高温气体冷却及余热利用方案

在袋式除尘领域，把温度高于130℃的含尘气体称为高温气体。除非工艺特殊需要，对高温气体通常应采取冷却降温措施。其目的：一是满足滤料耐温要求，延长滤料使用寿命；二是减少高温气体体积，缩小除尘设施规模；三是降低高温气体粘性，减少除尘系统阻力。高温气体冷却方式有直接空冷、间接空冷、直接水冷、间接水冷、热管等。对600℃以上的高温气体冷却，应优先考虑余热利用。

1.直接空冷

直接空冷是对高温烟气直接掺混常温或低温空气，使混合后烟气温度降至设定温度的冷却方式。这种方式简单易行，但冷却效果较差，并增加烟气体积，因而一般较少采用。在除尘系统，直接空冷通常作为防止事故性高温的补充降温措施，在除尘器入口总管设一野风旁路阀门，一旦烟气温度超过设定值，就自动快速打开旁路阀门，直接混风冷却降温。

直接混风量可用热平衡方程式计算：

或

式中 L_g——需冷却的高温气体量（m³/h）（标准）；

L_a——混入空气量（m³/h）（标准）；

t_g1、tg2——高温气体初温和终温（℃）；

C_pg1、Cpg2——高温气体在0～t_g1和0～t_g2范围内的平均摩尔定压热容[kJ/（kmol·K）]，

查表9-1由C_pg=∑r_iC_pi计算确定；

r_i——各组分的摩尔分数（%）；

t_a1、ta2——空气初温和终温（℃），t_a2=t_g2；

C_pa1、Cpa2——高温气体在0～t_a1和0～t_a2范围内的平均摩尔定压热容[kJ/（kmol·K）]。

表9-1 几种气体的平均摩尔定压热容C_p（压力：101.3kPa） （单位：kJ/（kmol·K））

工程设计中，将高、低温含尘气体直接混合，用一台袋式除尘器集中处理是常用的方法。混合气体量及混合温度可用下式计算：

式中 L_i——各混合气体量（m³/h）（标准）；

t_i——各混合气体温度（℃）；

C_pi——各混合气体平均摩尔定压热容[kJ/（kmol·K）]。

2.间接空冷

间接空冷是以空气作为冷源，通过金属界壁传热而使高温气体降温的一种冷却方式。室外高温烟管本身就是一个自然空冷换热器，只是降温效果较差。将大口径管换成小口径管，将管簇结构改成板式结构，将自然空冷变为机力空冷是提高间接空冷降温效果的有效方法，据此开发了自然对流空冷器、机力空冷器、折板式空冷器、声波清灰型空冷器等多种产品。由于这种间接空冷方式不会改变和影响烟气的成分和品质，安全可靠，因而在低温段（≤500℃）得到广泛应用。

（1）自然对流冷却器 自然对流冷却器是一种最简单的间接空冷设备，基本型式如图9-1所示。通常做成两组管簇倒U形布置，管内通高温气体，管径ϕ200～800mm，设计流速14～18m/s，管外靠自然风对流冷却，下端设集气箱兼作贮灰斗，中间设旁通管及调节阀。

间接空冷器的传热面积按下式计算：

式中 F——间接空冷器的传热面积（m²）；

Q_g——冷却气体放热量（kJ/h）；

Δt_m——冷却器对数平均温差，；

Δt₁——气体初温和空气终温之差，Δt₁=t_g1-t_a2（℃）；

Δt₂——气体终温和空气初温之差，Δt₂=t_g2-t_a1（℃）；

K——冷却器的传热系数（W/（m²·K））。

管簇式自然对流空冷器的换热性能与烟气温度、管径、管内外流速以及管内结灰程度等因素有关，受室外自然风的条件限制，传热系数偏低，工程实测值为10.5～15W/（m²·K）。冷却器体积大，耗钢量多，一般用于300℃以下的低温段冷却。

图9-1 自然对流冷却器

（2）强制吹风管式冷却器 “强制吹风”是对“自然对流”的革新，旨在增强管簇外表面的气流冲刷效应，提高传热性能。强制吹风管式冷却器选用较小的冷却管（常用ϕ108～159mm），可叉排布置，如图9-2a所示；采用多台轴流风扇并联吹送使冷风横掠管簇，平均流速为8～12m/s；通过调节轴流风扇运行台数来控制冷却器出口烟气温度。

与自然对流相比，强制吹风冷却器的传热系数可以提高40%～60%，工程实测值为16～25W/（m²·K），从而减少冷却器体积和耗钢量。但缩小管径易导致冷却管内积灰，因此必须采取有效的清灰措施。

（3）强制吹风板式冷却器 “板式”是对“管式”的改进，旨在进一步改善换能边界条件，防止壁面积尘。板式冷却器换热段采用厚3mm钼钢板（16Mo）制造，可轧成折板形，纵向走烟气，板间距约100mm，横向走空气，板间距约40mm，用拉杆定位，如图9-2b所示。薄形钼钢板受烟气流冲刷引起微振，具有自清灰功能，并借助顶部进气室所设声波清灰器的定期清灰作用，可以控制冷却器在低阻力（≤900Pa）工况下运行。冷却空气的折板通道有利于提高换热性能，与管式冷却器相比，冷却效果更加稳定可靠，维护工作量大为减少。

图9-2 强制吹风冷却器

图9-3 蒸发冷却塔

3.直接水冷

直接水冷是将水雾化喷入高温气体中，利用雾滴蒸发吸热的原理，使高温气体冷却，因此也称喷雾冷却。

喷雾冷却充分利用了水的汽化热，具有最好的冷却效果和较低的设备投资及能源消耗，但会增加烟气的含湿量，易产生粘附、腐蚀等负面效应。按冷却终温的不同，喷雾冷却分为饱和冷却和蒸发冷却两种。

饱和冷却采用大水量喷雾（液气比高达1～4kg/m³（标准状态）），高温气体在瞬间（约1s）冷却到相应的饱和温度，使干气体变成湿饱和气体，干粉尘被液滴捕集变成泥浆。其适用于湿法除尘流程。

蒸发冷却采用适量水喷雾，借助特种喷嘴使水充分雾化，使气体冷却并使粉尘凝聚。温度越高，雾滴越细，蒸发越快，效果越好。在袋式除尘系统中，必须严格控制冷却器出口气体温度高于烟气露点并留有安全余量，使气体在流经管路及除尘器进一步冷却后，仍处于未饱和过热状态，不产生结露。

图9-3为蒸发冷却塔的基本结构型式。通常高温气体从塔顶进入，下部流出，喷雾宜与气流同向，即顺喷，塔内烟气流速一般取1.5～2.0m/s。

在雾滴全部蒸发的条件下，冷却塔的有效容积按下式计算：

式中 V——冷却塔的有效容积（m³）；

Q_g——冷却气体放热量（kJ/h）；(www.xing528.com)

S——冷却塔的热容量系数，按雾化性状取622～838kJ/（m³·h·℃）；

Δt_m——冷却器对数平均温差，Δt_m=（Δt₁-Δt₂）/ln（Δt₁/Δt₂）（℃）；

Δt₁——气体初温和水温之差，Δt₁=t_g1-t_w（℃）；

Δt₂——气体终温和水温之差，Δt₂=t_g2-t_w（℃）。

冷却塔的高度应满足塔内水滴完全蒸发的要求，水滴完全蒸发所需的时间可由图9-4查得。

图9-4 水滴完全蒸发所需的时间

冷却塔的喷雾水量按下式计算：

式中 G_w——冷却塔的喷雾水量（kg/h）；

r——水在100℃时的汽化热，其值为2257kJ/kg；

c_w——水的质量热容，其值为4.18kJ/（kg·K）；

c_v——水蒸气在t_g2℃时的质量热容（（kJ/（kg·K））；

t_w——喷雾水温（℃）。

喷雾冷却塔设计的关键是喷嘴的结构型式及其雾化性能，基本要求是雾滴细小均匀，喷孔不易堵塞，喷雾量容易调节。喷嘴结构型式经历了从单相高压水喷嘴、带回流管压力喷嘴到双相雾化喷嘴的发展过程。其中双相雾化喷嘴更为合理、可靠，因而在近期工程实践中得到更为广泛的应用。

Flomax气体雾化喷嘴是性能优良的双相喷嘴，采用独特的靶钉、导气环和喷孔的三级二次雾化结构，具有以下特点：

1）用压力0.2～0.5MPa的气体（氮气、空气或蒸汽）和常压水通过二相流体喷嘴实现微细雾化，雾滴直径50～300μm，最细≤40μm，约在1s内即可完全汽化蒸发；

2）喷雾覆盖范围大，有效直径可达1～3.8m，长度4～12m，雾滴分布均匀，与烟气的传热和传质充分；

3）采用大口径喷孔（ϕ6～10mm），在停运时辅以值班喷气措施，因而不易结垢堵塞。同时，也降低了对喷雾水质的要求，采用一般工业水即可；

4）具有最大的喷雾调节比（10%～100%），在入口气体温度大幅度波动的工况条件下，也可快速响应，从而严格控制出口烟气温度，确保袋式除尘器干态运行；

5）喷雾水量最小，烟气增量最少，流体阻力最低，因而节能效益最高。

图9-5为双相喷嘴基本型式及其雾化性能。

图9-5 双相喷嘴基本型式及其雾化性能

当降温幅度不大时，可直接在除尘器入口前直管内布置少量雾化喷嘴。

直接喷雾除了具有良好的冷却降温效果外，还可以促使粉尘凝聚沉降，具有初除尘作用。喷雾冷却的急冷性能还可以防止或抑制二噁英等有害气体的再生。喷雾冷却的增湿性能可以调节粉尘的电阻率，提高静电除尘效率。

4.间接水冷

间接水冷是以水作为冷源，通过金属界壁传热而使气体降温的一种冷却方式。水冷装置既是热设备及材料的保护体，又是热介质的冷却器。与空冷装置相比，水冷装置的换热性能良好，布置紧凑，耗钢量少，结构型式多种多样，应用领域十分广泛。对于高温气体，最常用的间接水冷装置有水膜冷却管、水冷套管、水冷密排管、壳管式冷却器等型式。

水冷装置的冷却面积可用式（9-4）计算。式中，Δt_m为烟气与水的对数平均温差。K为水冷装置传热系数，与气体温度、流速、装置的几何尺寸等因素有关，参考同类工程实测数据，可取30～60W/（m²·K）。

（1）水膜冷却管 水膜冷却管是一种最简易的冷却装置，将水直接喷淋在烟管外壁形成水膜，靠管壁传热和部分水蒸发吸热使气体冷却，如图9-6所示。水膜冷却管传热性能较好，但均匀性较差，烟管容易腐蚀。

图9-6 水膜冷却管

（2）水冷套管 水冷套管由两个同心的圆管组合成，如图9-7所示。内管走烟气，气体流速20～30m/s，夹套走水，套厚50～80mm，内设导流环，水流速度0.5～1.0m/s。水冷套管分节设置，每节3～5m，冷却水温升为15～20℃，最高回水温度50℃，应严防局部高温甚至汽化。水冷套管存在水路分布不均、水流不畅、局部容易过热、焊缝渗水以及夹套结垢难以清理等问题。

图9-7 水冷套管

（3）水冷密排管 水冷密排管是专为弥补夹套管的缺陷而开发的一种水冷装置，如图9-8所示。水冷密排管常用ϕ50～89mm的无缝钢管做成密排管屏作为高温烟管界壁，大量减少了水套焊缝，改善了水流分布及传热性能。气体流速25～40m/s，管内冷却水流速为1.2～1.8m/s，是高温气体降温设计中广泛应用的一种水冷装置。

（4）壳管式冷却器 壳管式冷却器不同于上述三种管路分散布置的水冷装置，是一种适于集中布置的水冷装置，如图9-9所示。在一个大筒体内按正方形或等边三角形布置平行管束，管内走烟气，管间走水。烟管直径ϕ60～90mm，管中心距（1.3～1.5）倍管径，管内烟气流速12～18m/s，冷却水温升10～15℃。壳管式冷却器结构紧凑，占地和空间小，应用十分广泛，但焊缝开裂渗水、烟管堵塞的问题也同样存在，不宜用于高含尘浓度气体的冷却。

图9-8 水冷密排管

图9-9 壳管式冷却器

5.热管换热

热管是一种新颖的高效换热元件，如图9-10所示。它将一束封闭管束抽成真空，内灌入传热工质，利用蒸发段（热端）的吸热蒸发效应，冷却高温气体，同时利用冷凝段（冷端）的放热冷凝效应，加热软水汽化蒸发。热管换热具有以下特点：

1）利用相变换热原理，导热率是金属银的数百倍，有热超导体之称，加上热管表面的翅片化，因此传热效率高，启动速度快；

2）热管换热由二次间壁换热构成，通过调节两段换热面积，有效控制壁面温度，防止低温结露，不易腐蚀、泄漏，运行安全可靠；

3）借助软水蒸发冷却，大大节省了循环冷却水，降低了运行能耗，高温气体余热直接变成蒸汽被回收利用；

4）热管换热器结构紧凑、占地小、重量轻、寿命长。

热管换热装置已在我国烧结烟气、余热回收、炼钢电炉内排烟除尘等工程中得到成功应用。

图9-10 热管换热器基本结构和原理