高温烟气余热回收系统：原理与优势

1.烟气余热利用系统

冶金、机械、石油化工、纺织等主要工业部门所用工业炉的烟气余热利用系统，基本有以下三种：

（1）第一余热回收系统 这个系统主要是指主烟道同时安装换热器和余热锅炉的余热回收系统，如图4-1所示。

图4-1 第一余热回收系统

1—炉子 2—主烟道 3—换热器 4—转炉闸门 5—余热锅炉 6—排烟机前多叶阀 7—排烟机

第一余热回收系统有以下特点：

1）优先预热空气，节省优质燃料。

2）充分回收烟气余热，排烟温度能降低到250℃以下。

3）由于没有设置辅助烟道，节省了基建投资，但是换热器和余热锅炉必须在炉子大、中修时才能检修。

此系统常用在排烟温度较高，烟气量又大的大、中型燃煤气或重油的加热炉上。

（2）第二余热回收系统 这个系统只在工业炉的主烟道上或加热炉顶（上排烟）安装换热器，如图4-2所示。

第二余热回收系统有以下特点：

1）预热空气，节省优质燃料。

2）系统简单，基建投资少。

3）换热器需要在工业炉大修、中修时进行检修。

图4-2 第二余热回收系统

1—炉子 2—主烟道 3—换热器 4—转炉闸门 5—烟囱

此系统适用于烟气热含量不大的燃煤气或重油的加热炉或热处理炉上。

（3）第三余热回收系统 这个系统只在工业炉的主烟道上或炉顶（上排烟）安装锅炉，如图4-3所示。第三余热回收系统有以下特点：

1）烟气经余热锅炉后由排烟机排入大气，系统简单，基建投资少。

2）可以充分地回收烟气余热。

3）由于没有设置辅助烟道，余热锅炉需要在工业炉大、中修时进行检修。此系统适用于燃煤加热炉和热处理炉。

图4-3 第三余热回收系统

1—炉子 2—主烟道 3—余热锅炉 4—多叶阀 5—排烟机

上述三个系统，可以根据工业炉产量大小、排烟温度和炉用燃料的种类，进行合理安排。

2.高温烟气的余热利用

高温烟气余热是指燃料燃烧后生成的烟气所携带的物理显热，高温烟气余热可根据单位时间内燃料的消耗量、单位燃料的烟气生成量及烟气温度和比热容来进行计算，公式如下：

Q_y=B_yV_yT_yC_y

式中，Q_y为烟气余热量（kJ/h）；B_y为单位时间内燃料平均消耗量（kg/h或m³/h）；T_y为烟气的平均温度（℃）；V_y为不同燃料及空气过剩系数在标准状态下的烟气体积（m³/kg或m³/m³）；C_y为当温度为t_y标准状态下，烟气平均比热容[kJ/（m³·℃）]。(www.xing528.com)

煤炭燃烧产生的烟气量见表4-6；气体燃料燃烧所产生的烟气量见表4-7；液体燃料燃烧所产生的烟气量见表4-8；烟气平均比热容见表4-9。

表4-6 煤炭燃烧产生的烟气量

注：Q_net，ar——煤炭燃烧低位发热量；V₀——标准状态下理论空气量；V_y——标准状态下烟气量。

表4-7 气体燃料燃烧所产生烟气量

注：1.Q_net，ar——气体燃料低位发热量，具体如下：

天然气：≈8500×4.19kJ/m³，液化石油气：≈10000×4.19kJ/m³，高炉煤气：（900～1000）×4.19kJ/m³，发生炉煤气：（1100～2500）×4.19kJ/m³，混含煤气：（1300～3500）×4.19kJ/m³，炼焦煤气：～4000×4.19kJ/m³。

2.气体燃料燃烧的空气过剩系数α值约为1.02～1.20。

3.V₀——理论空气量。

表4-8 液体燃料燃烧所产生的烟气量

注：1.液体燃料低位发热量Q_nct，ar：重油（9400～9800）×4.19kJ/kg，焦油（7000～9000）×4.19kJ/kg，原油（9800～10500）×4.19kJ/kg。

2.液体燃料燃烧的过剩空气系数α值约为1.1～1.3之间。

表4-9 标准状态下烟气平均比热容

当工业窑炉的排烟温度数值确定以后，应视烟气的性质、用途而定余热利用方案，如果排烟温度太低，余热就不好利用或利用起来不经济。如对各种冶金炉、加热炉余热利用后的排烟温度一般应为200～250℃。

可回收利用的烟气余热计算公式如下：

式中，Q^y_y为可回收利用的烟气余热（kJ/h）；T_y为烟气的平均温度（℃）；T_p为余热利用后的排烟温度（℃）；Q_y为烟气余热量（kJ/h）。

冷却介质的余热量，如工业上常用水作为冷却介质，废气废水余热量均可按高温烟气余热量的计算方法。

【案例4-4】 据统计，约有80%以上在用快装锅炉未装设烟气余热回收装置或烟气余热回收不合理，导致快装锅炉排烟温度高，如导热油锅炉排烟温度高达330℃。排烟温度每上升10℃，锅炉热效率下降0.5%。

1）从长期检验实践中发现，蒸发量为4t/h（含4t/h）以上的部分快装锅炉装设了可分式铸铁省煤器，而蒸发量为4t/h以下快装锅炉基本未装设可分式铸铁省煤器，不仅造成能源浪费，而且还加剧大气层温室效应，污染环境。如果在快装锅炉尾部烟道上装设可分式铸铁省煤器，利用排烟余热来提高给水的温度，减少排烟损失。一般地说，省煤器出口水温升高1℃，锅炉排烟温度降低2～3℃，给水温度升高6～7℃，省煤1%。

2）可分式铸铁省煤器在使用中突显四方面缺点：快装锅炉烟气中飞灰颗粒对可分式铸铁省煤器管容易产生磨损；烟气中含有硫化物等腐蚀性介质在达到露点时，会对可分式铸铁省煤器管造成严重腐蚀；烟气中的灰尘对可分式铸铁省煤器容易造成堵塞，严重影响热交换效果；检修工作量大，使用寿命短，且投入的总体费用高，所以使用单位不愿安装也不愿使用。

3）快装锅炉烟气余热高效回收装置结构如图4-4所示。该回收装置能够有效地把快装锅炉排烟温度降至150℃，而不容易产生积灰堵塞、不容易产生烟气低温腐蚀等不良缺陷。

4）烟气余热高效回收装置各部件作用。

①折流墙作用主要是用于增大高温烟气热交换流程，增长冷热两种介质之间的热交换时间，使高温烟气在回收装置内进行充分热交换；其次是让颗粒度较大的烟灰在流动过程中碰撞到折流墙后，沿着折流墙壁沉降至底部聚灰室，通过聚灰室出口排出，减少烟尘排放量。

图4-4 热管式省煤器

②外螺纹热管作用与特点：a.外螺纹热管作用。图4-4所示的外螺纹热管。虽然外螺纹热管传热系数较波纹管低，但其加工成型较波纹管简单，外螺纹可以用车销光管外壁加工成外螺纹状。外螺纹热管传热系数比光管提高32.2%。当流体流经螺纹热管外壁时，受管外壁螺旋凹形槽的引导，靠近壁面部分流体顺着槽旋转，另一部分流体顺着壁面沿着轴向运动，也会产生一个纵向涡流且方向始终垂直于层流流动方向，使层流层受扰而变成湍流状态，热阻变小，提高了传热速率，起到了强化传热的作用。b.外螺纹热管特点。它由加热段、绝热段、冷却段组成，在热管内部进行两相传热。可以在很小的温差下，传输大量的热量，其导热比导热性能良好的铜高出几十倍甚至上百倍；热管的加热段和冷却段的面积可以人为地调节，管壁温度也可相应得到调节，因此具有较强的抗露点腐蚀能力；此外，即使一支或几支热管腐蚀发生泄漏了，也不会造成冷热两种流体介质的掺混；由于冷热两种流体介质的换热全为热管外部换热，表面上的积灰比较容易清洗。c.聚灰室作用。聚灰室主要是对烟气进行扩容缓冲，用来收集沉降下来的烟灰，通过出口排出，降低烟灰排放量，减少环境污染。

本例中YLW-2900-MWⅡ型的导热油锅炉引风量15500m³/h，在无装设排烟余热回收设备时排烟温度为330℃，经改造后装设了烟气余热高效回收装置时，排烟温度降至150℃，取得了很好的节能效果。