張 帥

(福壽園環(huán)保機(jī)械制造有限公司，安徽 宣城 242299)

隨著每年死亡人數(shù)的增加，殯儀館火化任務(wù)量持續(xù)增大?；鸹瘷C(jī)作為遺體火化的主要設(shè)備，需配套有完善的尾氣凈化系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行影響火化過(guò)程的能耗和環(huán)保效果。對(duì)于殯儀館火化機(jī)尾氣，其中主要的污染物包括粉塵、氮氧化物、二氧化硫、二噁英、重金屬等[1-4]，由于殯葬環(huán)保事業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后，污染物凈化系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程仍存在些許問(wèn)題，環(huán)境污染問(wèn)題常常暴露出來(lái)。

火化機(jī)尾氣凈化技術(shù)常用的工藝路線為：“火化爐-換熱器-初除塵器-布袋除塵器-脫硫塔-煙囪”，為了治理二噁英也常常在除塵器前管道內(nèi)噴射活性炭進(jìn)行吸附脫除[5]。整個(gè)工藝過(guò)程中換熱器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，換熱器出口的設(shè)計(jì)溫度既要滿足后續(xù)工藝的需求，又要滿足環(huán)保、穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，換熱器設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程中。

1 常規(guī)換熱器選型

對(duì)于火化機(jī)系統(tǒng)常用的換熱器，從結(jié)構(gòu)形式上可分為管式換熱器和板式換熱器，從介質(zhì)上又可分為氣-氣換熱器和氣-水換熱器。管式換熱器采用換熱管規(guī)格多樣，管子直徑在φ26～φ100 mm之間，材質(zhì)通常為不銹鋼，高溫段換熱采用310S/316材質(zhì)，低溫段換熱可采用304不銹鋼材質(zhì)。在應(yīng)用過(guò)程中，有的采用氣-氣換熱形式，冷卻介質(zhì)采用空氣，有的采用氣-水換熱形式，冷卻介質(zhì)為水或其他液體，熱空氣直接排走，而水則降溫冷卻后循環(huán)使用。不同廠家設(shè)計(jì)的換熱器形式、結(jié)構(gòu)不盡相同。通過(guò)不同廠家的換熱器進(jìn)行對(duì)比，對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)換熱器比較Table 1 Comparison of heat exchangers with different structures

2 換熱單元設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過(guò)殯儀館調(diào)研和工程運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的換熱器在火化機(jī)系統(tǒng)上的運(yùn)行情況進(jìn)行考察，選擇典型案例進(jìn)行分析總結(jié)，詳情如下。

2.1 氣-氣管式換熱器

在上海某車(chē)間火化機(jī)上應(yīng)用的氣-氣管式換熱器，設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of heat exchanger

火化機(jī)出口溫度一般控制在800～900 ℃之間，然后進(jìn)入換熱器中，煙氣在換熱器中沿?fù)Q熱管水平向流動(dòng)。在持續(xù)運(yùn)行12個(gè)月后，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)阻力增大，打開(kāi)換熱器檢修門(mén)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部積灰嚴(yán)重，將換熱器下半部分已全部阻塞，灰塵已積累牢固，清理困難，換熱器管子破裂，已基本報(bào)廢，只能重新更換換熱器。

圖1 換熱器管子腐蝕情況Fig.1 Corrosion of heat exchanger tubes

更換的換熱器仍為氣-氣管式換熱器，換熱器結(jié)構(gòu)形式相似，但管子中心距增大，管子直徑增大，采用了翅片式換熱管，提高換熱系數(shù)，設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of heat exchanger

火化機(jī)出口溫度仍控制在800～900 ℃之間，在持續(xù)運(yùn)行一年后，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變動(dòng)不大，打開(kāi)換熱器檢修門(mén)，內(nèi)部積了少量灰，在換熱器底部，但不影響正常運(yùn)行，正常清理即可。

2.2 氣-水管式換熱器

在杭州某殯儀館火化機(jī)上采用了氣-水換熱形式的換熱器，換熱器形式為水冷列管式換熱器，水作為冷卻介質(zhì)，自來(lái)水補(bǔ)充進(jìn)來(lái)后，循環(huán)進(jìn)行換熱，熱水在一冷卻塔中進(jìn)行降溫，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

與氣氣管式換熱器相比，其換熱器能力較高，采用換熱管數(shù)量減少，制作成本低，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用案例對(duì)比，水冷換熱器成本約相當(dāng)于與氣氣換熱器的1/2。

2.3 氣-氣板式換熱器

板式換熱器換熱效率高，在相同的壓降約束條件下，其傳熱系數(shù)管式換熱器的3～5倍[6-7]，在同樣的設(shè)計(jì)參數(shù)下，結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便，整體體積約為氣-氣管式換熱器的1/2，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 板式換熱器結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structure of plate heat exchanger

在實(shí)際工程使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于板式結(jié)構(gòu)中板與板之間的間距最大約為20 mm，通常煙氣中存在大量的粉塵和顆粒物，因此使用一段時(shí)間后，內(nèi)部累積粉塵和顆粒物，且深入板式結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其粉塵大多具粘性，采用空氣吹掃收效甚微，因此此類換熱器在應(yīng)用時(shí)，需設(shè)置在粉塵較低的工段，如布袋除塵器后面，延長(zhǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間，保證設(shè)備使用壽命。

3 換熱單元優(yōu)化討論

3.1 降溫?fù)Q熱與二噁英脫除

火化爐二噁英生成源頭來(lái)自遺體、遺物等的焚燒，控制二噁英濃度主要在于優(yōu)化火化爐燃燒條件和搭配合理的凈化設(shè)施。通常控制二噁英的方法，在前端采用“3T+E”理論，即控制燃燒溫度850 ℃以上，足夠的停留時(shí)間(一般2 s以上)，較高的湍流程度，保證足夠的空氣供給量，減低爐子內(nèi)排出濃度。排放過(guò)程中采用急冷快速降溫控制二次生成，溫度降至250 ℃以下(1 s以內(nèi))[8]，最終控制在較低濃度。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，火化爐出口煙氣中二噁英濃度數(shù)據(jù)在1.5～5.4 ng/m3[9]，排放平均值達(dá)到國(guó)家限值的6倍以上。在既定火化爐爐膛結(jié)構(gòu)下，凈化系統(tǒng)急冷降溫階段對(duì)于控制二噁英含量至關(guān)重要。在火化爐尾氣凈化工藝中，降溫?fù)Q熱器設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮結(jié)合二噁英的脫除原理，加快煙氣在換熱器中的流速，在保證降溫效果的同時(shí)，盡可能的減少二噁英的再次生成。

3.2 降溫?fù)Q熱與濕法脫硫

降溫也可以采用噴水降溫的方式，即通過(guò)在塔器中噴水霧的方式與煙氣混合后快速降溫?zé)煔鉁囟?，由于水和煙氣直接接觸，降溫時(shí)間短，效果較好。噴淋水中可加入堿性物質(zhì)，如NaOH、NaHCO3等，采用噴堿液的方式進(jìn)行，在實(shí)現(xiàn)降溫效果的同時(shí)進(jìn)行脫硫(SO2)，一舉兩得。但使用過(guò)程中，需注意水對(duì)系統(tǒng)工藝的影響，水分過(guò)大會(huì)使后續(xù)除塵器設(shè)備內(nèi)潮濕，不利于除塵工序；此外也需考慮堿水中和酸性物質(zhì)后的定期處理排放問(wèn)題等。據(jù)實(shí)際走訪調(diào)查，此技術(shù)在現(xiàn)有殯儀館火化機(jī)上應(yīng)用較少。

3.3 余熱回收利用

利用換熱器來(lái)回收火化機(jī)煙氣中的熱量，此類技術(shù)已初步成熟，通常采用水冷列管式換熱器，煙氣可走管程或殼程，冷水進(jìn)換熱器后經(jīng)過(guò)換熱，溫度升高，熱水可用于殯儀館的供暖、生活用水或發(fā)電等，一方面達(dá)到了降溫的目的，另一方面對(duì)回收了熱量，提高能量的利用率。經(jīng)核算，6臺(tái)火化機(jī)每小時(shí)可回收的熱量可達(dá)到：11 304.6～15 072.48 MJ[10]，可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

換熱器結(jié)構(gòu)形式主要包括氣-氣管式換熱器、板式換熱器、氣-水管式換熱器，通過(guò)分析和工程案例對(duì)比，氣-水管式換熱器在殯儀館火化機(jī)行業(yè)尾氣凈化系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)具有換熱能力高，制作成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。在對(duì)水的要求不高的情況下，應(yīng)優(yōu)先的選擇氣-水列管式換熱器的設(shè)計(jì)形式。

換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合火化機(jī)尾氣凈化工藝，兼顧二噁英的脫除，設(shè)計(jì)急冷降溫和濕法脫硫一體的凈化設(shè)備，有熱水需求的還可以選擇余熱回收技術(shù)，避免能量資源浪費(fèi)。換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以較好的提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。