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嵌入热管换热器反烧锅炉节能脱硫研究点击：1928 日期：[ 2014-04-26 21:54:13 ] |
| 热管换热器是1 9 6 4年研制出来的航天技术产品。基于其特有的换热-等温功能，人们对其所进行的拓展性研发与应用实践几十年来一直就没有停歇，并且成果颇丰。在反烧锅炉内嵌入热管换热器，通过低温燃烧以实现较高的节能-脱硫之功能的科研尝试就是其中的典型案例。在对其具备较高的节能-脱硫功能和较低的运行成本的实际考量过程中，我们选用的燃煤是电厂常用的沈阳清水煤，其硫分为0.6 5～0.8 0%，低位发热量1 3 7 5 0～15000kJ/kg；检测设备选用的是执行近于欧盟标准JJG 968-2002的国产自动烟尘/气测试仪3012H。 1·脱硫效率的推算和功能认定 根据上述参数，我们设定燃煤硫分Sar=0.7，低位发热量Qnet=14000kJ/kg；那么，燃煤燃烧所排放的烟气中S O2的浓度可按下式计算： CSO2=Sar%×m×106×2/（Vmin+1.016(αair-1）Lmin）式中：CS O2——烟气中二氧化硫的浓度，m g/m 3； m——燃煤单位质量，k g； Vm i n——理论烟气量，m 3/k g； αa i r——过量空气系数 Lm i n——理论空气量，m 3/k g； 用经验公式推算： Lmin＝2.65×10-4Qnet＋0.5 Vmin＝2.13×10-4Qnet＋1.65 式中：Qnet——低位发热量，k J/k g；当Qnet＝14000kJ/kg时： Lmin＝2.65×10-4×14000+0.5＝4.21 Vmin=2.13×10-4×14000+1.65=4.63 过量空气系数αair＝6.32时，烟气中二氧化硫的浓度：CSO2＝511.48mg/m3； 脱硫效率：η=（CSO2-CS O2″)/CS O2式中：CSO2″——换算成20℃时烟气SO2浓度，CSO2″=CSO2′/[（20+273）/（122+273）] CSO2′——实测（122℃时）烟气SO2浓度，C SO2′=6 0 m g/m3； C SO2″＝60/0.7418＝80.89mg/m3； 这样，η=（511.48-80.89)/511.48＝84.2%。 鉴于情况，我们认定： （1）嵌入热管换热器的反烧锅炉正常运行为低温燃烧状态，热释放的平均温度为7 0 0～8 0 0℃； （2）基于低温燃烧，此类锅炉炉内脱硫（或称燃烧中脱硫）反应的温度条件就有了充分保证，因此其脱硫效率较高； （3）由于脱硫反应的固硫剂就是燃煤灰分所原有的，以化合物形式存在的硅、钾、钙、镁、钠等的总量经估算、检测为多倍于相应的硫分；脱硫反应的原始物质足量存在，所以锅炉能够进行较低成本的脱硫和较低火用损的运行。 2·低温稳定燃烧的实现及其火用损分析 嵌入热管换热器的反烧锅炉的炉体由第一、二、三燃烧室，紊流炉排和火焰稳定器组成。其风烟流程起始于装填着煤块的紊流炉排上方的第一燃烧室。通过强制引风，空气按‘U’字型轨迹由上而下，再由下而上，依次流经紊流炉排-第二燃烧室-切向喷口-第三燃烧室（涡旋燃烧室）-火焰稳定器-气水换热器（锅体）。 嵌入热管换热器的反烧锅炉，其低温燃烧的稳定性所分别依托的是以紊流炉排-热管换热器为核心部件的气水换热系统和以带有高过量空气系数的空气为基本特征的风烟系统。在这里，紊流炉排管束内置扭力片，水流体以紊流状态在管内流动，这就为其强制高效换热营造出了结构条件；过量空气系数较高的空气引入，又为热流体的高效释热和炉内低成本的有效脱硫准备了较理想的温度条件。以下是此类锅炉额定工况时的火用损对比分析计算： 设计上，我们设定此类锅炉的工质液（循环水）通过热管换热器、紊流炉排和锅体吸热的平均温度T1＝330℃（603K），三者放热的平均温度T2＝740℃（1013K），锅炉单位时间的传热量为Q（kJ/h），环境温度T0＝20℃（293K）。 如果将热管换热器、紊流炉排和锅体视为一个功能当量体，且与工质液形成一个孤立系统，利用Gouy-Stodola公式，那么， 工质液吸热时熵变：ΔS1＝Q/T1 功能当量体放热时熵变：ΔS2＝Q/T2 独立系统的熵增量：ΔSiso=S1＋S2＝Q(1/T1-1/T2） 火用损：ΔEX＝I＝T0ΔSiso＝T0Q(1/T1-1/T2）＝293×(1/603-1/1013）Q＝0.1967Q 此工况的火用损仅是总传热量的1 9.6 7%。 然而，普通锅炉的平均放热温度都是900℃（即1173K）， 相应的火用损：ΔEX′=293×(1/603-1/1173）Q＝0.2361Q 其火用损则是总传热量的2 3.6 1%，显然ΔE X′＞ΔE X。 在燃煤燃烧过程中，单位时间空气所带走的热量：q＝αairLminρcpMΔt 式中：ρ——空气密度＝（1.20520＋0.898120）/2＝1.052，kg/m3； cp——空气比热容＝（1.00520+1.009120）/2＝1.007，kJ/kg·k； M——锅炉的煤耗，k g/h； 如果锅炉热效率：η=0.8 6 那么，燃煤对工质液单位时间的传热量： Q＝QnetMη＝14000×0.86M(kJ/h） 经推导：M＝Q/1 2 0 4 0； 热管换热器正常配置时烟气出口温度为4 5℃，空气进出锅炉温差Δt:＝45-20＝25（K） 所以：q＝6.32×4.21×1.052×1.007×25×Q/12040=0.0585Q（kJ/h） 空气所带走（或损失）的热量仅是总传热量的5.85%，q＜＜ΔEX。 由上可见，低温燃烧是这种炉型具备较高的节能-脱硫能效的系统基础。 3·炉内有效脱硫的机理和结构保证 嵌入热管换热器的反烧锅炉之所以具备较为理想的脱硫功效这里主要取决于二个因素：一是做为内因，燃烧系统存在着比较充裕的可参与针对二氧化硫盐化反应的物资基础；一是做为外因，脱硫过程恰好发生在比较适宜其固硫反应的低温燃烧环境之中。 我们通过对低位发热量约为14000kJ/kg的几类燃煤的灰分进行化学元素分析发现，它们的灰分一般都为30%～40%。 作为灰分的主体，硅及其化合物约占4 0%～5 0%。伴随着燃烧，燃煤里主要以二氧化硅的形式存在的硅由于温度升高和碳-挥发份的析出便逐步完成了如下蜕变，即膨胀-膨松-裂解-碳化，其间灰渣的孔隙率就会成指数增加，这客观上即为接续的脱硫过程构建了较为理想的固硫床。 与此同时，占灰分约5%左右的碳酸钙，在750～850℃时被分解成CaO； 占灰分约3%左右的碱式碳酸镁，在700℃时被分解成瞬态的M g O； 占灰分约2%左右的钠的化合物（主要是N a H C O3），在1 6 0℃时被分解为N a2C O3； 占灰分约7%左右的钾的化合物在经过一系列复杂反应后被形成瞬态的K O H。 很明显，这些固硫物的总量将远大于烟气中以S O2形式的硫的含量，并且由于灰渣的孔隙效应它们大部分都将滞留在孔隙率较高的灰渣中（或以较慢速度流经之），如此针对S O2的盐化反应的内因条件就获得的极大满足。在设计上，锅炉的低温燃烧是通过以下构件的嵌入来实现的，它们是热管换热器、紊流炉排、涡旋燃烧室、火焰稳定器和反烧结构等等。 热管换热器-紊流炉排精于换热，通过对热管换热器数量及紊流炉排长度的合理配置最终可将烟气（二氧化硫浓度在6 5 m g/m 3附近）出口温度控制在50℃以内，从而形成了一系列的吸热‘黑洞’，随着冷侧水温升高可使燃煤层的温度尽可能地稳定在脱硫温度附近； 旋涡燃烧室-火焰稳定器重在稳流，通过弧旋和扩张结构风烟流体流速被控制在3 m/s以内，从而建立了一个烟火缓冲场，烟气在此流速减缓可增加脱硫的反应时间； 反烧结构旨在燃流的导向，低温（700～800℃）碳火层由下而上碳化-裂解-膨松-膨胀，并热分解出诸如C a O、M g O、N a2C O3、K O H等瞬间固硫物质，从而营造了一个实效低成本的固硫床，带有二氧化硫的烟气由上而下穿越，可使流经的二氧化硫得到最大限度的盐化。 4·嵌入热管换热器的反烧锅炉的基本价值 嵌入热管换热器的反烧锅炉通过最简易的结构形式、最经济的司炉模式实现了低温燃烧，实现了节能-脱硫，而其核心价值则是运行过程的低成本。对于1台蒸发量为1t/h的此类型锅炉其额定运行的经济技术指标如表1所列。 在表1里，有二个数字值得我们注意。第一是该类型锅炉通过烟气全年排放二氧化硫的总量折合到单位面积值，0.071kg/m2a，此值与脱硫效率为9 3%以上的集中供热企业的此项指标基本相同。第二是与0.7 M W热功率相对应的锅炉运行三项费用和折合单位面积费用，1 8 8 5 0 0元/a-1 2.1 2元/m 2 a，这个数字似乎比热电联产企业的此类指标都要高出许多。 5 ·结论 嵌入热管换热器的反烧锅炉成功地应用了以热管换热器为核心内容的，适合于低温燃烧的系列部件和运行模式，使该供热成套装置在低成本运行的条件下实现了较高效率的炉内脱硫和能量转换；且综合经济技术指标高于或等同于集中供热同比水平，完全可以作为集中供热的一种补充；同时，为实现集中与离散热源的科学规划以及供热资源的合理调配，在设备甄选方面，给用户又提供了一个选择余地。 参考文献： [1]庄骏，张红.热管技术及其工程应用.北京:化学工业出版社,2000 [2]余建祖.换热器原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,2006 [3]陈东,谢继红.热泵技术及其应用.北京:化学工业出版社,2006 [4]王修彦.工程热力学.北京:机械工业出版社 |
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