含硫含塵煙氣的換熱方案設計

1、確定露點溫度

當原料中含有S且在高溫下燃燒時，會產生SO2，少量SO2與O2反應形成SO3，根據煙氣中SO3和水分含量的不同，露點溫度也不相同。SO3含量越高，露點越高；水分含量越高，露點越高。對一含硫煙氣進行余熱回收，首先要確定其露點溫度。當我們知道了氣相中S03和H20的含量，將其換算成氣相分壓，就可以通過露點溫度圖或由霍夫露點計算式得出露點溫度。換熱器設計時要求換熱管管壁的溫度要高于露點20 ℃～30 ℃，從而有效防止換熱元件的低溫露點腐蝕和積灰。

2、換熱元件的選擇

對于含硫煙氣的余熱回收一般情況下應選擇熱管換熱器，熱管換熱器的換熱元件是熱管。在余熱回收領域熱管換熱器比較常規間壁式換熱器有兩大優勢：

a）壁溫可調；

b）冷熱側均可纏繞翅片擴展受熱面。

煙氣的余熱回收以提高經濟效益為目的，而熱管換熱器中熱管的價值占換熱設備總造價的比值達75%～85%，因此選擇一種造價低廉、運行平穩的熱管在余熱回收換熱器的設計中意義重大。熱管種類很多，在煙氣余熱回收中通常采用鋼水重力熱管，碳鋼水重力熱管結構簡單、制作方便，所用工作液體水無毒無味，汽化潛熱大，黏度低，傳熱性能穩定，工作溫度較寬，30 ℃～250 ℃。因此在基本解決了碳鋼水的相溶性問題后，逐漸成為煙氣余熱回收中的選擇。

3、壁溫的調整

存在露點腐蝕的情況下，設備材質無論采用碳鋼還是不銹鋼，使用壽命一般不超過1 a。如果煙氣含塵較多，管壁溫度又低于露點，設備通常是因積灰堵塞換熱面而失效。因此將管壁溫度提高至露點以上是熱管換熱器換熱是否成功的關鍵。

當不考慮熱損的情況下，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，則換熱量Qx為：

Qx=UhAh（th-tv）=UcAc（tv-tc），（1）

式（1）中，Qx為換熱量W；Uh、Uc為熱側和冷側的傳熱系數；Ah、Ac為熱側和冷側的傳熱面積m2；th、tc為熱側和冷側的流體溫度℃；tv為熱管內部工質的蒸汽溫度℃。

由式（1）可以看出通過調整Uh、Ah和Uc、Ac的值，可使熱管的蒸汽溫度tv接近熱流體或遠離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度接近管內蒸汽溫度，所以可用調整U、A值的辦法來控制熱管管壁溫度。

煙氣和空氣換熱時，由于氣體的換熱系數很接近，一般是通過調整熱管冷熱側比例，翅片高度和螺距來調整管壁溫度。當煙氣和水進行換熱時，因水的換熱系數比煙氣高很多，所以水側一般采用光管，除了調整冷熱比例，還可以通過增加或減少折流板的數量來調整管壁溫度。

4、纏繞翅片擴展受熱面

現在常用的有兩種翅片，一種是套片，一種是高頻焊螺旋翅片。套片是機器沖壓的圓薄片，用人工一片一片地套到基管上，在使用過程中因脹縮系數不同，套片和基管之間會逐漸產生縫隙并充滿灰塵，熱阻增大甚至使翅片失去換熱能力，而且套片相對較薄不耐磨，設計工況風速10 m/s左右時，套片的使用壽命不足1a。我公司換熱器全部采用的是高頻焊翅片管。高頻焊翅片管是用高頻焊機將鋼帶圍繞基管纏繞焊接而成，翅片厚度一般在1mm～2mm，熱阻小，換熱效率高，熱管換熱器采用高頻焊翅片熱管作為換熱元件可提高換熱效率，增加使用年限。熱管分為冷熱兩端，所以可在冷熱側同時纏繞翅片以擴展受熱面。

5、換熱方式的確定

熱管換熱器冷熱介質通常有兩種換熱方式：并流和逆流。在兩種流體進出口溫度一定，傳熱量相同時，逆流平均溫差大于其它換熱方式平均溫差，從傳熱方程式：

Q=KAΔt，（2）

可知，所需的換熱面積比采用其它換熱方式時要小，所以設備體積小，結構緊湊成本低。式（2）中，Q為傳熱量W；K為換熱系數W/（m2?℃）；A為換熱面積m2；Δt為溫差℃。但在熱管換熱器中采用逆流換熱時，因逆流傳熱會使熱流體的高溫對應冷流體的高溫，熱流體的低溫對應冷液體的低溫，造成熱液體側入口的幾排熱管內部蒸汽溫度過高，有可能超過鋼水熱管的最高工作溫度，而在熱流體出口的幾排熱管管壁溫度過低，導致低溫腐蝕和堵灰現象。因此，換熱設計時應對并流和逆流兩種換熱方式都要進行計算，通過全面比較，最后選擇合理的方案。  

6、含塵量對換熱器結構的影響

當煙氣含塵量較高時，在設計管壁溫度高于露點的基礎上應考慮采用大螺距低翅片管，傾斜放置。但重力熱管軸線與水平線角度應不小于20°，以保證冷凝介質的可靠回流，此時翅片不是水平而是傾斜的，有利于灰塵的下落。特殊情況下也可以采用光管。換熱器煙氣側箱體兩邊設置清灰門，換熱器底部設灰斗，以方便換熱器定期清灰和排灰。在比較重要或有較高要求的情況下可在換熱器上安裝清灰器，根據工作實際情況設置清灰頻率，在灰斗下方設置連續排灰閥，實現灰塵的自動化清理。