天然气锅炉烟气余热回收装置研制

刘民，苏永琴, 李晋欣

（1.甘肃红峰机械有限责任公司，甘肃 平凉744000；2.镭射谷科技（深圳）股份有限公司，广东 深圳518108）

0 引言

锅炉排出的烟气中，含有约8%～15%的显热和11%的水蒸气潜热，直接排放不符合绿色环保社会的发展方向。处理后的排烟温度控制在65 ℃左右，以喷淋循环水为“换热器”，在装有规整填料的混合换热塔中直接换热，吸收烟气中的热能，同时洗涤烟气，大幅度降低碳氧化物、氮氧化物等有害物质的排放，再通过换热器向其他冷源放热，可达成回收烟气余热和净化烟气的双重目标。传统锅炉尾部烟道中通常加装省煤器，目的是将锅炉给水加热，它吸收烟气的热量,降低了烟气的排烟温度,节省能源。但这是一种间接热交换方式，热交换时间短，吸热能力低，排烟温度降低不明显，同时增加了排烟阻力，无净化烟气的功能。本文设计的余热回收装置克服了以上不足。实际运行表明：当排烟温度低于63 ℃时，会出现酸性结露，不同地区和不同运行环境下的结露点存在差异，结露后会产生具有腐蚀性的液体，加快系统老化。所以，排烟温度设定值要根据具体情况进行微调，通常调整范围为（65±2）℃[1]。

1 装置整体组成及功能

余热回收装置由引烟系统、烟气与循环水直接换热、冷源间接换热、控制系统4部分组成，如图1所示。引烟系统使用高温变频风机，根据锅炉大火和小火两种燃烧状态，实时调节引风机出风量，使锅炉排烟与换热系统及时匹配；烟气与循环水直接换热以喷淋循环水为载体，烟气依次通过填料冷却、喷淋冷却途径，烟气与循环水的直接式混合换热，充分吸收烟气所携带的热量，并吸收烟气中的有害气体成分，排出的气体为65 ℃的清洁烟气。循环水水泵采用变频马达驱动,动态调整喷淋水量，保证系统高效运行；冷源间接换热为高效板式间接换热设备换热，将吸收烟气余热所得的高温循环水通过高效板式换热器，使热量转换为可利用的热能；基于智能远程控制模块、三菱PLC、GOT及自动化仪表的控制系统实现装置的现场和远程自动控制。

图1 余热回收装置组成示意图

2 烟气主要参数、装置技术指标和动力环境条件

2.1 烟气主要参数（锅炉厂商提供）

锅炉额定蒸发量为2～150 t/h；天然气消耗量：168 m3/h（大火燃烧），42 m3/h（小火燃烧）；排烟温度/排烟量：180 ℃（大火燃烧）/3600 m3/h，160°C（小火燃烧）/750 m3/h（蒸发量2 t/h场合）。

2.2 装置主要技术指标

热量回收率＞80%；排烟温度为（65±2）℃；控制方式为数字化现场控制和智能远程控制；换热出水温度为60℃；排污：达到环保排放标准。

2.3 主要动力环境条件

供电：3相380 V交流电，50 Hz，10 kW；自来水：进水压力为0.25 MPa，进水温度＜25 ℃，水质为一般工业净化水；塔体及管道保温处理，表面温度不大于45 ℃；远离强电、强磁等干扰源。

3 机械本体设计计算与设备选型

3.1 锅炉烟气量计算

依据文献[2]，引风机处的烟气流量计算公式为

式中：Bj为燃气消耗量，m3/h，大火对应值为168，小火对应值为42；Vpy为锅炉内腔烟气容积（m3/m3），根据燃气成分配比的不同，取值有变化，长庆天然气取值12.9；Δα为炉膛漏风系数，锅炉为密闭式，无漏风，取0；V0为理论通入炉膛空气量，m3/m3，2 t锅炉对应值为9.4；θyf为当量烟气温度，℃，大火对应值为180，小火对应值为160。

本项目锅炉规格为2 t,有两种工作状态，分别是大火燃烧状态和小火燃烧状态。根据上式求得大火燃烧状态、小火燃烧状态烟气量分别为3596、780 m3/h，与锅炉厂商提供的数据相吻合。

3.2 风机选型及参数

烟气温度为180 ℃，最大烟气量为3600 m3/h；选用Y5-48型耐高温小型锅炉引风机，流量为3772～7005 m3/h；全压为967～1426 Pa；风速为12.8～23.85 m/s；输入功率为2.84～3.58 kW。

3.3 塔体设计计算

塔体采用中空塔与填料塔，包括循环水槽、填料空间、喷淋装置，下部设排污口，中部设维修孔、入烟孔法兰、循环水入口和溢流口。

3.3.1 塔径与塔高

根据文献[3]，洗气塔直径为

D=Qvt/（2826ut）。

式中：D为洗气塔直径，m；Qvt为工作状态下洗气塔处理能力，m3/h；ut为端面工况流速，一般取1.0～1.5 m/s。

则塔径D=2022.24/2826vt=0.846～0.690m。

洗涤塔喷嘴至底部气流分布板间圆筒段高度为

H=V/（0.785D2）。

式中：H为洗涤塔有效直线段高度，m；V为洗涤塔有效容积，m3；D为洗涤塔直径，m。

取V=3 m3，则H=7 m。

塔内上升速度计算公式为

u= Qvt/（3600S）。

式中：u为塔内气流上升速度，m/s;S为塔净截面积，m2。

则，u=2022.24/（3600×0.2826）=1.988 m/s。

3.3.2 循环水槽的容量

根据文献[3]，冷却水量计算公式为

W=Q/Cw（t1′-t2′）。

式中：W为冷却水量，kg/h；Q为冷却散热量，kJ/h；cw为水的质量热容，Cw=4.187 kJ/（kg·℃）；t1′为供水温度，℃。

拟定排烟温度为65 ℃时，冷却散热量Q=187557.12 kJ，冷却水量W=2232.82 kg/h。

一般循环水槽容量取2～3 min的循环水量，W1=111.6 kg，循环水槽容积V=0.1116 m3。

3.3.3 填料选择

选择原则：传质效率要高，通量要大，层的压降要低，抗污堵性能强，拆装、检修方便。常用填料材质有陶瓷、金属、塑料等。本设备烟气温度为180 ℃，选用金属304材质为宜。填料形式有散装和规整，规整填料相比散堆填料来说，在理论板数和处理量相同的情况下，规整填料的处理效率更高，成本更小，但是散堆填料比规整填料更抗堵。综合对比后认为选择规整填料较为合理。

3.3.4 喷淋喷嘴选型计算

喷淋喷嘴选用美国喷雾系统公司（SPYaying Systems Co.）的Spiraljet喷雾喷嘴，具有结构紧凑、一体化、大流速和实心锥形的雾化特性。喷流角度为60°～170°，连接方式有螺纹型和法兰型。

循环水量W=2232.82 kg/h，即37.214 L/min，喷射压力拟定为0.15 MPa，宜选用型号为HHSJ 3/8的喷嘴1个，或HHSJ 1/4的喷嘴3～4个。

3.4 循环水泵选型及管道计算

循环水管道分布为水平垂直立体分布，总长度约为10 m，爬升高度3 m，管道附件有10个弯头，5个截止阀，1个过滤器，板式换热器1个。以上沿程压力损失及管路附件压力损失估算为0.1 MPa；管道出口为斯普瑞螺旋喷嘴，需要提供喷射压力0.15 MPa；管路中重要设备为板式换热器，板式换热器一般允许压降小于80 kPa。综上循环水泵需提供33 MPa压力。取富余系数K=1.1；循环水泵流量Gx=2232.82×1.1=2456.102 kg/h；扬程Hx=33×1.1=36.3 m。

根据公式问Q=S×V。式中：流量Q=0.00223282 m3/s；D为管道内径，流速取V= 1m/s，S=πD2/4，求得D=28 mm。选取管径为DN32。

3.5 板换选型计算

根据文献[4]，换热面积等于总热负荷除以传热系数和平均对数温差值。公式为：

Q=K·A·ΔTm。

式中，ΔTm为对数平均温差。当ΔT1/ΔT2＞1.7时，ΔTm=（ΔT1-ΔT2）/㏑（ΔT1/ΔT2）；ΔT1/ΔT2≤1.7 时，ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2。

两种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值：

ΔT1=t1-t2=35；

ΔT2=t2′-t1′=40。

式中：t1为热流进口温度，取90 ℃；t2为热流出口温度，取60 ℃；t1′为冷流进口温度，取20 ℃；t2′为冷流出口温度，取60 ℃。

ΔT1/ΔT2=0.875≤1.7；

ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2 =75/2=37.5。

K为传热系数，一般为2000～3000，计算公式为

K=1/(1/h1+δ/λ+1/h2) 。

总热载荷Q=52kW·h；板换选用换热面积为5 m2。

3.6 脱水器

为了不让排出的气体夹带滴液，需要在塔体顶部排气口加装脱水器，脱水器的作用是捕获10 μm以下的微细水雾。根据脱水工作原理和方式的不同，可分重力式、挡板式、离心式和网格式等4种脱水器。

选用网格脱水器(阻力流速图见图2)。

图2 润湿网格脱水器的阻力与气流速度曲线图

4 电控系统设计与器件选用

4.1 概述

系统的设计目标是将天然气锅炉烟气的热量通过循环水直接冷凝，收集其热量，再经过板换产出热水(约60℃)，供给用户，同时净化烟气。首套装置实现2 t天然气锅炉烟气余热回收。

烟气引风机马达采用变频器驱动，控制对象是处理后的清洁烟气的排口温度，用第一组PID调节实现。保证锅炉产生的烟气几乎全部进入余热回收装置，不干扰燃烧器正常运行，也不可以吸入室外空气。

锅炉有大火和小火两种燃烧工作状态，烟气引风机控制单元要实时辨识，保证两种燃烧状态所排烟气与引风量匹配。

烟气与循环水直接换热，循环水泵马达也采用变频器驱动，控制对象是循环水的温度，用第二组PID调节实现。使循环水温度恒定。

安全连锁出现锅炉故障、循环水位降至下限、变频器过载、电动机过负荷、冷水失压时，引风机和循环水泵均自动停止工作。

4.2 控制系统硬件结构

控制系统硬件结构如图3所示。

4.3 控制系统框图

控制系统框图如图4所示。

4.4 软件模块划分

图3 硬件结构图

图4 控制系统框图

图5 软件模块划分

如图5所示，上层模块针对HMI操作，主要完成参数设定、运行状态、报警和数据表格显示、急停、密码修改。下层模块的功能是：接收温度反馈值（PV）和安全连锁信号，传送给CPU，并与设定值（SV）比较，经逻辑判断和数据计算处理，输出各操作值（MV），自动控制引风机和循环水泵转速，达成清洁烟气温度、循环水温度恒定的目标。重点模块简述如下：1）连锁保护模块。设置硬件和软件双重安全连锁装置，保证液位下限时循环泵自动停机，并且不能启动，变频器、电动机过载不能启动。2)温度采集模块。清洁烟气温度、循环水温度检测使用铂电极(Pt100)测量温度，采用三线制接法。信号通过PLC的FX3U-4AD-PT-ADP四Pt100输入模块采样到PLC中。

用两台变频器（功率分别为5.5 kW和1.5 kW）分别驱动引风机电动机和循环水泵电动机，当电动机过载时，电动机启动信号无效。

5 结语

天然气锅炉烟气余热回收装置是将传统燃气锅炉排出的高温且含有有害物质的烟气，经离心风机吸入混合换热塔，一方面，采用直接换热的形式吸收烟气中的热能，再通过循环水泵及换热器将热量供给用户；另一方面，洗涤烟气，大幅度降低碳化物、氮化物等有害物质的排放。达到了回收烟气余热和净化烟气的双重目的。从研发试制到推向市场总体上经历了几个阶段：1）试验设计阶段，通过烟气总量、风机选型、塔体设计、循环水泵及管道等设计计算，对回收净化装置进行了系统的设计；2）校核阶段，将实际数据与计算数据对比修正形成一套具体的通用型设计方法；3）量产阶段，按照不同工况需求，设计制造出不同的产品供客户使用。