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相变换热器节能技术在燃煤锅炉上的应用
张香转
(河南油田五一社区服务中心供热服务站,南阳473132)
摘 要：阐述了相变换热器的原理,并通过在燃煤锅炉上的实际应用,对比了使用相变换热器前后燃煤锅炉的排烟温度和出力,以实际数据论证了相变换热器的节能效果。
关键词：相变换热器;排烟温度;锅炉出力;节能
中图分类号：TK224. 1+2 文献标识码：B
文章编号：1004-8774(2010)05-35-04
0 前言
锅炉燃烧过程中最大的热损失是排烟热损失,影响排烟热损失的主要因素是排烟温度,因此如何有效地降低锅炉排烟温度,提高锅炉热效率,成了锅炉企业和用户追求的目标。复合相变换热器在大幅度降低排烟温度的前提下能有效地防止低温腐蚀,从而为锅炉节能技术开辟了一条广阔的途径。
1 复合相变换热器基本原理及特性
和一般热管换热器以及其他节能技术不同,复合相变换热器技术的核心在于“复合”和“相变”,即通过“相变换热器”的设置,并利用不同“强化传热技术”与不同“控制技术”的合理配置,借助于优化设计,改变包括热管技术在内的一般换热器壁面温度分布的“函数”特征,在始终保证金属壁面温度处于酸露点以上以避免出现低温结露和腐蚀的同时,为大幅度回收烟气低温余热提供了可能。
复合相变换热器中的“相变段”是整个技术得以实施的核心部件之一,它将原热管换热器中相互独立的部分,通过优化设计构造成一个相互关联的整体,充分利用气(化)液(化)间“两相同向流动”、“汽液相变换热”、“工质自然循环”,将气化与液化交替进行,以2 243 kJ/kg的热容量进行高效传热。在换热平均温差20℃时,与传统的烟气横向冲刷列管换热的气气换热器的20 kJ/kg、20℃换热能力相比,二者具有102以上数量级的传热量差别。
复合相变换热器是在多根并联的密闭管排束构件内利用软化水相变潜热传递热量,在热管下端面加热,水吸收热量汽化为饱和蒸汽,在一定的压差下上升到热管上端面,向外界放出热量,并凝结成液体,饱和水经汽水分离器回到受热段,并再次汽化,往复循环,完成了把热量从高端传向低端的单向导热。
复合相变换热器多根并联的密闭管排束构件上的金属壁面整体温度分布均匀,与烟气温度保持“较小梯度温降(温差10~20℃)”,并具备“独立于被加热工质温度”的特殊功能。
复合相变换热器通过“相变段”换热流量的调节,实现对整个设备可能出现的不同最低壁面温度的闭环控制,保证面对燃料种类如煤质等变动引发酸露点变化后,对壁温同步可控可调。在保证设备安全运行的前提下,实现最大幅度回收烟气余热的节能目标。图1为相变换热器的控制系统流程图。
2 相变换热器安全有效运行的关键调试
2. 1 注水及排气
(1)注水可以在锅炉运行状态进行,也可以在停炉状态进行。注水操作直接影响相变换热器的安全、经济运行,须严格按照说明进行操作。
图2为相变换热器结构示意图,在有注水量计量的场合,注水操作如下:汽包注水前记下水表数值;打开相变下段的排污阀待放干水后,关闭排污阀,关闭放气球阀1,打开针形阀、注水球阀2,开始注水;注水时密切注视水表指示的水量:汽包注水量达481 kg时,停止注水(即关闭注水球阀2),同时立即打开放气球阀1;若注水量超过565 kg,则应打开相变下段的排污阀待放干水后,重新注水。
(2)排气在关闭汽包的注水球阀2,停止注水后进行。首先依次打开针形阀和放气球阀1,待相变下段受热产生蒸汽,可见放气球阀1有气体排出,即开始排气。排气持续1小时左右。先关闭针形阀,检查针形阀的严密性,同时观察注水球阀是否严密,不得有水迹;然后关闭气球阀1,排气结束。排气过程中应适时适量开大相变换热器热网回水系统的出水阀(进水阀),以排气口不产生负压、壁温显示仪显示温度在105~115℃为宜。排气过程中,注意控制壁温显示仪显示温度不得超过120℃。
2. 2 调节相变段壁面温度和排烟温度
排气结束后,切换调节阀控制仪表为自动状态,调节阀自动调整相变换热器汽包的进水量,此后显示壁温值围绕105℃上下波动。此时,排烟温度约为120℃,设备进入正常运行状况。
2. 3 注意事项
(1)排气时操作人员应避开排气口,以免烫伤。
(2)正常运行中,无论何时相变段壁面温度显示仪显示温度值都不得低于100℃,或高于120℃。
(3)在锅炉运行时,进入换热器的供热回水流量不允许中断。
3 相变换热器安装前后排烟温度对比分析
2009~2010年供暖期锅炉平均排烟温度与2008~2009年供暖期锅炉平均排烟温度对比。复合相变换热器在大幅度降低排烟温度的前提下能有效地防止低温腐蚀,以下介绍使用相变换热器前后锅炉排烟温度的变化。
以五一社区供热站黄山供热队为例,统计两个供暖期的锅炉平均排烟温度。需要说明的是2008~2009年供暖期没有安装相变换热器, 2009~2010年供暖期锅炉上安装使用相变换热器,数据来自两个供暖期黄山供热队5台锅炉运行报表(如表1、图3)。
由表1和图3可以清楚看出,使用相变换热器后排烟温度最大可降低86. 7℃,最小也可降低59·9℃。
相变换热器的下段,放热物质是烟气,吸热物质是作为传热媒介的水,相变里的水是密闭的,相变下段的水从烟气里吸收热量,水吸收热量汽化为饱和蒸汽,在一定的压差下上升到热管上端面,向外界放出热量,并凝结成液体,饱和水经汽水分离器回到受热段,并再次汽化,往复循环,完成了把热量从高端传向低端的单向导热。
4 使用相变换热器前后锅炉出力大小与锅炉出力分布对比
4. 1 锅炉出力与分布数据统计筛选计算为了清楚地论证安装相变换热器前后锅炉出力的大小与分布的变化,对2009~2010年供暖期和2008~2009年两个供暖期的锅炉运行数据进行统计筛选计算,如表2和表3。
4. 2 使用相变换热器前后锅炉出力对比
锅炉出力=热水锅炉循环水量×(锅炉出水焓-锅炉进水焓)
使用加权平均法,算出两个供暖期锅炉的平均出力,计算结果如表4。
从表4、图4中可以看出,安装相变换热器后,锅炉的平均出力有较大幅度提高,锅炉的热负荷同比增加,经测试锅炉热效率提高5个百分点,有效解决了燃煤锅炉热效率低的问题,标志着供暖锅炉燃烧技术又上了一个新台阶。
4. 3 锅炉出力大小分布状态
我单位供热站共有5台20 t/h DZL 14—1. 0/95/70—AIII燃煤锅炉,现已经全部安装相变换热器,并运行了一个供暖期,节能效果十分显著。现对两个供暖期锅炉出力数据进行筛选,筛选条件为出力<8. 4MW, 8. 4MW≤出力≤9. 8MW, 9. 8MW<出力≤11. 2MW,出力>11. 2MW,由表2和表3数据得图5、图6。
从图5、图6可以看出,同样都是2#炉,供暖锅炉未安装相变换热器时,锅炉出力小于8. 4MW的占78. 6%,而安装相变换热器后,锅炉出力小于8. 4MW的占5. 3%;供暖锅炉未安装相变换热器时,锅炉出力范围为9. 8 MW <出力≤11. 2 MW的仅占4%,而安装相变换热器后,锅炉出力范围9. 8 MW<出力≤11. 2MW的占34. 6%;供暖锅炉未安装相变换热器后,锅炉出力范围为>11. 2 MW的占0·2%,而安装相变换热器后,锅炉出力范围为>11·2的占39. 3%。说明安装相变换热器后锅炉出力有大幅提高。
5 经济效益分析
由局监测中心实测相变的流量为10 m3/h,相变的进口平均温度为43. 63℃,相变的出口平均温度为84. 77℃,一台锅炉相变每小时吸收烟气的热量为:
6 结束语
相变换热器能够在锅炉的设计和改造中,大幅度降低烟气的排放温度,使大量中低温热能被有效回收,产生十分可观的经济效益;在降低排烟温度的同时,保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平,远离酸露点的腐蚀区域,从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰,大幅度降低设备的维护成本;保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态,使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力,使排烟温度和壁面温度保持相对稳定,并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化;在保留热管换热器具有高效传热特性的同时,通过适时排放不凝气体,有效解决相变换热器可能出现的老化问题,大大延长设备的使用寿命。
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