT1/ΔT2≤1.7 時(shí)，ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2。

兩種流體在熱交換器中傳熱過(guò)程溫差的積分的平均值：

ΔT1=t1-t2=35；

ΔT2=t2′-t1′=40。

式中：t1為熱流進(jìn)口溫度，取90 ℃；t2為熱流出口溫度，取60 ℃；t1′為冷流進(jìn)口溫度，取20 ℃；t2′為冷流出口溫度，取60 ℃。

ΔT1/ΔT2=0.875≤1.7；

ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2 =75/2=37.5。

K為傳熱系數(shù)，一般為2000～3000，計(jì)算公式為

K=1/(1/h1+δ/λ+1/h2) 。

總熱載荷Q=52kW·h；板換選用換熱面積為5 m2。

3.6 脫水器

為了不讓排出的氣體夾帶滴液，需要在塔體頂部排氣口加裝脫水器，脫水器的作用是捕獲10 μm以下的微細(xì)水霧。根據(jù)脫水工作原理和方式的不同，可分重力式、擋板式、離心式和網(wǎng)格式等4種脫水器。

選用網(wǎng)格脫水器(阻力流速圖見(jiàn)圖2)。

圖2 潤(rùn)濕網(wǎng)格脫水器的阻力與氣流速度曲線圖

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與器件選用

4.1 概述

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將天然氣鍋爐煙氣的熱量通過(guò)循環(huán)水直接冷凝，收集其熱量，再經(jīng)過(guò)板換產(chǎn)出熱水(約60℃)，供給用戶，同時(shí)凈化煙氣。首套裝置實(shí)現(xiàn)2 t天然氣鍋爐煙氣余熱回收。

煙氣引風(fēng)機(jī)馬達(dá)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，控制對(duì)象是處理后的清潔煙氣的排口溫度，用第一組PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。保證鍋爐產(chǎn)生的煙氣幾乎全部進(jìn)入余熱回收裝置，不干擾燃燒器正常運(yùn)行，也不可以吸入室外空氣。

鍋爐有大火和小火兩種燃燒工作狀態(tài)，煙氣引風(fēng)機(jī)控制單元要實(shí)時(shí)辨識(shí)，保證兩種燃燒狀態(tài)所排煙氣與引風(fēng)量匹配。

煙氣與循環(huán)水直接換熱，循環(huán)水泵馬達(dá)也采用變頻器驅(qū)動(dòng)，控制對(duì)象是循環(huán)水的溫度，用第二組PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。使循環(huán)水溫度恒定。

安全連鎖出現(xiàn)鍋爐故障、循環(huán)水位降至下限、變頻器過(guò)載、電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷、冷水失壓時(shí)，引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵均自動(dòng)停止工作。

4.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.3 控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

4.4 軟件模塊劃分

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 控制系統(tǒng)框圖

圖5 軟件模塊劃分

如圖5所示，上層模塊針對(duì)HMI操作，主要完成參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警和數(shù)據(jù)表格顯示、急停、密碼修改。下層模塊的功能是：接收溫度反饋值（PV）和安全連鎖信號(hào)，傳送給CPU，并與設(shè)定值（SV）比較，經(jīng)邏輯判斷和數(shù)據(jù)計(jì)算處理，輸出各操作值（MV），自動(dòng)控制引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)成清潔煙氣溫度、循環(huán)水溫度恒定的目標(biāo)。重點(diǎn)模塊簡(jiǎn)述如下：1）連鎖保護(hù)模塊。設(shè)置硬件和軟件雙重安全連鎖裝置，保證液位下限時(shí)循環(huán)泵自動(dòng)停機(jī)，并且不能啟動(dòng)，變頻器、電動(dòng)機(jī)過(guò)載不能啟動(dòng)。2)溫度采集模塊。清潔煙氣溫度、循環(huán)水溫度檢測(cè)使用鉑電極(Pt100)測(cè)量溫度，采用三線制接法。信號(hào)通過(guò)PLC的FX3U-4AD-PT-ADP四Pt100輸入模塊采樣到PLC中。

用兩臺(tái)變頻器（功率分別為5.5 kW和1.5 kW）分別驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)無(wú)效。

5 結(jié)語(yǔ)

天然氣鍋爐煙氣余熱回收裝置是將傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t排出的高溫且含有有害物質(zhì)的煙氣，經(jīng)離心風(fēng)機(jī)吸入混合換熱塔，一方面，采用直接換熱的形式吸收煙氣中的熱能，再通過(guò)循環(huán)水泵及換熱器將熱量供給用戶；另一方面，洗滌煙氣，大幅度降低碳化物、氮化物等有害物質(zhì)的排放。達(dá)到了回收煙氣余熱和凈化煙氣的雙重目的。從研發(fā)試制到推向市場(chǎng)總體上經(jīng)歷了幾個(gè)階段：1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)煙氣總量、風(fēng)機(jī)選型、塔體設(shè)計(jì)、循環(huán)水泵及管道等設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)回收凈化裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；2）校核階段，將實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比修正形成一套具體的通用型設(shè)計(jì)方法；3）量產(chǎn)階段，按照不同工況需求，設(shè)計(jì)制造出不同的產(chǎn)品供客戶使用。