余热回收技术方案.docx
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余热回收技术方案
保定太行和益水泥
活性石灰线余热回收技术方案
河北朗瑞环境工程
2012年08月
1.工程概况
一条日产800吨活性石灰生产线。
计划采用窑尾余热用于办公室采暖。
河北朗瑞环境工程是一家专业从事余热回收工程的高技术公司，与华北电力大学、航空航天大学、中科院热物理研究所联合研制了高性能的热管换热器、翅片管换热器，通过ISO9001-2000质量体系论证。
河北朗瑞环境工程坚持“能源节约与开发利用并举，污染源头控制与末端治理相结合”的设计原则，致力于现代科技与实际应用的完美结合，树立了众多的高效节能、综合治理、清洁生产的典工程。
特别是余热回收工程在冶金、钢铁、电力、石油、化工、建材等行业的实施，受到业界人士广泛认可。
河北朗瑞环境工程针对保定太行和益公司提供的相关参数资料，根据业主相关要求和该项目的具体情况，提出采用高性能热管换热器回收石灰窑高温烟气热能的技术方案，回收的热能用来取暖，实现节能减排的效果。
2.工艺设计条件及要求
2.1.设计原始参数
序号
项目
参数
备注
1
烟气量
161347Nm3/h
2
烟气温度
180℃
3
烟气成分
含尘量：
≥50g/Nm3
热负荷
序号
项目
参数
备注
1
采暖
17000㎡
2.2.主要执行标准与规
《蒸汽锅炉安全技术监察规程》
《压力容器安全技术监察规程》
/T1620-1993《锅炉钢结构技术条件》
/T1613-1993《锅炉受压元件焊接技术条件》
/T3375-2002《锅炉原材料入厂检验》
/T1615-1993《锅炉油漆包装技术条件》
/T4420《锅炉焊接工艺评定》
JB1152《锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波探伤》
/T4308-1999《锅炉产品钢印及标记移植规定》
/T1611《锅炉管子制造技术条件》
《碳钢-水重力热管技术条件》
ZBG93010《高频电阻焊螺旋翅片管》
2.3.主要编制原则
本方案按照技术先进、工艺可靠、经济合理的原则确定技术方案，结合本工程的具体情况，编制报告重点遵循下述原则：
（1）遵守国家提倡节约能源的有关标准、规和政策，如《节约能源法》，《节能减排综合性工作方案》等。
（2）采用高效、运行稳定、管理成熟的换热工艺和技术。
（3）根据行业的具体情况，综合运用导热、对流、辐射等传热原理，采用适宜的强化传热手段，通过优化设计达到最佳的传热效果
（4）在符合上述条件情况下采取投资最少、运行费用最低的方案。
（5）系统管理和维护方便，工程设计优雅美观,与周围环境和谐统一。
2.4.设计要求
（1）换热器换热量满足取暖热负荷并且留有一定的裕量。
3.技术简介
3.1热管及热管换热器原理及特点介绍
3.1.1热管
热管起源于二十世纪六十年代的美国，1967年一根不锈钢－水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功。
热管理论一经提出就得到了各国科学家的高度重视，并展开了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。
热管技术开始主要用于航天航空领域，我国自二十世纪70年代开始对热管进行研究，自80年代以来相继开发了热管气－气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产品。
由于碳钢－水两相重力式热管结构简单、价格低廉、制造方便、碳钢－水相容性的基本解决，使得此类热管在动力、化工、干燥、建材等领域得以广泛应用。
重力式热管的基本工作原理如图表1所示，典型的热管由管壳、外部扩展受热面、端盖组成，将管抽成1.3×（10-1～10－4）Pa的负压后充入适量的工作液体,然后加以密封。
图表1热管传热原理简图
当热管的蒸发段受热时热管的工质蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，在重力的作用下流回蒸发段。
如此循环不已，热量就由一端传到了另一端。
热管具有以下优点：
1）超强的导热性：
导热速度快、强度大、效率高，导热速度可达到音速。
2）良好的等温性：
良好的等温性使热管在很小的温差下，传递很大的热通量，传热阻力小。
3）热流密度可变性：
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。
4）安全可靠性：
不存在管超压，不怕干烧。
液体工质汽化后，热管的压不随温度的变化而变化。
5）环境的适应性：
不受环境的限制，热管可根据环境的需要而单独设计。
6）应用领域广：
超导热管形状具有更大的灵活性，更广泛的应用领域，能适应各种恶劣的工作环境。
3.1.2热管换热器原理及特点
热管换热器的主要传热元件是热管，多根热管按照一定的间距及排列成束组装在管箱，中间被隔板分隔为加热端和放热端。
热管换热器的工作原理如下图所示：
高温烟气横向冲刷热管加热端，高温烟气通过热管后温度下降，热管吸收烟气余热并将热量传导到热管的放热端。
冷水在循环泵的动力下横向冲刷热管放热端，热管释放由加热端传导过来的热量将水加热，冷水通过热管后被加热成热水。
热管余热回收系统的优点：
1）安全可靠性高：
常规的换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄露，则将造成停产损失。
热管余热回收器则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体。
2）热管余热回收器传热效率高，节能效果显著。
3）热管余热回收器具有良好的防腐蚀能力：
热管管壁的温度可以调节，可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。
由于避开烟气露点，使灰尘不易粘结于肋片和管壁上。
同时热管在导热时会产生自振动，使灰不易粘附在管壁和翅片上，因而不会堵灰。
4）安装及结构布置灵活:
热管余热回收器的安装无需改变原工艺系统,结构设计和位置布置非常灵活,可适应各种复杂的场合。
5）使用寿命长：
使用寿命在10年以上，单根热管可拆卸更换，维护简单成本低。
6）投资回收期短：
一般在六个月至一年就可回收全部投资。
4.项目技术方案
4.1.热负荷计算
采暖面积17000㎡，按照80w/㎡计算，直接采暖热负荷为1360kw。
管道长度2000米，管道热损失70KW，考虑20%的余量，换热器的换热量≥1716kw。
换热器进水温度70℃，出口温度90℃计算，每小时需用热水量为74t/h。
4.2.烟气热量计算
4.2.1基本烟气参数
标况烟气量：
161347Nm3/h
烟气温度：
按照平均180℃设计；
4.2.2烟气热负荷计算
=161347×0.315×（180-150）
=1749kw
4.3项目总体设计思路
余热采用除尘前热量，换热器的烟气速度设计合理，并在设备上加装吹灰器，能解决积灰问题。
供暖系统采用低温大流量24小时不间断的供热方式，保证设备处在稳定的使用状态下运行。
同时为了很好调解水泵流量，增加了变频控制系统，在水循环系统中增加变流量调解，从而使系统增加了可调整功能。
通过增加调节功能，能够方便的实现供暖温度的控制，并能够带来一定的节电效益。
在系统管路上安装双路安全控制，将安全阀排空管连接到大气中，这样保证了安全阀起跳时排放的热水直接排放到大气之中，避免了热水排放时发生不安全性。
在管路和热交换器上安装了烟温和水温表，使系统中的烟气和水量的温度变化实时得到监测，有效保证了安全调控水温和烟气流量，使得系统变流量调节达到平衡状态。
余热回收系统采用PLC进行集中控制，可根据热负荷动态调节换热器水温。
配有工业级、65535色超大触控屏，实时显示每台换热器进出口烟温、进出口水温，水泵流量。
采用优化的控制算法对现场电气及测控设备的控制、连锁、保护及报警功能。
4.4项目分项设计
4.4.1烟气-水换热设备
窑余热温度为200～230℃，热量大。
热管换热器相比于其他普通间壁式换热器具有换热器效率高、体积小等优点，可在有限的空间位置布置足够的换热面积满足余热系统热负荷的需要。
热管换热器启动迅速，可控制性强，余热回收系统热负荷启动快，供热稳定，给热用户带来舒适的享受。
朗瑞公司制造的热管换热器工艺成熟，使用寿命长，已经在多家电厂、水泥厂、瓷厂窑炉余热回收中取得了不错的业绩。
基于以上分析，本系统采用气-水热管换热器作为余热回收换热器设备。
4.4.2烟道系统
烟道材料使用Q235B钢板制作，最小壁厚按5mm设计，并考虑一定的腐蚀余量，防止高温烟气和低温饱和烟气冷凝液对烟道的腐蚀。
烟道是具有气密性的焊接结构，所有非法兰连接的接口都进行连续焊接。
烟气系统的设计保证灰尘在烟道的沉积不会对运行产生影响，在烟道必要的地方（低位）设置清除粉尘的装置。
另外，对于烟道中粉尘的聚集，考虑附加的积灰荷重。
烟道的设计尽量减小烟道系统的压降，其布置、形状和部件（如导流板和转弯处导向板）等均进行优化设计。
烟道安装烟气旁路、调压阀、烟气挡板，在实际供热需求发生变化的时候，可以将部分换热器灵活关闭或拆装。
每条取热烟道通过换热器后，排放烟气温度不会降低很多，尽量减少了低温烟气中硫化物的产生，有效延长余热设备及管路使用寿命。
烟道表面采用硅酸铝纤维进行整体保温，保温完成后使用彩钢板包装，外表美观整齐。
4.4.3水泵房
水泵房的位置可以根据用户要求布置。
泵房采用轻型钢结构制作，尺寸10m×4m，高2.5m。
泵房布置电控柜、循环泵、补水泵、全自动软化水系统、软化水箱、集水器、分水器、排污器等。
整体布置要依据减小管路阻力，布置方便，美观大方的原则。
余热回收系统采用高温水闭式循环方式，为防止换热器和管网结垢，系统配备微机全自动软化水设备一套。
流量2t/h，软化方式为强酸性离子树脂交换。
4.4.4供热管网
热力管网根据系统热负荷、管网载荷和应力、介质对管道的腐蚀和磨损进行设计，管网布置不能妨碍砖厂生产和生活，同时兼顾美观的原则。
4.4.5电气控制系统
电气控制系统能完成对余热回收系统中换热器及辅助设备的启/停控制，正常运行状态参数的监视以及异常与事故工况的处理。
整个余热回收系统的控制逻辑在PLC中集中实现，对于特殊的工艺设备安装就地控制和远程控制两种方式。
PLC通过温度、压力、液位传感器监控换热器进出口烟气温度、系统进出口水温、系统压力、膨胀水箱液位等状态信息，对各种状态异常进行报警和连锁控制
采用工业级超大屏幕彩色触摸屏进行系统状态参数的显示及控制指令的输入。
功能画面能显示工艺流程及测量参数，控制方式、顺序运行状况、控制对象状态，也能显示成组参数。
当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，以不同颜色进行显示。
水泵电机控制模块提供完善的电动机保护和控制功能。
电机控制模块具有过载、堵转过流、欠流、欠压、缺相、不平衡等保护功能。
可实现包括起动、正反转起动、星三角起动和双速起动等方式在的控制逻辑。
5.主要设备技术参数
5.1换热器技术参数
1、换热器的材质要求和制作工艺
钢管选无缝钢管，材质为20#（国标GB3087-2008）。
翅片与钢管的焊接要求高频焊接，焊着率≥95%。
2、技术指标
热管气-水换热器（3台）
单台设备参数
烟气量
53782立方米（标况）
换热器入口烟气温度
180℃
换热器出口烟气温度
150℃
换热器换热量（KW）
580
热水水量
23t/h
冷水入口温度
70℃
热水出口温度
90℃
烟气侧阻力（Pa）
200pa
外形尺寸（m）
见设备外形图
6.经济效率分析
回收总热量：
1750KW（1504729大卡/小时）
煤炭热值按5000kcal/kg
每小时回收热量的当量烟煤重量为1504729大卡÷5000÷0.76=396公斤/小时
窑炉每年运行时间按7000小时计，煤炭价格暂按900元/吨计
每年节约燃料效益：
X=每小时节约的燃料×每年按运行小时数×燃料价格
=0.396×7000×0.09=249.48万元
保守估计一年收回全部投资。
7.工程报价
序号
设备名称
规格型号
数量
单价（万）
合计（万）
备注
1
热管换热器
3
10.9
32.7
2
烟道阀门
2
7
14
2
合计
大写：
肆拾陆万柒仟元整（46.7万）
含税含运费
8.几个问题的专题说明
8.1换热器布置空间问题
热管换热器具有体积小，结垢紧凑等优点，换热量相同的情况下，热管换热器的体积只有其他普通换热器1/3。
在保证换热效果的同时，可以通过调节换热管的排列和参数改变换热器的长宽高。
8.2.积灰和腐蚀问题
通过换热管的合理布置可以将烟气温度控制在150℃以上，保证烟气温度在露点温度以上。
通过换热器的合理布置可以将烟气流速控制在合理的围，使烟气具有自清灰效果，同时换热器加装辅助清灰装置，当有积灰产生式，可以方便的通过压缩空气进行清除。
8.3.保温、油漆、防腐和防护
余热回收设备的所有部件的金属表面均在出厂前进行净化和油漆，不锈钢及PPR管不做油漆工作。
钢结构先涂防锈底漆，采用耐风化、防腐蚀的优质油漆。
所有易被踩踏的保温有良好的防护措施。
保温外保护层采用彩色压型钢板。
9技术创新点
朗瑞公司利用热管气-水换热器对烟气余热进行利用，该技术与其他换热工艺有以下创新点：
1）热管换热器在极小的温差就可以传热，管外高频焊接螺旋翅片，换热效率高，与传统换热器相比，体积能减少1/2。
2）供热系统采用高温水闭式循环方式供热，系统热量损失小，运行平稳，易于维护。
3）项目建设周期短、投资少，投资回收期短。
据测算，项目投资一般仅需六个月就可回收。
4）符合国家“节能减排．保护环境”的产业政策。
由于是该项目是利用余热进行采暖和洗浴，省去了燃煤锅炉，减少了能源消耗和污染物的排放，符合国家产业经济发展政策，经济效益和社会效益显著。
10采暖工程部分业绩
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