烟气余热利用空气预热器的综述--毕业论文.docx

烟气余热利用空气预热器的综述 目 录摘 要1关键词11 传统空气预热器11.1 列管式空气预热器11.2 回转式(蓄热式)空气预热器21.3 热管式空气预热器42 板式空气预热器42.1 板式空气预热器介绍42.2 板式换热器的分类及其结构53 热管式预热器与板式预热器的对比83.1 工作原理83.2 工艺布置形式93.3 板式预热器优缺点94 板式预热器实例介绍94.1 基于相似理论的新型板式空气预热器设计94.2 某炼油厂制氮装置里板式空气预热器的优化设计114.3 双面翘片板式空气预热器在导热油炉上的应用134.4 LPEC板式空气预热器的介绍155 相关专利介绍16参考文献22烟气余热利用空气预热器的综述摘 要：空气预热器（air pre-heater）就是锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面。用于提高锅炉的热交换性能，降低能量消耗。传统形式的空气预热器普遍存在积灰结焦、热管失效、腐蚀及漏风等问题，难以满足装置大型化需要。采用以波纹板片作为传热元件的新型板式空气预热器，克服了上述问题，同时大幅度降低了装置的运行费用和检修费用。关键词：空气预热器；板片；热管；应用空气预热器是通过对锅炉、加热炉以及废气催化焚烧炉的高温烟气与燃烧所用冷空气换热进行废热回收的重要装备。空气预热器一方面可以提高锅炉、加热炉以及废气催化焚烧炉燃烧所用空气的温度，达到锅炉、加热炉以及废气催化焚烧炉完全燃烧的要求，降低装置能耗，节约能源。另一方面可将高温烟气冷却，降低烟尘含量，减少有害气体(如二氧化硫、氮氧化物等)的排放以达到环保要求。1 传统空气预热器传统的空气预热器形式主要有列管式、回转式(蓄热式)及热管式空气预热器3种。1.1 列管式空气预热器列管式空气预热器在各种工业锅炉上曾得到广泛的应用，但由于传热效率低、质量大及造价昂贵，在石化装置中应用较少。目前，普通光管式空气预热器已逐步被热管式空气预热器所替代，仅有少数用螺旋槽管、搪瓷钢管及翅片管等具有强化传热或特殊抗腐蚀性能的传热元件制成的空气预热器仍在应用。管式空预器的结构：由管箱、连通风罩、导流板、墙板及密封装置等组成。管箱由普通钢管和上、下管板组成，管子的两端分别焊接在上、下管板上。管式预热器布置在锅炉尾部烟道，结构简单、体积庞大，金属管壁温度较低、漏风量少。工作时，烟气自上而下在管内纵向流过，空气在管外横向冲刷，烟气的热量通过管壁连续传给空气。为了能使空气多次交叉流动，实现逆流传热，在管箱内可加装中间管板。 按进风方式可分为单面进风和双面进风；按空气流程可分为单通道和多通道。通道数越多，越接近逆流传热，越能得到良好的传热效果，但会造成流动阻力增大。为了得到较大的传热温差，又不使空气流速过大，常采用多道多面进风的结构。缺点：体积大，金属消耗量大，大型锅炉尾部受热面不好布置。运行中金属壁温较低，空气进口处易发生低温腐蚀。1.2 回转式(蓄热式)空气预热器回转式(蓄热式)空气预热器，分为受热面回转式和风罩回转式。近年投运的大容量机组多采用受热面回转式空气预热器，并且作为电厂大型机组配套的主流产品，目前仍是电力行业大容量机组采用的主要形式。回转式空气预热器的波纹板蓄热元件被紧密地放置在扇形隔仓内，交替与烟气和空气进行换热。尽管针对回转式空气预热器的改进一直都在进行，但回转式空气预热器耗电、漏风、积灰结焦及低温腐蚀等问题仍然比较严重。在大化肥装置中，由于回转式空气预热器中存在的漏风问题无法解决，且低温腐蚀问题较为突出，因此新设计的大化肥装置中已基本不再选用。受热面回转式空气预热器：外壳一般由多边形筒体、上下端板和上下扇形板等组成。上下端板上都留有烟风道的开孔，并与烟道、风道相连接。回转式预热器的转子与静止的外壳之间总是存在一定的间隙，由于预热器内的空气区呈正压，而烟气区为负压，就导致一部分空气通过交界处的间隙而漏到烟气中去，这种经动静之间间隙的漏风称为间隙漏风。当回转式预热器工作时，随着转子不断旋转，不可避免的要将存在转子容积中的空气携带到烟气中去，同时也有一些烟气随转子的转动而被带入空气区，这种被旋转的转子容积所携带的漏风，称为携带漏风。转子的转速越快，携带的漏风量相应也越大。尾部受热面积灰：积灰是烟气中的飞灰沉积在受热面上的现象。包括松散性积灰和低温黏结性积灰。松散性积灰：烟气携带飞灰流经受热面时，部分灰粒沉积在受热面上形成。呈干松状，易于清除。低温黏结灰。烟气中的硫酸蒸汽在低温受热面上凝结，将灰粒积聚而形成。不易清除。积灰的影响因素：1、烟速的影响：烟速小于2.53m/s，迎风面易积灰，大于810 m/s则不会积灰。设计额定烟速不低于6m/s。2、飞灰颗粒度的影响：微小颗粒容易沉积，大颗粒不易沉积。3、管束结构的影响：管束顺列布置时，从第二排开始，管子迎风面及背面处于旋涡区，会严重积灰。错列布置时，迎风面及背风面均受到冲刷，不易积灰。4、受热面金属温度的影响：温度太低，水蒸气和硫酸蒸汽易凝结，形成低温黏结性积灰。减轻低温腐蚀的措施：提高空预器冷段壁温：采用暖风器；采用热风再循环。减少烟气中三氧化硫的生成量：燃烧脱硫；低氧燃烧；燃料中添加石灰石粉末。空预器的冷端采用耐腐蚀材料。1.3 热管式空气预热器热管式空气预热器是目前国内应用最多的一种空气预热器，其工作原理是通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量。由于存在热媒损失、放气等因素，热管在长期使用后会因真空度下降而失效。若使用温度过高(380时)，就必须采用价格较昂贵的工质和高温材料热管，导致设备造价过高，尤其是在高温操作时易出现爆管，严重制约了设备的使用寿命。一般情况下，热管式空气预热器在使用3-5a后大批量的单根热管需要重新抽真空或更换。由于热管失效很难判定，一般情况下需要对所有的热管进行重新抽真空或更换，造成很大的维修成本，并需要较长的检修周期，间接地造成更大的经济损失。用于空气预热器的热管外为翅片结构，积灰问题比较严重且难以解决，导致了装置的使用寿命进一步降低，而在停工时，若空气温度低于-20,钢水热管容易冻裂。此外，热管式空气预热器体积庞大、金属耗量大的问题随着装置大型化日显突出，已经严重制约了装置的改造。2 板式空气预热器2.1 板式空气预热器介绍板式空气预热器采用波纹板片作为传热元件，一定数量的波纹板片叠合成板束，烟气-空气通过板片直接换热，冷热流体完全隔离(不同于回转式空气预热器的冷热交替传热)，彻底解决了漏风问题。在板式空气预热器中，传热板片之间采用密封垫片或焊接方式连接，不存在失效问题。同时由于采用了板式换热元件，且材质多为不锈钢或更高级材料，使结构更加紧凑，传热效率更高，使用寿命更长。与传统形式的空气预热器相比，板式空气预热装置具有以下优点:(1)使用温度高：采用不锈钢材质时，使用温度可达700。(2)结构紧凑，易实现大型化：结构紧凑度高，占地面积仅为热管式的1/2左右，可满足大型化装置的要求。(3)传热效率高、压降低、无死区：传热效率比热管式的提高近1倍，而压降则大大降低。金属耗量低，在同等热负荷的前提下，金属耗量仅为热管式的1/3左右。(4)不易积灰，可在线清洗(或吹扫)：由于板式空气预热器的板片表面接近于镜面，因此不易积灰，即便积灰也可以采用清洗或者超声波吹灰方式方便除灰。(5)使用寿命长，维修方便：由于板式空气预热器不存在真空度下降、爆管等失效问题，即使出现两侧介质窜漏对整个装置影响也较小。加之换热元件多为不锈钢，使用寿命大为延长，而维修工作量则降至最低。2.2 板式换热器的分类及其结构可拆卸板式换热器可拆卸板式换热器是将薄的金属板片(一般0.4-0.8 mm)冲压成为凸凹状，周边张贴合成橡胶类的密封垫片，每一枚传热板片为一个传热单元，必要的传热板组合成传热部，高温流体或低温流体流过各传热板形成流路时进行热交换。通过上、下两根拉杆将传热部分固定在固定板(框架板)与可动板(活动板、挤压板)之间，并用长的螺栓紧固。板片、(上端设有滚动机构的)活动压紧板和中间隔板均悬挂在上、下导杆之间，板片的数量、顺序和方向按设计要求组装;板片的周边和角孔处有密封槽，供放置(黏贴或嵌入)密封垫片用；固定压紧板与支柱通过上、下导杆连接成一体，称为“枢架”；拧紧夹紧螺母和螺柱时，活动压紧板与板片一起被推向固定压紧板，直至规定的夹紧尺寸为止。如果需要，可卸去夹紧螺母和螺栓，推开活动压紧板，取下板片和密封垫片，进行清洗或更换。焊接板式换热器焊接板式换热器兼有板式换热器和管壳式换热器两者的许多优点，在一定的工况下更具有竞争性，因而得到大力发展。焊接的流道无需密封垫片，可承受较高的压力和温度。一般来说，当设计压力不大于2.5Mpa，设计温度不超过250时，板束仍采用压紧板夹紧的可拆卸结构；当设计压力、温度更高时，板束或置于矩形箱内，或置于圆筒内；由于圆筒体的承压能力比矩形箱更高，故设计压力可达8Mpa(最高20Mpa)，设计温度可达600 (最高可达1000)。焊接板式换热器根据其焊接方式和钎料的种类又可分为半焊接板式换热器、全焊接板式换热器、铜钎焊板式换热器和镍钎焊板式换热器。采用专门的焊接工艺(激光焊、等离子弧焊、氢气保护电弧焊)将每两张板片沿外密封槽焊在一起形成板片对，再将板片用垫片组装起来的为半焊接板式换热器(图1-2)；采用专门的焊接工艺将一定数量的板片沿密封槽焊成一个板片包后，再将几个板片包组焊并装配成一体的板式换热器称为全焊接板式换热器(图1-3 )；不锈钢板片和纯度高于99%的铜箔钎料在真空钎焊炉的高温作用下形成一体的板式换热器称为铜钎焊板式换热器(图1-4)；不锈钢板片和镍箔钎料在钎焊炉的高温作用下形成一体的板式换热器为镍钎焊板式换热器(图1-4)。 螺旋板式换热器螺旋板式换热器是由两张板卷制而成，形成两个均匀的螺旋通道，两种传热介质可进行全逆流流动，这样大大增强了换热效果，即使两种温差较小的介质，也能达到理想的换热效果；壳体上的接管采用切向结构，局部阻力小，由于螺旋通道的曲率是均匀的，液体在设备内流动没有大的转向，所以总阻力较小，因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力；不可拆卸螺旋板式换热器的螺旋通道的端面采用焊接密封，具有很好的密封性；可拆卸螺旋板式换热器结构原理与不可拆卸式的换热器基本相同，但其中一个或两个通道可拆开清洗，适用范围较广当单台设备不能满足使用要求时，还可以多台组合使用。板卷式换热器按照流程组合，板卷式换热器可分为：单程和多程板式换热器;顺流(或并流)、逆流和交汉流(或横流)板式换热器。按照工艺用途，板卷式换热器可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和预热器。按照紧凑度(单位面积内的换热面积，m2/m3 )，板卷式换热器均属于液体-液体或液体-气体两相流体换热的紧凑式换热器，其紧凑度约为120-660 m2/m3。一般，紧凑度为700-3000 m2/m3的换热器，称为紧凑式换热器，主要用于气-气或气-液介质的换热。3 热管式预热器与板式预热器的对比3.1 工作原理热管式预热器一般用“碳钢-水热管”，热媒通过热管蒸发段吸收高温烟气汽化，沿管中心上升至热管冷却段，热媒放热冷凝加热低温煤气或空气，然后沿管壁流回蒸发段，再次吸热汽化循环工作。利用热媒汽化和冷凝，实现对工作介质的加热。板式空气(煤气)预热器采用板片传热，替代传统热管传热元件。其基本传热原理为间壁式直接换热。烟气、空气(煤气)通过板片换热，冷热流体完全隔离，由于传热板片沿流体流动方向的流道断面形状不断变化，大大加强了流体的扰动，从而增加了流体的传热效率。3.2 工艺布置形式热管式预热器工艺布置形式，可以是分离式，即热管预热器采用烟气、空气、煤气三台预热器设备，工艺布置时，烟气预热器相对位置较低，空、煤气相对位置较高。烟气预热器和空气、煤气预热器采用外联管联通。一般烟气预热器采用混凝土基础落地安装，烟气水平进、出预热器；空、煤气采用钢结构支架及平台架空安装，介质水平进、出预热器，各介质管道设置旁通管并安装阀门。预热器通过热媒汽化、凝结、重力回流完成热交换。结构形式还有集中式，即采用两台或一台预热器，空气和烟气为一组件，煤气和烟气为一组件，或空气、煤气和烟气合为一个组件，空气和煤气在烟气上方。介质水平接人预热器，烟气介质与空气和煤气介质为对流方向。板式预热器工艺布置形式只用集中式一种，其结构形式与管式预热器集中式基本相同，但介质介入方式有所区别，烟气同样为水平接人，但煤气和空气接入形式较多，根据流程及现场条件不同可上进上出、上进下出、水平下进水平或上出，各介质管道分别设旁通管并安装阀门。3.3 板式预热器优缺点板式预热器的优点是传热性能高:与管式传热元件相比，板式传热元件总传热系数提高1-3倍，同热管式相比总传热系数提高30%-100%。根据加热与被加热前后温度、体积变化的特点，采用可变流道设计确保总传热系数的最佳化和阻力降的最低化。耐高、低温性能好：板式预热器传热元件采用抗露点腐蚀、耐高温的不锈钢，具有良好的抗低温腐蚀性能和耐高温性能，可在延1000工况下安全运行。可靠性高、抗积灰、结构紧凑：板式预热器抗露点腐蚀，耐高温，预热器流道清晰，充分考虑煤气的特点，无煤气死区。进气管口加保护套和保护层，以及采用合理的流速，避免了对板片的磨损，可靠性大为提高。特殊的波纹设计且传热表面光滑，板式预热装置不积灰。板式结构具有很高的紧凑度，管式(热管式)传热元件的紧凑度约为60/m，而板式传热元件为160/m，提高近3倍。其缺点是，板式预热器由于在钢铁行业应用较晚，2008年首次用于湘钢2号高炉，从目前使用效果来看，预热效果能够达到生产要求，但板式预热器在高炉热风炉上使用年限还有待今后进一步观察论证。4 板式预热器实例介绍4.1 基于相似理论的新型板式空气预热器设计板式空气预热器涉及到的主要性能参数是换热和压降，其影响着设备的传热和换热性能。波纹板式空气预热器是由一组平行的波纹换热板构成的，两段由前、后端板和固定紧板形成的框架予以固定，上下导杆穿过各板四角的通导孔并用夹紧螺栓加以紧固，如图1所示。本文中研究的新型板式空气预热器在零件结构和装配结构都与其截然不同，其流体可以直接通过换热单元而不会产生折流，从而大大的减少压降的产生。新型板式空气预热器与其他各类预热器相比，具有诸多特点，主要为空气幕防腐设计和模块化设计。根据换热量不同需求和空间大小要求灵活组合预热器，将预热器采用逆流式单元模块进行设计，即分别将冷、热流道进行单元化结构便于预热器的组装、运输及针对故障模块的拆卸维修及替换工作，如图2所示。由于新设计预热器产品过大，制作成本高、时间长，不宜进行加工试验。所以在其结构基础上，基于相似理论，设计小型样机用以进行试验。应用相似理论研究对象几何特征的相似，构建各种实物的模型，使模型和实物保持几何相似。原型和模型对应线性长度均成以固定比例。它在原有产品设计的基础上，缩小了几何尺寸，但依然保留有连接块、换热板、隔热板等零部件，安装结构也均按照原有产品进行设计装配(如图4至5所示)。4.2 某炼油厂制氮装置里板式空气预热器的优化设计某炼油厂在2100000m/h(标准状态)制氢装置（引进国外工艺）的余热问收系统中，根据专利商要求，在高、低温两段空气预热中应用板式空气预热器。其换热流程如下：出转化炉辐射段的高温烟气在引风机作用下首光经过两级原料预热及高压蒸汽过热后进入高温空气预热器；出高温空气预热器的烟气，再依次经过两段原料预热及工艺冷凝换热后进入低温空气预热器，最终通过烟囱排入大气；常温空气经鼓风机增压后，依次流经空气加热器，低温、高温空气预热器加热后，送入转化炉顶供燃烧使用。本装置余热回收系统在遵循国外专利商技术的同时进行了一些优化设计的尝试。如在高温段板式空气预热器中设置空气旁路，经工程验证取得很好的效果;另外.拟从以下两方面探讨进一步优化空气换热流程、降低排烟做度、节能降耗的方法。方法一，对位于低温段板式空气预热器前端的空气加热器。采用装置内低温热水作为热源。取代原来的蒸汽，降低装置能耗及操作费用。提高经济效益。方法二，在低温段板式空气预热器中选用特殊板材，使烟气出口温度由原来流程中的150降低至120。（1）高温段板式空气预热器中设置空气旁路在对流段及余热回收系统换热流程中专利商采用了插排布置方式。这样可以根据不同介质的换热需求以合理的温差取得最佳的换热效果。不足是各换热段间彼此相互关联相互影响，当装置负荷发生变化或某段设计的传热面积与实际需求出现偏差时，会对后部的换热造成不利影响。由于空气预热部分被分成两段，高温段与低温段中间有两段原料预热段及工艺冷凝液换热段，如将高温段空气预热器设计成可以部分调节其换热量的结构形式，则对确保其后部的原料换热到所需温度大有裨益。因此，我们在高温段板式空气预热器侧设置了旁路和挡板调节，通过调节空气流量，起到调节烟气出口温度的作用，这样做一方面可适应装置操作弹性的要求，另一方面对保证高温段预热器后部原料的预热温度增加了调节手段，经过实践检验取得了良好的效果。表3是设置空气旁路(假定空气量的40%通过旁路调节)前后空气及烟气换热温度变化的对照。（2）前置空气加热器采用热水作为热源专利商在低温段空气预热器前端设置了空气加热器，原设计以蒸汽作为热源将常温空气加热至70再进入低温段空气预热器，这样可以提高板的金属壁温，从而避免发生低温露点腐蚀，但蒸汽消耗本身也是能量消耗。可以尝试采用装置内90甚至更低温度热水作为热源，将空气温度加热到40。当然，这样会降低最终的空气预热温度约30，但综合考虑还是比较经济的。表4是节能综合比较(为便于比较，假设空气预热温度降低后，相应增加了燃料油消耗)。 从以上比较可以看出，用装置内热水作为热源取代原来的蒸汽，装置节能降耗效果明显，而新增的燃料消耗可以在今后装置检修时，通过适当增加低温段空气预热器换热面积来加以弥补，以期达到长期节能的目的。（3）低温段板式空气预热器选用特殊板材当进入低温段板式空气预热器的空气温度由于前端空气加热器热源的改变，从原来的70降低到40，加上排烟温度进一步降低至120,将使低温段板式空气预热器末端板片的金属温度进一步降低，接近甚至达到露点腐蚀温度。这时可考虑采用抗低温硫酸腐蚀的Corten钢作为低温段换热元件的板材，以解决低温露点腐蚀问题。计算温度如表5所示。总之，制氢装置转化炉烟气余热回收系统通过以上优化设计后，进一步降低了排烟温度，减少了燃料消耗及能耗，同时也减少了烟气排放量，经济效益显著也符合节能减排的需求。4.3 双面翘片板式空气预热器在导热油炉上的应用2012年5月对丙烷脱沥青装置导热油炉的热管式预热器改造，更换为江苏漂阳市恒祥特钢机械制造有限公司制造的双面翅片铸造板式空气预热器。功率为2 670 kW，烟气阻力600 Pa，空气阻力1100Pa，烟气流量39 960kg/h，空气流量38388kg/h。改造后的工艺流程见图2。修改后的流程保留了原有的烟气道、空气道和基础，也保留了鼓风机和引风机以及附属流程。双面翅片铸造板式空气预热器模块结构见图3，由板束、管箱、箱体等主要部分组成。模块板束作为传热单元，板片作为传热元件，板片之间采用焊接密封传热元件安装在矩形箱体内，烟气从顶部，空气从底部侧面进人板束管箱，烟气和空气介质在板束内以纯逆流形式通过板片换热，最后再经管箱出口分别排出。这种双面翅片铸造板式空气预热器采用模块化结构，分上、中、下3个模块制造，便于运输及现场组装。两侧均有带翅片的板片，用螺栓及密封填料组合在一起，形成三管程的通道，再安装在耐高温的钢结构壳体内。两相邻通道内走不同气体，且通道方向为相互垂直，其与热交换表面全面接触，最终导致产生高的热量转换系数和高的热效率。在板间波纹的扰动作用下，气流在低流速下即达到湍流，由于流体在板间流动的湍动程度高，故传热系数较大。特别是其传热面全部与烟气流向平行，烟气上下顺翅片方向流动，则积灰现象较轻，结垢热阻对总传热系数的影响也较小。为了解决积灰问题，在温度较低的下模块进口设置了低压蒸汽吹扫系统，保证了有效清灰。为了防止低温腐蚀，板材表面进行防腐涂料处理，使其冷端抗硫酸露点腐蚀的能力提高，增加板材使用寿命。防止设备因积水而腐蚀损坏，安装了烟道排水装置(见图2)。排水装置包括密封外壳，外壳的上方开有进烟口，外壳的侧壁上开有出烟口；进烟口与板式空气预热器本体的烟气出口密闭连接；外壳的底部是漏斗形，漏斗形的底端开有排水/污口，用于实时排放空气预热器运行时产生的冷凝水，可以防止冷凝水随烟气进人烟道，腐蚀烟道及其他设备。在设备进行清洗时，用于实时排放冲洗的污水。截至2013年2月，双面翘片板式空气预热器经过9个月的运行，排烟温度能够稳定在130-150，空气入炉温度170-19