前期报告 余热回收装置内传热过程的数值模拟

河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告 1（8） 河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告

毕业设计（论文）题目：余热回收装置内传热过程的数值模拟 专业：热能与动力工程 学生信息：学号：8888888 姓名：你大哥 班级：热能班 指导教师信息：教师号：01012 姓名： 职称：教授 报告提交日期：2012.3.21 文献综述： 随着我国经济的发展，能源利用总量逐年递增，热发电厂年装机量相当于英国现装机总量。能源利用率33%低于发达国家将近十个百分点，还有很大的提升空间。单位百万GDP煤耗量1.06吨，也远远高于发达国家。最近几年我国经济放缓，提高能耗率更加困难根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%到67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%左右。余热回收应用的场合：能源是经济发展的动力，是维持国家经济社会生活正常运转的支撑点。能源利用途径分布在各个行业各个领域。在很多领域的余热回收空间巨大，例如在化工行业、石油化工、建材工业、冶金工业、纺织印染行业。 1、各行业的国内余热回收领域现状简析 （1）、化工工业中的应用： 合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程。合理地利用和控制合成氨生产过程中放出的热量，可以节约生产中的能源消耗，降低生产成本. 这里简析上、下行煤气余热回收应用：上、下行煤气是指以煤或煤球为原料的生产路线中煤造气炉所产生的上吹半水煤气及下吹半水煤气。由于生产原料不同，上、下行煤气中所含尘粒及温度也不相同。中型合成氨厂的煤造气是以块煤为原料。因此其上行煤气出煤造气的温度远较小化肥高，大约在600℃左右煤造气炉后有一吹风气燃烧室。上行煤气经过燃烧室后再进入列管式废热锅炉。上行煤气与吹风燃烧气合用一个废热锅炉产生低压蒸汽（0.4～0.8MPa）或中压蒸汽（1.9～2.5 MPa）供工艺使用。由于中合成氨煤造气炉的下行煤气温度较低（200℃左右），因而一般不经过废热锅炉而直接去冼气塔。因此此环节扥余热回收空间巨大。 硫酸生产过程中产生大量热能，热能品位从高到低均可回收加以利用。高品位热能最好的利用方式是发电，可以大大降低生产成本。 硫酸的原料可以是硫黄、硫铁矿以及冶炼厂的冶炼气，以这些原料制取SO2气均产生高温热能，气体温度达850到1100℃。而在转化工段，主要是中温余热。一次转化完毕到河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告 2（8） 吸收塔的转化气温度在400℃左右。利用这部分余热，据生产实践估算，每生产一吨硫酸约可生产0.2吨蒸汽。在两次转化工艺中，这部分中温余热已转移到酸吸收系统的低温余热中。低温余热的回收利用主要在干吸系统。当采用高温吸收工艺，把中间吸收塔酸温提高到165℃时，出塔酸温可达200℃。这部分低温余热可以用来发电 （2）、在石油化工中的应用： 石油化工生产中的各类加热炉面广量大，提高这些加热炉的效率意义重大。回收加热炉排烟余热，用以加热加热炉的助燃空气，是提高加热炉热效率的重要手段。加热炉排烟温度一般在260~350℃ 左右。如果将烟气温度降到160℃，则可将助燃空气从常温提高到120℃以上，加热炉的热效率可以提高6%~10%。RH余热回收器体积紧凑，压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀，因之特别适用于加热炉的余热回收。 （3）、在建材工业中的应用： 一般建材工业炉尾烟气温度达550℃。在水泥行业热量经管壁向四周自然散发，造成大量热能浪费的同时还高温污染了环境。目前经余热锅炉出口排出的低温废气温度仍然有 100~200℃，这部分低温废气总流量大，可回收的余热潜力巨大，若开发并使用相关的低温废气余热回收技术对这部分低温废气继续降温到 60~80℃则势必将获得巨大的经济效益、环境效益和社会效益。目前新型干法水泥生产技术已在我国水泥生产领域获得广泛应用。但在新型干法水泥生产线水泥熟料的生产过程中由生产线窑头熟料冷却机和窑尾预热器排掉的大量 350℃左右的废气，其所含热量一般能占到水泥熟料烧成系统总热耗量的 30%以上。水泥厂热损失主要包括窑筒体辐射热损失、废气及飞灰热损失、炉渣热损失等，目前多种余热回收措施已经在水泥厂中获得应用。新型干法水泥生产线300~400℃废气在经过纯低温余热发电技术利用后，余热锅炉出口处的废气温度仍有 100~200℃，当前对于这部分低温废气的处理方法都是收尘后直接排入大气，这部分低温废气虽然温度水平低但总流量大，可回收的潜在余热量依然巨大。 （4）、在冶金工业中的应用 冶金工业是耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的的余热未能回收利用。余热的温度最高可达1600℃，热能的形态有固体、气体、液体，其中很多为间隙排放，因之给余热回收带来了一定的难度。由于热管的的众多特点，特别适用于上述场合的余热回收利用。高温热管及高温热管空气预热器、高温热管蒸汽发生器开发运用成功，给冶金企业的高品位余能利用带来了新的希望。 河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告 3（8） 直接利用:将需要冷却和需要加热的气体或液体通过换热器直接进行热量交换，包括管式换热器、鳞片管换热器、辐射式换热器以及热管换热器等。 间接使用:间接使用的方法适合于很多余热资源的利用，不仅可以回收高、中、低温液体和气体载体余热资源，还可以回收高温和部分中温固体载体余源。具体的技术也是很多，如焦化厂利用红焦显热发电的干法熄焦技术(CDQ)， （5）、在纺织印染行业中的应用： 我国是纺织与印染大国，定型机是纺织印染后整理的关键设备，热定型机是利用热空气对纺织物（如布匹）进行干燥和整理并使之定型的装置。在定型机加工过程中排放出大量废气，废气中含有烟尘、油渍、挥发的染料助剂等有害成分。一般热定型机内所需热风温度约为200℃左右。随着社会的进步，科技的发展，环境污染逐渐成为一个广泛关注的一个问题，环境保，离开热定型机的废气温度一般在170℃左右,大量余热被带出定型机外。如果加上燃料燃烧损失以及机体散热损失等,经估算输入热定型机的热量有90%以上由排气散入大气，真正用于处理织物所消耗的热量只占了输入定型机热量的2.9%。散失的热量不仅浪费能源而且造成定型机车间环境温度的升高而影响操作工人的身心健康，因此对热定型机的余热回收是势在必行的。 二、余热回收工艺： 如果有合适的热用户直接利用烟气的热能，则最为经济、方便。可能的热用户如下: (l)预热空气或煤气利用烟气余热，通过换热器预热工业炉的助燃空气或低热值煤气。将热返回炉内，同时提高燃烧温度和燃烧效率，节约燃料消耗。 (2)预热或干燥物料利用烟气余热来预热、干燥原材料或工件，将热带回装置内，也可起到直接节约能源的作用。例如，利用电炉的高温废气预热废钢，可降低电炉冶炼的能耗。 (3)生产蒸汽或热水通过余热锅炉回收烟气余热，产生蒸汽或热水，供生产工艺或生活的需要。温度在40℃以上的冷却水也可直接用于供暖，高温金属构件由水冷改为蒸汽冷却，产生蒸汽，则可提高余热的利用价值，扩大使用范围。 (4)余热制冷用低温余热或蒸汽作为吸收式制冷机的热源，加热发生器中的溶液，使工质蒸发，通过制冷循环达到制冷的目的。当夏季热用户减少，余热有富裕时，余热制冷不失为一种有效利用余热的途径。对高温烟气的余热，采用余热发电系统更符合能级匹配的原则。对较低温度烟气的余热，在没有适当的热用户的情况下，将余热转换成电能再加以利用，也是一种可以选择的回收方案。 烟气余热发电有以下几种方式: 河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告 4（8） (1)利用余热锅炉首先产生蒸汽，再通过汽轮机发电机组，按凝汽式机组循环或背压式供热机组循环发电。 (2)以高温余热作为燃气轮机工质的热源，经加压、加热的工质推动燃气轮机做功，在带动压气机工作的同时，带动发电机发电。 (3)采用低沸点工质(如氟利昂等)回收中、低温余热，产生的氟利昂蒸汽按朗肯循环在透平中膨胀做功，带动发电机发电。对不能直接利用的更低温度烟气的余热，可以将它作为热泵系统的低温热源，通过热泵提高其温度水平，然后加以利用余热回收典型装置。 以LNG为燃料的燃气蒸汽联合循环电站，如果在余热锅炉尾部烟道中布置冷凝式换热器,将排烟温度降到露点温度以下,不仅可以回收排烟的显热,而且还可以回收烟气中水蒸气的潜热。 废气余热制冷：现在的汽车空调系统大致可分为两种情况:用于轿车和中小型客车的,其压缩机由主发动机驱动,一般要消耗8% ~12%的汽车发动机动力,其中压缩机占80% ~85%,风机占15% ~20%[3-4]。增加了油耗和废气排放,减少了汽车的运输能力,而且可能引起水箱过热,影响汽车动力性。同时,由于压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物,导致温室效应加剧。通过回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统,实现轿车空调,是理想的节能方案。目前提出的这方面技术主要有吸收式、吸附式和喷射式三种。 余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖,对发动机进行预热、解决冷起动问题。还可对车厢进行预热, 利用发动机排气余热加热燃料,使其在催化剂作用下能分解出氢、一氧化碳等可燃气体,可提高燃料的燃烧热值。 涡轮增压新技术：为了适应车用发动机的特殊要求,出现了一种可变几何参数的涡轮(Variable Geometry Turbocharger,VGT)。这种涡轮可以实现在低速时减小涡轮喷嘴面积以提高增压压力,提高低速转矩,高速时扩大涡轮喷嘴面积,降低排气压力。 废气余热制冷新理论：利用适当的相变材料,储存汽车发动机冷却系统的低品位热能,以改善汽车低温环境下的冷起动。在汽车行驶过程中,利用相变材料融化来吸收发动机冷却系统的低品位热能。冷起动时,传热流体吸收相变材料凝固时释放出的大量相变潜热,从而可以比较经济地加热发动机,改善其冷启动,减少环境污染,并且节约了能源。 三、余热回收装置（换热器）内的热传递问题的理论分析、流场分析、温度场分析 1)对流动和传热过程进行分析,不仅可以得到不同工况下的温度场、压力场和流场,获取用实验方法无法得到的换热器内任意点的温度、压力和流速等细节信息,而且还可以了解换