调研报告 烟气余热回收装置传热过程的数值研究.docx
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调研报告烟气余热回收装置传热过程的数值研究
余热回收装置内传热过程的数值模拟
热能C081班，学号085777
摘要:
随着我国经济的发展，能源利用总量逐年递增，热发电厂年装机量相当于英国现装机总量。
能源利用率33%低于发达国家将近十个百分点，还有很大的提升空间。
单位百万GDP煤耗量1.06吨，也远远高于发达国家。
最近几年我国经济放缓，提高能耗率更加困难根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%到67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%左右。
本文注重分析能源利用各环节工业余热回收的政策或导向，余热回收应用的场合，余热回收典型装置、工艺，技术特点，余热回收装置（换热器）内的热传递问题的理论分析、流场分析、温度场分析，以及FLUENT软件的简要介绍。
关键词：
余热回收能源回收领域回用工艺回用装置
正文：
前言：
课题研究基本内容：
本毕业设计课题根据厂家提供的技术要求，利用FLUENT软件对余热回收装置内的流动与传热过程进行数值模拟研究，重点分析管排数等结构参数以及蒸汽流量等工作参数对蒸汽过热器管壁温度的影响规律。
通过此次设计可以提高自身的综合运用基础理论知识的能力，培养其独立分析实际问题、解决实际工程问题的能力。
本课题也可促进自身的掌握流动、燃烧及传热的基本理论，熟悉燃烧及换热设备的基本结构与原理，培养其工程设计、科学实验与理论分析的基本技能，锻炼其计算、绘图、测试、数据分析等基本能力。
一、工业余热回收的政策或导向
余热回收应用的场合：
能源是经济发展的动力，是维持国家经济社会生活正常运转的支撑点。
能源利用途径分布在各个行业各个领域。
在很多领域的余热回收空间巨大，例如在化工行业、石油化工、建材工业、冶金工业、纺织印染行业。
1、化工工业中的应用：
合成氨工业是一项基础化学工业，在化学工业中占有很重要的地位。
合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程。
合理地利用和控制合成氨生产过程中放出的热量，不仅可以节约生产中的能源消耗，降低生产成本，而且可以提高CO变换率及氨的合成率，前者属于余热利用，而后者属于化学反应的热控制。
上、下行煤气余热回收应用：
上、下行煤气是指以煤或煤球为原料的生产路线中煤造气炉所产生的上吹半水煤气及下吹半水煤气。
由于生产原料不同，上、下行煤气中所含尘粒及温度也不相同。
中型合成氨厂的煤造气是以块煤为原料。
因此其上行煤气出煤造气的温度远较小化肥高，大约在600℃左右煤造气炉后有一吹风气燃烧室。
上行煤气经过燃烧室后再进入列管式废热锅炉。
上行煤气与吹风燃烧气合用一个废热锅炉产生低压蒸汽（0.4～0.8MPa）或中压蒸汽（1.9～2.5MPa）供工艺使用。
由于中合成氨煤造气炉的下行煤气温度较低（200℃左右），因而一般不经过废热锅炉而直接去冼气塔。
在硫酸工业中的应用：
硫酸生产过程中产生大量热能，热能品位从高到低均可回收加以利用。
高品位热能最好的利用方式是发电，可以大大降低生产成本。
硫酸的原料可以是硫黄、硫铁矿以及冶炼厂的冶炼气，以这些原料制取SO2气均产生高温热能，气体温度达850到1100℃。
根据生产经验，这部分高温余热可产生1.1到1.3吨蒸汽/吨硫酸。
而在转化工段，主要是中温余热。
一次转化完毕到吸收塔的转化气温度在400℃左右。
利用这部分余热，据生产实践估算，每生产一吨硫酸约可生产0.2吨蒸汽。
在两次转化工艺中，这部分中温余热已转移到酸吸收系统的低温余热中。
低温余热的回收利用主要在干吸系统。
当采用高温吸收工艺，把中间吸收塔酸温提高到165℃时，出塔酸温可达200℃。
这部分低温余热可以用来发电。
每小时进塔气量为111000m3，温度为194℃条件下，可产生185℃、压力为1043kPa的蒸汽29.7吨，供9000KW汽轮电机发电。
2、在石油化工中的应用：
石油化工生产中的各类加热炉面广量大，提高这些加热炉的效率意义重大。
回收加热炉排烟余热，用以加热加热炉的助燃空气，是提高加热炉热效率的重要手段。
加热炉排烟温度一般在260~350℃左右。
如果将烟气温度降到160℃，则可将助燃空气从常温提高到120℃以上，加热炉的热效率可以提高6%~10%。
RH余热回收器体积紧凑，压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀，因之特别适用于加热炉的余热回收。
4、在建材工业中的应用：
一般建材工业炉尾烟气温度达550℃。
在水泥行业热量经管壁向四周自然散发，造成大量热能浪费的同时还高温污染了环境。
目前经余热锅炉出口排出的低温废气温度仍然有100~200℃，这部分低温废气总流量大，可回收的余热潜力巨大，若开发并使用相关的低温废气余热回收技术对这部分低温废气继续降温到60~80℃则势必将获得巨大的经济效益、环境效益和社会效益。
目前新型干法水泥生产技术已在我国水泥生产领域获得广泛应用。
但在新型干法水泥生产线水泥熟料的生产过程中由生产线窑头熟料冷却机和窑尾预热器排掉的大量350℃左右的废气，其所含热量一般能占到水泥熟料烧成系统总热耗量的30%以上。
水泥厂热损失主要包括窑筒体辐射热损失、废气及飞灰热损失、炉渣热损失等，目前多种余热回收措施已经在水泥厂中获得应用。
例如，改进水泥厂的能源消耗模式、在回转窑的周围增设间壁式换热器用以回收回转窑的高温辐射热等。
但针对水泥厂排放的生产线废气的余热回收主要采用纯低温余热发电技术，该技术在新型干法水泥生产线上的不断推广和普及极大的回收了窑头、窑尾中低温废气的余热，且对于降低水泥生产能耗、提高水泥生产企业的经济效益和保护环境具有重要意义。
新型干法水泥生产线300~400℃废气在经过纯低温余热发电技术利用后，余热锅炉出口处的废气温度仍有100~200℃，当前对于这部分低温废气的处理方法都是收尘后直接排入大气，这部分低温废气虽然温度水平低但总流量大，可回收的潜在余热量依然巨大。
另一方面工业土炉生产时需要大量的木炭。
由于木炭水分的不稳定，不但增加硅炉的能耗，也不利于生产工艺的操作和工人作业环境的操作。
目前解决木炭含水量超标的办法，主要是通过人工自然晾晒，通俗的说就是在“靠天吃饭”，不仅增加了木炭的倒运次数，加大了木炭的破损，而且自然晾晒的木炭水分不统一。
可以利用烟管表面200-230℃显热回收，利用回收的热量烘干木炭。
该项目实施后既解决了木炭含水量超标的问题，又节约了能源，一举两得。
5、在冶金工业中的应用
冶金工业是耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。
以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的的余热未能回收利用。
余热的温度最高可达1600℃，热能的形态有固体、气体、液体，其中很多为间隙排放，因之给余热回收带来了一定的难度。
由于热管的的众多特点，特别适用于上述场合的余热回收利用。
高温热管及高温热管空气预热器、高温热管蒸汽发生器开发运用成功，给冶金企业的高品位余能利用带来了新的希望。
直接利用:
将需要冷却和需要加热的气体或液体通过换热器直接进行热量交换，包括管式换热器、鳞片管换热器、辐射式换热器以及热管换热器等。
如济钢在焦化工序的各种化工产品生产过程中，将轻苯生产过程中富油与贫油，蒸氨废水与富氨水，工业蔡生产中蔡汽与蔡洗油等进行热量交换，利用初冷塔75一78℃的冷却水预热循环氨水，不仅回收了余热，还节约了冷却水和加热煤气的使用。
另外，焦化厂还可以利用焦炉废气烟气的余热进行炼焦煤的预热调湿，利用烟道废气进行煤塔的冬季保温等
间接使用:
间接使用的方法适合于很多余热资源的利用，不仅可以回收高、中、低温液体和气体载体余热资源，还可以回收高温和部分中温固体载体余热资源。
具体的技术也是很多，如焦化厂利用红焦显热发电的干法熄焦技术（CDQ），
（1）加热炉和均热炉的余热利用
轧钢连续加热和均热炉是钢铁企业中耗能较多的设备。
其热效率一般只有20%～30%，约有70%～80%的热量散失于周围环境和被排烟带走。
其中烟气带走的热损失约占30%～35%。
从直接节能来考虑，工程界希望将烟气的余热用来加热助燃空气。
当助燃空气被加热到400℃时，可以得到节能20%～25%的效果。
在我国，现阶段钢铁企业各工序余热资源的回收利用主要有以下几种方法:
利用高温烟气生产蒸汽发电的技术，以及利用低温烟气余热制冷的技术等。
（2）烧结工序的余热利用
烧结工序是高炉矿料入炉以前的准备工序。
有块状烧结和球团状烧结两种工艺。
块状烧结是将不能直接加入炉的炼铁原料，如精矿粉、高炉炉尘、硫酸渣等配加一定的燃料和溶剂，加热到1300～1500℃，使粉料烧结成块状。
球团烧结则是将细磨物料，如精矿粉配加一定的黏结剂，在造球设备上滚成球，然后在烧结设备上高温烧结。
两种烧结过程都要消耗大量的能源。
据统计，烧结工序的能耗约占冶金总能耗的12%。
而其排放的余热约占总能耗热能的49%。
回收和利用这些余热，显然极为重要。
回收余热主要在成品显热及冷却机的排气显热两个方面。
（3）高炉热风炉余热回收
高炉热风炉是产生热风的设备，由于风温可高达1200℃以上，因之热风炉都是蓄热式。
其工作原理是先使煤气和助燃空气在燃烧室燃烧，燃烧生成的高温烟气进入蓄热室内的格子砖加热，然停止燃烧，再将鼓风机送来的冷空气通过蓄热式格子砖，将格子砖所积蓄的热量带走，冷空气被加热到所需的温度进入高炉。
热风炉烟道废气的温度一般限制在300～350℃，最高不行超过400℃。
使用热管换热器回收的这部分余热，用来加热助燃空气则可以改善蓄热炉内的燃烧状况，从而使炉顶温度提高。
对于以煤气为燃料的单位，一般多采用分离式热管换热器回收排烟余热，回收的余热同时用来加热空气和煤气，因之称为“双预热”。
6、在纺织印染行业中的应用：
我国是纺织与印染大国，定型机是纺织印染后整理的关键设备，热定型机是利用热空气对纺织物（如布匹）进行干燥和整理并使之定型的装置。
在定型机加工过程中排放出大量废气，废气中含有烟尘、油渍、挥发的染料助剂等有害成分。
一般热定型机内所需热风温度约为200℃左右。
随着社会的进步，科技的发展，环境污染逐渐成为一个广泛关注的一个问题，环境保，离开热定型机的废气温度一般在170℃左右,大量余热被带出定型机外。
如果加上燃料燃烧损失以及机体散热损失等,经估算输入热定型机的热量有90%以上由排气散入大气，真正用于处理织物所消耗的热量只占了输入定型机热量的2.9%。
散失的热量不仅浪费能源而且造成定型机车间环境温度的升高而影响操作工人的身心健康，因此对热定型机的余热回收是势在必行的。
二、余热回收工艺：
如果有合适的热用户直接利用烟气的热能，则最为经济、方便。
可能的热用户如下:
（l）预热空气或煤气利用烟气余热，通过换热器预热工业炉的助燃空气或低热值煤气。
将热返回炉内，同时提高燃烧温度和燃烧效率，节约燃料消耗。
（2）预热或干燥物料利用烟气余热来预热、干燥原材料或工件，将热带回装置内，也可起到直接节约能源的作用。
例如，利用电炉的高温废气预热废钢，可降低电炉冶炼的能耗。
（3）生产蒸汽或热水通过余热锅炉回收烟气余热，产生蒸汽或热水，供生产工艺或生活的需要。
温度在40℃以上的冷却水也可直接用于供暖，高温金属构件由水冷改为蒸汽冷却，产生蒸汽，则可提高余热的利用价值，扩大使用范围。
（4）余热制冷用低温余热或蒸汽作为吸收式制冷机的热源，加热发生器中的溶液，使工质蒸发，通过制冷循环达到制冷的目的。
当夏季热用户减少，余热有富裕时，余热制冷不失为一种有效利用余热的途径。
对高温烟气的余热，采用余热发电系统更符合能级匹配的原则。
对较低温度烟气的余热，在没有适当的热用户的情况下，将余热转换成电能再加以利用，也是一种可以选择的回收方案。
烟气余热发电有以下几种方式:
（1）利用余热锅炉首先产生蒸汽，再通过汽轮机发电机组，按凝汽式机组循环或背压式供热机组循环发电。
（2）以高温余热作为燃气轮机工质的热源，经加压、加热的工质推动燃气轮机做功，在带动压气机工作的同时，带动发电机发电。
（3）采用低沸点工质（如氟利昂等）回收中、低温余热，产生的氟利昂蒸汽按朗肯循环在透平中膨胀做功，带动发电机发电。
对不能直接利用的更低温度烟气的余热，可以将它作为热泵系统的低温热源，通过热泵提高其温度水平，然后加以利用余热回收典型装置。
以LNG为燃料的燃气蒸汽联合循环电站，如果在余热锅炉尾部烟道中布置冷凝式换热器,将排烟温度降到露点温度以下,不仅可以回收排烟的显热,而且还可以回收烟气中水蒸气的潜热。
废气余热制冷：
现在的汽车空调系统大致可分为两种情况:
用于轿车和中小型客车的,其压缩机由主发动机驱动,一般要消耗8%~12%的汽车发动机动力,其中压缩机占80%~85%,风机占15%~20%[3-4]。
增加了油耗和废气排放,减少了汽车的运输能力,而且可能引起水箱过热,影响汽车动力性。
同时,由于压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物,导致温室效应加剧。
通过回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统,实现轿车空调,是理想的节能方案。
目前提出的这方面技术主要有吸收式、吸附式和喷射式三种。
余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖,对发动机进行预热、解决冷起动问题。
还可对车厢进行预热,利用发动机排气余热加热燃料,使其在催化剂作用下能分解出氢、一氧化碳等可燃气体,可提高燃料的燃烧热值。
涡轮增压新技术：
为了适应车用发动机的特殊要求,出现了一种可变几何参数的涡轮（VariableGeometryTurbocharger,VGT）。
这种涡轮可以实现在低速时减小涡轮喷嘴面积以提高增压压力,提高低速转矩,高速时扩大涡轮喷嘴面积,降低排气压力。
废气余热制冷新理论：
利用适当的相变材料,储存汽车发动机冷却系统的低品位热能,以改善汽车低温环境下的冷起动。
在汽车行驶过程中,利用相变材料融化来吸收发动机冷却系统的低品位热能。
冷起动时,传热流体吸收相变材料凝固时释放出的大量相变潜热,从而可以比较经济地加热发动机,改善其冷启动,减少环境污染,并且节约了能源。
三、余热回收设备：
1、热管余热回收器
热管余热回收器即是利用热管的高效传热特性及其环境适应性制造的换热装置，主要应用于工业节能领域，可广泛回收存在于气态、液态、固态介质中的废弃热源。
按照热流体和冷流体的状态，热管余热回收器可分为：
气—气式、气-汽式、气—液式、液—液式、液—气式。
按照回收器的结构形式可分为：
整体式、分离式和组合式。
采用热管技术有两个突出优点：
一是因为管内为真空，不存在管内超压，无爆炸危险；二是管内工作介质在真空下对热极其敏感，因此导热速度快，效率高。
图一：
热管散热器图二：
热管散热器
2、间壁式换热器
换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。
换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。
常见间壁式换热器如：
冷却塔（或称冷水塔）、气体洗涤塔（或称洗涤塔）、喷射式热交换器、混合式冷凝器。
图三：
管壳式换热器图四：
板翅式换热器
图五：
板式换热器图六：
管壳式换热器
3、蓄热式换热器
蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备，一般用于对介质混合要求比较低的场合。
换热器内装固体填充物，用以贮蓄热量。
一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。
蓄热式换热分两个阶段进行。
第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。
第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。
这两个阶段交替进行。
通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。
常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。
也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
高温相变储能材料主要是一些无机物，包括单纯盐、混合盐、碱、金属与合金、氧化物等。
中低温相变储能材料主要是一些结晶水合盐和有机物。
图七：
蓄热式换热器原理图八：
蓄热式换热器简图
4节能陶瓷换热器
陶瓷换热器是一种新型的换热设备，在高温或腐蚀环境下取代了传统的金属换热设备。
用它的特殊材质——SIC质，把窑炉原来用的冷空气变成了热空气来达到余热回收的目的。
由于其可长期在浓硫酸、盐酸和碱性气、液体中长期使用。
抗氧化，耐热震，高温强度高，抗氧化性能好，使用寿命长。
热攻工业窑炉。
把换取的热风作为助燃风送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节能25%-45%，甚至更多的能源。
图九：
节能陶瓷换热器图十:
节能陶瓷换热器
5 喷射式混合加热器
喷射式混合加热器是射流技术在传热领域的应用，喷射式混合加热器是通过汽、水两相流体的直接混合来生产热水的设备。
喷射式混合加热器具有传换效率高，噪音低（可达到65dB以下），体积小，安装简单，运行可靠，投资少。
利用喷射式混合加热器回收发电厂、造纸厂、化工厂的余热，加热采暖循环水
喷射式混合加热器特别适合于在供热面积不超过6万平方米的中小型供暖系统中使用，取代表面式加热器的功能。
根据热源的条件不同，加热水的温度可以提高20℃～50℃。
如果要求水的温升较大，也可以采用两级喷射式混合加热器串联布置使用。
图十一：
喷射式换热器
四、余热回收装置（换热器）内的热传递问题的理论分析、流场分析、温度场分析
1）对流动和传热过程进行分析,不仅可以得到不同工况下的温度场、压力场和流场,获取用实验方法无法得到的换热器内任意点的温度、压力和流速等细节信息,而且还可以了解换热器的结构参数变化对换热器局部流场和温度场的影响,从而为结构的修改,最优方案的确定提供了理论依据;
2）根据数值模拟分析结果对换热器进行改进,达到了良好的预期效果,为换热器的优化设计提供了新的方法;
3）论述的数值分析方法是有效可行的,同样可以用于柴油机中冷器、铁路客车暖气管以及空调换热器的设计分析。
计算流体力学（CFD）是根据流体力学和数值计算方法上一门交叉学科，它主要利用计算机作为工作平台，根据所描述的复杂物理现象，运用经典流体力学知识中的质量守恒、动量守恒、能量守恒和传热传质规律和附加的各种模型方程，组成满足符合条件的封闭非线性偏微分方程组，同时确定相应的边界条件，采用Fortran或者C语言编制计算机运行程序，从而得到相应的数值解。
目前，计算流体力学应用于各种工业领域，其重要性显而易见为了使学生尽快熟悉计算流体软件FLUENT以及更好的掌握计算流体力学的计算模型，一般编辑几个简单的模型，包括了组分燃烧、管内流动与换热、低速和超音速流动、房间温度场和浓度场、管外流动、混合换热与流动、两相流及其用户自定义等方面的内容。
其中概括了二维和三维的模型，描述详细，可根据步骤建模、划分网格和计算以及后处理。
进行数值模拟正是运用了这些定律，组建模型，进行网格划分，调用公式，迭代运算，得出稳定的收敛解。
五、对自己课题的研究思路
认真分析总结先进余热回收的国内外现状，尤其是找出两者之间的差距，认识到国内余热回收的潜力在哪，哪方面，哪行业，哪环节需要改进提升。
国外尤其是发达国家是怎么解决余热回收难题，都采取了怎样策略，应用了怎样的技术。
再结合我国的实际情况，找出关键环节，集中改善余热回收的效率，兼顾经济效益，环境效益，总体把握。
本毕业设计课题根据厂家提供的技术要求，利用FLUENT软件对余热回收装置内的流动与传热过程进行数值模拟研究，重点分析管排数等结构参数以及蒸汽流量等工作参数对蒸汽过热器管壁温度的影响规律。
因而学习计算传热学，学习FLUENT软件是一个基础。
应该具备数值建模，数值模拟的技能。
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