旋流传热式省煤器的结构原理特点和节能效率分析

  针对目前工业锅炉省煤器存在的积灰和低温腐蚀的问题，将旋流传热技术应用在省煤器上，发明了一种旋流传热式省煤器。通过对旋流传热式省煤器结构、工作原理、特点和试验研究进行分析，得出结论：这种省煤器不仅避免了积灰和低温腐蚀，还提高了锅炉热效率，节能效果明显，应用前景广阔。
  一、前言
  工业锅炉是重要的热能动力设备，被广泛应用于动力、建筑采暖、人民生活等各个方面，在我国国民经济各部门和人民生活中发挥着十分重要的作用。我国在用工业锅炉有50多万台，约180万吨/小时，燃煤锅炉约48万台，每年消耗原煤约4亿多吨。我国燃煤工业锅炉存在主要问题是：效率低、污染重、锅炉总体运行效率低，约65%。由于锅炉运行效率不高，能源浪费相当严重，节能潜力巨大。因此，降低锅炉热损失，提高效率显得尤其重要。

  目前传统的回收锅炉烟气余热、降低排烟温度的措施主要是在锅炉尾部烟道安装省煤器。省煤器是利用锅炉尾部的烟气热量来加热给水的一种热交换装置。但传统结构的省煤器由于处在锅炉尾部烟道的低温区域，当燃用含硫燃料时，很容易在运行时造成受热面积灰，同时发生低温腐蚀，使锅炉热效率降低。针对省煤器存在的以上问题，我们经过研究将旋流技术应用到省煤器上，将传统的烟气流动方式紊流改变为旋流，发明了一项专利产品—旋流传热式省煤器，这种省煤器使烟气带动悬浮颗粒形成强制性旋转流动，减少粉尘、水蒸汽与金属管壁接触，避免了管壁积灰和低温腐蚀，同时，旋流传热也使锅炉热效率得到提高。旋流传热技术在省煤器上的应用经过多次试验取得成功，实际运行已有四年多时间，应用这种技术改造的锅炉有20多台，节能效果非常明显，锅炉热效率提高5%以上。

  二、现有技术省煤器存在的问题

  省煤器是利用锅炉尾部烟道中烟气的热量加热省煤器内的锅炉给水，使炉内水温度提高，降低排烟温度，提高锅炉效率。但由于省煤器处在尾部烟道的低温区域，当燃用含硫燃料时，由于烟气在管道内是紊流流动状态，很容易在运行时引起积灰；并且当烟气与水换热，使温度降至140℃露点以下时，烟气中会残留水蒸气，与硫反应生成硫化物，对金属管壁造成腐蚀。《评价工业企业合理用热技术导则》和《锅炉设计技术规范》等明确规定：锅炉的运行与设计，其排烟温度不应低于140℃。也就是说，利用烟气余热的最低限度是排烟温度不得降至露点温度以下，否则会造成烟道金属管壁腐蚀。造成省煤器低温腐蚀和积灰的主要原因是由于烟气中存在三氧化硫及尾部受热面金属壁温低于烟气露点温度的缘故。锅炉使用的煤碳燃料中，含有少量硫成分，在燃烧后大部分形成二氧化硫，在一定条件下，一部分二氧化硫与烟气中残存的氧气继续反应，生成三氧化硫，在高温气体中，三氧化硫气体与水蒸汽能结合成硫酸蒸汽，当烟气或管壁金属温度降到硫酸露点以下时，硫酸便被凝结下来，形成低温腐蚀，反应式如下：
  SO3↑+H2O↑→H2SO4↑
  Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑
  受热面低温腐蚀和积灰有着互相促进的关系。因为腐蚀层或积灰都将使传热作用减弱，致使金属壁温降低，反过来又加剧了腐蚀和积灰的进程，而且管壁上的积灰吸收三氧化硫，也会加速腐蚀作用，因此省煤器在运行中普通存在积灰和低温腐蚀的问题。

  三、旋流传热式省煤器的结构和工作原理
  1、旋流传热式省煤器的结构

  针对现有技术省煤器在运行中存在的以上问题，我们经过长期研究，将旋流传热技术应用到省煤器上。这种旋流传热式省煤器由烟气分离管、进出水口、隔水板、排气管、导流件几部分组成（如图1）。烟气分离管在给水管中通过，烟气分离管内前端装有烟气导流叶片，给水管内设有隔水板。当烟气进入烟气分离管后，在烟管前端安装的导流片作用下，烟气由原来的紊流变为旋流。在紊流条件下，烟气经过一定距离的过渡段后管壁将会形成楔形的气体边界层。在边界层内由于气体间摩擦力和粘滞力作用下，气体速度梯度在垂直于管壁方向将明显下降，在贴近管壁处气体速度将趋于零，这样将会使烟气内的灰渣、粉尘、水蒸汽等物质沉积凝结在金属壁面形成灰垢，严重影响烟气的传热效果。当烟气通过导流叶片时改变原有的紊流流动状态，形成强制旋转气流，气流会对壁面产生轴向和径向的切应力，破坏边界层的产生，使烟气带动烟道中的煤灰、粉尘等悬浮颗粒强力旋转冲刷省煤器的烟管金属内壁，使管内壁不积灰，灰尘污染降低，传热系数提高，这样就降低了灰渣、粉尘等颗粒在壁面的粘结，加强了流体间的换热。

  给水则沿隔板导流的方向流动冲刷烟气分离管的外壁降低烟温，提高锅炉的给水温度。管内外流体呈逆向流动。烟气在旋流中进行充分地热交换，烟气在旋转过程中与壁面接触，将热量传递给烟气分离管外的冷流体，管外的冷流体吸收烟气放出的热量。两个换热介质逆向流动，以达到更好的换热效果。

  2、旋流传热式省煤器工作原理
旋流强化传热是通过有效地形成不稳定流和二次流以强化流体中微团混合及减薄边界层达到强化传热的目的。旋流传热不但冲刷和破坏流体边界层，使贴近壁面的流体速度增加，而且改变了流体的流动结构。除轴向流速分量外，还有较大的切向流速分量，切向速度使流道内流体质点的运动受到离心力的作用，加强边界层流扰动和脉动，因而旋流使传热过程得到强化，在旋流情况下壁面合成速度相对较大，边界层的厚度也相对较薄，从而提高了传热系数。

  四、旋流传热式省煤器的特点
  这种旋流传热式省煤器的特点是烟气通过导流叶片由紊流变成旋流状态，带动悬浮颗粒形成强制性旋转流动，减少了粉尘、水蒸汽与金属管壁接触。一是避免管壁积灰，改变了省煤器物理性能，提高了金属烟管壁面的导热系数。二是抑制了硫化物与金属管壁接触而产生化学反应，避免了管壁低温腐蚀。三是烟气由原来的紊流流动变成了旋流流动，不但冲刷和破坏流体边界层，使贴近壁面的流体速度增加，而且改变了流体的流动结构，提高了传热系数。由以上特点得出：这种旋流省煤器使传热得到强化，提高了锅炉热效率，节能效果显著。

  五、旋流传热式省煤器的试验研究
  旋流传热式省煤器的研制在试验室和锅炉运行现场进行了大量的试验及热工测试。
  1、试验台设计
  旋流传热装置的测试试验台如图2所示。冷热流体均采用水，热流体由恒温水浴提供，而冷流体采用自来水，温度采用铜一康铜热电偶作为温度传感器、用HP34970A型数据采集仪采集；流量由LZB型玻璃转子流量计测量，并由阀门调节其流量。通过测量热流体的进出口温度t1′、t1″，流量q1和冷流体的进出口温度t2′、t2″，流量q2，利用传热方程式（式1）及热流量计算方程式（式2）即可求得换热器在各种流量下得传热系数k。
  Q=k0 A0 Δ tm（1）
  Q=q1c1（t1′-t1″）=q2c2（t2′-t2″）（2）
  式中k0为换热器基于外侧表面的传热系数，W/（m2·K)；A0为外侧换热面积，m2；Q为换热器换热量，W；Δ tm为传热温差，℃；c1、c2为两流体的比热，J/(kg·K)。
  2、旋流烟气的传热试验测试值：
  上表为烟气速度在6m/s时的试验结果。
  N—导流件片数。
  K—传热系数，单位W/m2·℃。
  3、紊流流动与旋流流动状态下的传热对比试验（流速相等）
  试验选择φ300mm，12m长的钢管烟道。试验方法：分别在入口、出口两端测试紊流流动、旋流流动状态下的温度值。从试验数据中可以看到旋流式省煤器相比传统省煤器，其出口水温明显低于传统省煤器出口水温，这就说明其换热效果要比传统省煤器要好。
由于旋流流动比紊流流动的流程长，可破坏流体边界层，改变流体的流动结构，加强边界层流扰动冲刷管壁，因此旋流流动的对流传热能力优于紊流流动。

  六、应用前景

  旋流传热式省煤器通过导流叶片使烟气旋转流动，强化了换热，提高了传热系数，节约了燃料，避免了积灰和低温腐蚀的发生，节能效果非常显著。经过中试和现场运行试验，目前这个项目已进行推广应用，其中包括3台29MW、2台14MW热水锅炉，都取得了显著的节能效果，收到了明显的经济效益。在某林业局供热管理处一台14MW锅炉上安装了旋流传热式省煤器，排烟温度由310℃降低到210℃，该锅炉原耗煤量为3401吨/时，改造后耗煤量降低为2931吨/时，年节实物煤470吨，价值人民币21万元，当年收回投资。这项技术具有很强的适用性，市场前景十分广阔。