终端供水锅炉空气预热器设计

qimingxing

徐昌盛

    摘  要：本设计为大连旭峭子浮法玻璃有限公司节约成本资金改造项目预备提案，设计任务为利用制镜部废气焚烧装置的高温排烟为终端供水的燃气锅炉预热空气。本次设计的特点在于增设空气预热器余热回收的同时，采用较为先进的无机热管，是新型高效元件与传统技术的完美组合；布置风道及烟道时考虑相对位置，避免了多余的弯头阻力损失。
    关键词：空气预热器；无机热管；余热回收；废气焚烧；燃气锅炉；终端供水
    中图分类号：TK223.3+4  文献标识码：B  文章编号：1004一7948(2006)06一0023一02
    1引言
    大连旭硝子浮法玻璃有限公司制镜部的废气焚烧装置节能改造，原装置排烟温度过高，可为终端供水的燃气锅炉预热空气，故加设空气预热器进行余热回收。
    基于热管换热器的种种优点，本次设计选用大连嫡立得传热技术有限公司生产的无机热管，以之组成管排来作为空气预热器。原始数据由废气焚烧装置的设计厂家日本大气社、终端供水系统的施工单位大连力达环境有限公司和燃气锅炉的制造厂商上海三浦锅炉有限公司提供。
    2设计原理
    2.1烟道的布置与选型计算
    根据日本大气社环境系统部提供的资料查得，对于该废气焚烧装置，所需助燃空气的容积流量VK = 40193.6Nm3/kg；所生成烟气的容积流量Vy＝27355Nm3 /kg。
    决定对流管束布置的因素是烟气流速，如过大，对管束的摩擦太大，管束的使用寿命缩短；如太小，会减小换热量，造成经济性下降，根据经验，一般选择烟气流速10m/s左右，依据公式
   

                               
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式中F一烟道有效流通截面积；
    tin一烟气进口温度；
    V一烟气标准状态下的体积流量；
    ω一烟气流速。
    可得到烟温为进口温度，流速近似10m/s的有效流通截面积，对其开方，即可得烟道边长，烟道近似设计成正方形。在得到边长后进行横排布管及长度设定，横排管间距，可得到横排管数Z1 =22根，热端长度l1 =2m，冷端长度l2 = 1.2m。在得到以上数据后，还需要翅片高度hf=0.0175m，翅片直径df = 0. 073m，翅片节距Pf=0.005m，翅片厚度tf=0.001M，才可以进行烟道几何特性的计算[1]。

                               
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式中F一空道有效流通截面积；
    tin一空气进口温度；
    Vg一空气标准状态下的体积流量；
    ω一空气流速。
    可得到空温为进口温度，流速近似10m/s的有效流通截面积，对其开方，即可得烟道边长，烟道近似设计成正方形。在得到边长后进行横排布管及长度设定，横排管间距，可得到横排管数Z1=22根，热端长度l1=2m，冷端长度l2=1.2m。在得到以上数据后，还需要翅片高度hf=0.0175m，翅片直径d f = 0. 073m，翅片节距Pf = 0.005m，翅片厚度tf=0.001M，才可以进行风道几何特性的计算[1]。

                               
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    单排传热面积：H=Hf+Hg =36.07m2            (11)
式中d一无机热传导热管外径，d = 0.038m。
    流通面积：F2＝[（s2一d）l2一2hf2t f2n f2]Z1＝1.24m2          (12)
    2.3热力计算公式及相关参数
    传热量公式：Qc= K•H•△tpj          (13)
式中K一传热系数，kW /(m2•℃）；
    H一烟气、空气侧换热面积，m2；
    △tpj一平均温差，℃。
    参与运算的主要参数：
    湿周长度U1=2.2x2+2x2+ (0.0175x2 x401＋2) x2 x22－22 x2 x0.038=712.268m
    U2=1.2x2＋2.2x2＋(0.0175 x2 x241＋1.2）x2 x22－22 x 2 x 0.038=429.068m
    净自由容积V01=2x2.2x2.8－[401x0.25x(0.0732－0.0382）x3.14x0.001＋0.25 x2 x3.14 x 0.0382]x 638＝10.09m3
    V02＝2.2x1.2x2.8一［241 x 0.25 x(0.0732一0.0382)x3.14x0.001＋0.25 x 1.2x3.14x0.0382]x 638＝6.652m3[2]
    2.4设计计算流程（见图1）

                               
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    3空预器细部结构说明
    3.1本体设计
    进出口处各留0.092/2 + 0.066 = 0. 112m；两侧各留0. 092/2 + 0. 088 = 0. 134m；中间共28 x 0. 092＝2.576m,取中间隔板厚0. 03m，下部留0.035m预留安装段，顶部预留0. 065m。
空气、烟气侧分别高1.2m，2m。
    热管元件总长共0.03＋0.035＋0.035＋1.2＋2＝3.3m。
    空气预热器形式取立式，管箱壁厚取0.025m，顺排排列方式22 x 29正方形矩阵。
    烟气、空气侧风道截面积：2x2.2=4.4m2；2.2x1.2＝2．64 m2。
    管箱本体体积：2.85 x 3.3 x 5 2.25 =21.481875 m2。
    本体尺寸：长0.092 x 29 + 0.066 + 0.066 +0.025＋0.025＝2.85m；
    宽2.2＋0.025＋0.025＝2.25m；
    高1.2＋2＋0.03＋0.025＋0.025＋0.03＋0.035＋0.035＝3.38m。
    3.2设计原则
    (1)考虑到现有的空间有限，故空气预热器安装位置选在锅炉房和值班监理室中间的位置。
    (2)保证最少的弯头损失，布置风道和烟道时充分考虑了燃气锅炉原进风口的相对位置。
    (3)换热后的烟气与锅炉排烟共用原燃气锅炉的烟囱，但保留原废气焚烧炉的烟囱不拆除，为其他可行的余热回收方案作保留。
    3.3改造方案及流程简述
    3.3.1改造方案
    (1)增设从废气焚烧炉至空气预热器、原进风口到空气预热器空气侧、空气预热器烟气侧至锅炉烟囱、空气预热器空气侧至锅炉燃烧室的四段烟道。
    (2)增设废气焚烧炉高温烟气的送风机、预热后低温烟气排空的引风机。
    3.3.2流程简述
    由新增设的送风机将废气焚烧炉的高温烟气送至空气预热器烟气侧，锅炉进风口原有的风机将低温空气送入空气侧，二者逆流换热后，被预热的空气进入燃气锅炉的燃烧室参与燃烧，而后从烟囱排空，低温烟气也被引入同一个烟囱排空。
    4投入成本及资金回收期
    4.1设备概算
    (1)空气预热器：130.0万元；
    (2)运费：5.3万元；
    (3)设备调试、技术服务：16.1万元；
    (4)保温材料：4.1万元；
    (5)设备的安装、改造人工费（4万元），材料费(5万元)等：12.0万元；
    (6)空气预热系统：33.6万元；
    (7)保温材料费、防火门等：15.8万元；
    (8)燃烧器改造费用：66.0万元；
    项目总投资：282.9万元。
    4.2设备投资回收期预测
    回收热量：∑Qc= 2610kJ/Nm3×27355Nm3/h×1 /3600h/s= 19.83MW（折合170×104kcal/h）
    以渣油为例，发热值为104 kcal /kg，热效率取70％。
    燃料节约量[（170×104）÷10000]÷0.7=243kg/h
    年冬季加热炉运行按8000h计算，年节约燃料：243×8000/1000＝1944t
    价格按1000元／t计算，每年节约燃料费：1944×1000＝194.4万元
    资回收期：282.9 =194.4 = 1.46年，经济效益显著。
    5结论
    本设计采用无机热管为基本传热元件，采取立式空气预热器形式，把余热回收全过程作了细致的研究，并运用技术经济分析方法进行了资金核算。结果显示，把热管应用于高温气体的余热回收在技术上可行，在经济上合理。故本设计为耗能大且燃烧设备多的企业提供了一条有效的节约能源和资金的途径。
参考文献
[1]庄俊，张红．热管技术及其工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2000
[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕．工程热力学（第三版）[M]，北京：高等教育出版社，2001.114一169.
[3]史美中，王钟铮．热交换器原理与设计（第二版）[M]．南京：东南大学出版社，2001.
[4]谭浩强．C语言程序设计（第二版）[M]．北京：清华大学出版社，2000.28一270.