复合相变换热技术在注汽锅炉上的应用及效果分析

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1、复合相变换热技术在注汽锅炉上的应用及效果分析摘要本文针对油田稠油开采注汽锅炉高温烟气直接外排，排烟损失严重现象，分析了注汽锅炉应用复合相变换热器进行余热回收的可行性，并通过改造后运行数据的分析，达到了节能降耗的目的，显示了其显著技术和经济效益。关键词相变换热器烟气酸露点金属壁面温度可调、可控余热利用引言我厂目前用于稠油开采的注汽锅炉有25台，注汽锅炉由于受其自身结构和工艺系统的制约，为了防止锅炉尾部对流段的腐蚀，注汽锅炉在燃油时，其排烟温度高达210℃-270℃，在燃气时，其排烟温度也高达210℃，造成注汽锅炉排烟损失较大，排

2、烟热损失约为11%--17%左右，排烟热损失占注汽锅炉总热损失的75%-83%，直接影响注汽锅炉的热效率，仅为80%--85%，增加注汽锅炉的燃料油（气）的耗量和蒸汽成本费用，因此烟气余热利用技术研究与应用对注汽锅炉的节能降耗、降低生产成本有重要意义。1现状分析1.1锅炉烟气余热利用现状目前，我国国内应用锅炉的行业中，由于煤、石油、天然气等燃料中均含有硫，燃烧时通常会产生硫氧化物及二氧化碳，其与水蒸气结合后即形成酸蒸汽。当锅炉尾部受热面的金属壁面温度低于酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），就会在其表面形成液态酸（称为结露）。长期以来

3、，用来余热利用的各种预热器受热面由于结露而引起的腐蚀经常发生。以至于目前在锅炉设计时不得不通过提高排烟温度来缓解结露和腐蚀发生，而提高排烟温度又势必造成大量低温能源的浪费。尽管如此，预热器往往在运行一到两年后依旧会出现腐蚀，直至穿孔。这是一个世界性难题。锅炉常用的余热利用装置多为管式换热器，其金属受热面最低壁面温度与热流体温度之间大致处于一种倍数关系，即排烟温度为140℃时相应的最低壁温仅为70℃左右。对于热管换热器，“如果金属受热面壁面温度要求不低于77.8℃时，其排烟温度通常不得低于155℃，否则必然引起低温结露腐蚀”（参

4、见顾维藻等著《强化传热》，科学出版社）；上述换热器的壁面温度只能作为校核温度，也就是说，当运行工况因运行需要必须进行调整时，即便知道必然会发生低温腐蚀也无法避免，因为没有办法对壁温进行调整和控制。1.2相变换热新技术分析复合相变换热器可以视作通常“热管技术”的有效延伸和深化发展。该技术通过“相变段”以及不同“强化传热技术”的合理配置，首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”以及对产生低温腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的概念，同时彻底改变包括热管技术在内的一般换热器壁面的“温度函数”5特征，从

5、而在保证金属壁面温度处于酸露点以上解决低温腐蚀难题的同时，为大幅度回收烟气低温余热提供可能。复合相变换热器中的“相变段”是整个技术的核心部件之一。它将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，并充分利用“烟气横掠管束”使“相变换热”的换热能力具有“量级性（102以上）提高”的传热学特性，达到“相变段”金属壁面温度与烟气温度只有“较小梯度温降（温差10－20℃）”以及壁面温度原则上“独立于被加热工质温度”的特殊功能。同时通过“相变段”换热量的调节，还可以实现对受热面最低壁温面度的闭环控制，使壁面温度恒定

6、或可调节，以适应燃料种类以及工况的变化。这样，在保证设备安全运行的前提下，实现大幅度回收烟气余热的节能目的。其核心内涵为：●能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；●在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；●实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品

7、种以及负荷的变化；●保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过设备上的排气阀排放产生的不凝气体H2等，避免其聚集上部影响换热，从而失效的致命弱点，大大延长了设备的使用寿命。复合相变换热器工艺流程图其工作过程如上图所示：相变换热器内置的螺旋翅片管通过吸收流经的高温烟气的热量，将其内部的液态水加热为气态蒸汽，升入其上部的汽包，再与流过汽包的除氧器用水进行热交换，降温冷凝为液态水后沉入螺旋翅片管底部再加热，周而复始，起到回用余热、提高除氧器给水温度的作用；并根据受热壁面温度，自动控制进入汽包换热的冷水量，从而控制排烟温度使其

8、高于酸露点，防止受热面低温产生酸性腐蚀1.3设计主要技术经济指标计算分析单台23t/h注汽锅炉排烟温度由220℃降至120℃，运行时率80%、每年运行时间7200h。5●理论回收烟气热量Q式中Vg＝27700Nm3/h，为烟气流量；ρg＝1.295kg/Nm3，为烟气密度；C