焙烧炉烟气换热器的设计方案

焙烧炉烟气换热器的设计方案
概述：
本换热器有如下特点：
1、采用夹套式换热器，保持夹套内的水温，以增加凝结在换热面上沥青的流动性。

2、因采用天然气燃料，燃烧后有H2O生成，同时烟气中含SO2，，为延长使用寿命，故夹套换热面材料采用316L不锈钢。

3、烟气流动侧的烟道设有可拆开的烟道盖板，便于人工清除换热面上积沉的沥青。

4、设备参数：
设备外形尺寸： 2800（宽）×1800（高）×6000（长）
注：由4组2800（宽）×1800（高）拼装成
可回收热量：0.7MW，（热水70℃）
烟气计算总阻力：800Pa
5、附属设备：保温水箱，循环水泵，补水箱，控制系统等
一、基本概况
焙烧炉采用天然气作燃料，烟气中含有的沥青2700～3500mg/Nm3，粉尘300mg/Nm3，二氧化硫80～400 mg/Nm3，要求烟气温度由140～160℃降低到90～100℃。

并要求采用换热器将烟气中的热量回收，用来产生洗澡的热水及冬天采暖用热水
二、换热器设计
1、换热器结构形式确定
因沥青烟气降温后会成液态，并且会粘附在换热面上，如果粘附在换热面上的液态沥青不流动，就会附着在换热面上，从而就会使热器失效，因此如何很好的保持液态沥青在换热面上的流动性，成为该换热器能否正常使用的关键。

有碳素厂在采用干法工艺（电捕尘法）进行沥青烟气治理合格后，发表作过《碳素厂沥青烟气治理系统设计》的论文。

现摘取部分论述如下：
附：
沁阳黄河碳素厂所用沥青原料为山东、湖北等地产的中温煤沥青，软化点为60℃，闪点为197℃，烯点温度为218℃。

沥青烟气的特点是易粘附，在一定温度之上易燃爆。

在沥青烟气的收集、输送及消烟过程中，极易粘着管道及设备表面形成液态至固态沥青。

固结后的沥青很难清除掉，往往造成管道堵塞、设备破坏，使系统无法正常运行。

从表4数据可以看出粉尘对混合物流动性的影响，当含煤尘比例小于16．6％时，混合物缓慢流动温度为80℃。

沁阳黄河碳索厂沥青烟尘中的含尘比例为18．2％，经试验其混合物缓慢流动的温度为85℃。

参考上述论述，本换热器设计中烟气沥青2700mg,粉尘300mg，含灰比例10%，沥青的缓慢流动温度在78～80℃。

因些与烟气接触的换热器壁面温度如能保持在78～80℃便可使凝集的沥青流动，保证换热器的热热能力。

本换热器采用一种夹套式换热结构来实现将烟气中的热量回收，产生洗澡及采暖用的热水，其结构如下图：
说明：
烟气经过夹套水箱的外壁，将热量传给夹套里的水，使夹套里的水升温到80℃以上；在夹套水箱里内置了一组换热器，通过循环泵将保温水箱的水送至换热器内加热，将夹套水箱里内水的热量交换出来，从而保证夹套水箱内的水温在80℃左右；加热的水送至保温水箱，用于洗澡或采暖。

具体应用时，循环水泵通过夹套里的水温加上变频器来控制，当夹套水箱内的水温升高较快时（如果热量来不及交换出去，夹套水箱内的水就会沸腾），循环水泵运行加快，从而最大限度的回收烟气中的热量，使夹套水箱内的水温基本为80℃。

也使得结经过换热器的烟气在90～100℃变化。

如循环加热的水温超过了70度及以上，那么夹套水箱内的水温便会升高直至沸腾。

夹套水箱的出水口便会冒蒸汽，进水口便会进行补水。

造成的后果是烟气经过换热器后，温度会达120℃以上。

如果夹套壁面结沥青过多，也可拆取烟道上的盖板，人工进行清理粘附的沥青。

2、夹套水箱换热面积的计算
（1）烟气可回收的总热量
烟气从160℃降低到100℃，烟气放出的热量可由下式来计算；
Q=CM△T
式中C，烟气的平均比热，取0.24KCal/(Kg·℃)
M,烟气质量：35000×1.295=45325Kg/h
△T ：温差 160-100=60
代入上式得：Q=676822KCal/h ，回收热量90%可以利用，故
Q 有效=609140KCal/h ≈0.7MW
（2）烟气侧换热系数α计算
从原理图可看出，该换热器烟气侧属于“烟气纵掠平板”的换热，水侧属于“有限空间内垂直平壁夹层”的换热，参考《简明传热手册》（高等教育出版社 1983年10月第一版），第170页 表3-13，193页图3-13，194页 表3-22相对应的计算公式，进行计算如下：
参照标准烟气的物性参数，烟气物性参数如下：
定性温度 (160+100)/2=130℃，运动粘度ν=24.8×10-6m 2/s, 烟气比热λ=3.4×10-2W/(m ·s)，普朗特数Pr=0.68，换热板长 l=1.5m ，迎面风速u ∞=8m/s 。

该换热模式属于纵掠平板，恒定壁温（夹套水温80度），根据表3-13公式：
3154Pr Re 037.0x
x Nu =
νx u ∞=Re
x Nu x ν
α= 将各参数代入上述各式，求得烟气侧的平均换热系数
α= 26W/（m 2·℃)
（3）水侧换热系数λe
水侧属于有限空间自然对流换热，故按照参考《简明传热手册》194页 表3-22相对应的计算公式来进行λe 的计算
水的物性参数： 定性温度 80℃，运动粘度ν=0.365×10-6m 2/s, 比热λ=67.4×10-2W/(m ·s)，普朗特数Pr=2.21
葛拉晓夫准则数：()
2213νβδw w t t g Gr -= （ 21w w t t -=130-80 =50）
式中：β 体积膨胀系数：K -1 6.32×10-4
δ 夹套厚 0.06m
λ 水的导热系数 67.4×10-2W/(m ·℃)
ν 水的运动粘度 0.365×10-6m 2/s
g 重力加速度 9.8 m/s 2
因将数值代入公式，可求得Gr ·Pr=1.1×109， 参照表3-22 中 ()31Pr 046.0•=Gr e λ
λ 计算得λe=3209 W/(m ·℃)
（4）夹套壁的总换热系数K
平壁的传热热阻由下式表示
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++++=22111111αλδαF F w r r A KA 式中：K 总传热系数 W/(m 2·℃)
A ，A w 表面积，此处A=A w
α1 烟气侧换热系数 α= 26W/（m 2·℃)
r F1 烟气侧污垢系数，0.001（m 2·℃)/W
δ 夹套壁厚 0.002m
λ 夹套材料导热系数，夹套采用316L 材料，14.3 W/(m ·℃) r F2 水侧污垢系数，0.0004（m 2·℃)/W （硬度不高的自来水）
Α2 水侧换热系数 λe=3209 W/(m ·℃)
代入计算得： K=24.8W/(m 2·℃)
（5）夹套水箱壁总面积A1
由Q=KA △T 求出
Q=0.7MW K=24.8W/(m 2·℃) △T=130-80=50
A=564.5m 2
考虑沥青的污垢系数没有实验数据，比所参考的燃料油污垢系数大及温度效率，取A=706m 2。

3、夹套水箱内换热器管束的换热面积计算
（1）夹套水箱内换热器管束外侧传热系数K1
夹套水箱内换热器管束外侧属于有限空间自然对流换热，故按照参考《简明传热手册》194页 表3-22相对应的计算公式来进行λe 的计算所得。

其值参考上述计算得 K1=λe=3209 W/(m ·℃)
（2）换热器管束侧的传热系数K2
换热管束内属于管内强制对流换热，其传热系数按参考《简明传热手册》166页 续表3-12 紊流，流体加热相对应的计算公式来，计算公式如下：
λαD Nu = 4.08.0Pr Re 023.0=Nu ν
D u ∞=Re 管内水（定性温度60℃）的物性参数如下：
λ 水的导热系数： 65.9×10-2W/(m ·℃)
ν 水的运动粘度： 0.365×10-6m 2/s
Pr 水的普朗特数：2.98
D 传热管的当量直径：0.025 m
将上述数值代入上述公式，可得出K2=5585W/(m 2·℃)
（3）夹套水箱换热管束的总换热系数K
夹套水箱换热管束是采用φ32×3，l=0.8m 的无缝管作换热单元，按圆筒壁来计算总传热系数，公式如下： ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=1212
11211k r r r r r In r r k r l KA o o F i o i F i λπ 式中: l=0.8m r i =0.0105m k2=5585W/(m 2·℃)
r F1=0.0004(m 2·℃)/W r o =0.0125m
λ=56.7W/(m ·℃) r F1=0.0004(m 2·℃)/W
K1=3209 W/(m ·℃)
代入得：K=840 W/℃
（4）换热管束的总面积A2
由Q=KA △T 求出
Q=0.7MW K=840W/(m 2·℃)
△T=80-60=20（采暖时70℃送出，50℃回水）
代入求得A2=41.7m 2,，取富裕量20%，取A2=52.2m 2。

三、外形尺寸
并换热器由四个单元组合而成，组合后尺寸为2690×1700×6000。

每个单元的尺寸如下图：
附图。