宋宇原云飛劉曉飛秦政

（1.山西五建集團有限公司 2.山西輕工職業(yè)技術學院 3.山西金信清潔引導投資有限公司）

0 引言

目前區(qū)域供熱燃煤工業(yè)鍋爐最終煙氣溫度仍在150℃左右，煙氣溫度較高，且數量很大。如果直接排放到大氣中，不僅浪費了大量能源，而且對空氣質量有嚴重的污染，本文擬開發(fā)一種新型低溫煙氣余熱回收系統(tǒng)，將低溫煙氣溫度降低到60℃以下，回收大量余熱。

1 燃煤工業(yè)鍋爐尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)的開發(fā)研究

本文在低溫煙氣余熱回收系統(tǒng)的初步方案確定如下：煙氣從燃煤工業(yè)鍋爐的省煤器中排出，首先進入后面的除塵設備，大部分煙氣中的粉塵可以通過除塵設備去除，將相對干凈的煙氣再進入熱交換設備，熱交換設備的材料采用耐腐蝕鋼，以防止酸液的腐蝕，換熱器的設計應考慮增加換熱系數，減小氣體的阻力，但是換熱器的尺寸又不能太大，也要盡可能保證較低的運行成本，最后由煙囪排出煙道。

2 波紋形板片換熱元件

波紋板是由鋼板制成，經過一定的加工工藝后，傳熱面呈波浪形。板的內側和外側是傳熱表面，并且在板腔的內部形成了波浪形通道[1]。板中的傳熱介質隨著板的形狀而不斷變化，改變了流動的速度和方向，從而可以容易地達到湍流狀態(tài)，并且可以大大提高傳熱系數。

近年來，我國開發(fā)的耐腐蝕ND鋼（09CrCuSb），是一種耐硫酸腐蝕的鋼，ND鋼是低合金結構鋼。相比之下，CorTen、CRIA都沒有ND鋼所具有的耐蝕性和機械性能，實踐結果表明，ND鋼的最大優(yōu)勢是強硫酸露點耐蝕性[2]，從20℃～500℃，其力學性能ND鋼相對穩(wěn)定，并且焊接性能非常好[3]。

采用導熱系數高的耐腐蝕ND鋼波紋型板，余熱回收能力強，適用于氣-氣換熱器，設備體積小，占用空間小，適用于低溫煙氣。本文涉及的余熱回收問題可能會導致煙氣冷凝，并且煙霧中含有一定量的灰塵，如果使用波紋狀板作為傳熱元件，既可以使氣化潛熱良好回收，原件表面的灰塵也不會對換熱影響太大。但是由于氣-氣的熱交換處理氣體量很大，如果板的間距太小，板之間的速度太大，壓降就會相應增加，風機的能量消耗會影響全套余熱回收系統(tǒng)的經濟性。

3 波紋形板片不同板間距性能的比較分析

在模擬計算軟件FLUENT中設置換熱條件為等壁溫條件，收斂格式為二階格式，介質為空氣，湍流模型為實際的k-ε模型。在大量的模擬之后，取三個典型的波紋板間距（即兩個板片之間最窄處的距離）分別為3mm、6mm、9mm，設板片的高度為1.5m，波高為3mm，波長為40mm，為了方便的進行網格劃分和后續(xù)的操作，直接在前期處理軟件Gambit中建模，并進行網格劃分，由于模型的建立規(guī)定了板片的進出口尺寸，所以控制氣體的進口速度，就可以控制氣體的流量，氣體的入口速度分別為15m/s、7.5m/s、5m/s，在相同的氣體初始參數下，對板片的溫度、壓強和速度進行模擬。

溫度的模擬結果分析：從結果可以看出，隨著間距的增大，板片的出口溫度越來越低，而且空氣的入口溫度相同，則換熱量也逐漸減少，換熱系數也在逐漸的減小。由模擬軟件輸出的結果得到：間距為3mm的板片進出口截面平均溫差為114℃，間距為6mm的板片進出口截面平均溫差為104℃，間距為9mm的板片進出口截面平均溫差為69℃。經計算間距為6mm的板片比間距為3mm的板片換熱量減少8.7%；間距為9mm的板片比間距為3mm的板片換熱量減少39.5%，比間距為6mm的板片換熱量減少33.6%；以上結果表明波紋形板片間距在由3mm逐漸增大的過程中，換熱效果逐漸降低，但是在間距在6mm左右時換熱量下降的并不是很大，但是當間距增大到9mm時，換熱量的下降就非常明顯。

壓力的模擬結果分析：從結果的對比可以看出，隨著板片間距的增大，氣體流過板片壓降越來越低，則波紋形板片之間的氣流阻力也降低，由模擬軟件輸出的結果得到：間距為3mm的板片進出口截面平均壓降為1299Pa，間距為6mm的板片進出口截面平均壓降為360Pa，間距為9mm的板片進出口截面平均壓降為121Pa。由此得出，間距為6mm的板片比間距為3mm板片的壓力損失減少72.3%；間距為9mm的板片比間距為3mm板片的壓力損失減少90.68%，比間距為6mm的板片換熱量減少66.4%；以上結果表明波紋形板片間距在由3mm逐漸增大的過程中，壓力損失逐漸的降低，當間距在3～6mm之間時壓力損失的變化幅度高達939Pa，間距在6～9mm之間時壓力損失的變化幅度為239Pa，變化的趨勢相對減緩。

綜合壓降和出口溫度的模擬結果，可以得出結論：當間距為9mm時，換熱效果最差，與間距為3mm時相比換熱量約下降39.5%，與間距為6mm時相比下降33.6%，由此可以看出，在間距在6～9mm之間變化時，換熱量的下降幅度特別大；同時間距為6mm與3mm相比換熱量下降為8.7%，說明間距在3～6mm之間變化時，換熱量下降的幅度并不是很大，換熱效果變化不是很明顯。而間距為3mm時板片的壓力損失最大，達到了1299Pa，其壓力損失是間距為6mm時的3.6倍，是間距為9mm時的10.7倍，壓力在3～6mm之間有非常明顯的下降，雖然間距為6mm時的壓降是9mm時的2.97倍，但是其數值為239Pa，下降的幅度并不是特別大；因此為了達到增加換熱量和減少壓降的目的，在共同考慮兩方面的影響因素的前提下，選擇間距為6mm的波紋形板片作為本課題的換熱元件。

4 結論

通過綜合比較分析，決定使用波紋形板片作為換熱器的換熱元件，以增強煙氣的換熱效果，并通過數值模擬軟件FLUENT，對不同板間距的換熱過程進行比較分析，結果表明當板片之間的間距為6mm時，換熱效果和壓降的綜合效果較好。本課題只是對整個低溫煙氣余熱回收系統(tǒng)的初步開發(fā)研究，換熱器的整體只是在研發(fā)階段，實際的運行情況有待進一步的驗證。