论文总字数：13796字

摘 要

复合相变换热器是一种新型换热器。它广泛应用于大多数需要温度变化的工业场景中，比如：工业窑炉、燃气锅炉、燃煤、冶金、燃油、石化等。它主要解决的问题是锅炉的排烟温度。多数情况下，排烟温度难以降低，而复合相变换热器可以在中低温热源的条件下实现降低排烟温度。电厂脱硫烟气携带有大量水蒸气。烟气温度很高，当烟气被排放到室外与空气接触的时候，烟气迅速降温，近乎于饱和蒸汽的烟气中的水蒸气由于温度突然降低，大量冷凝成小液滴，形成白烟。为了环境保护和美观，在烟气排出之前安装复合相变换热器，提前降低烟气温度，使水蒸气提前冷凝，从而达到消除白烟的目的。依照国家标准设计出适合该电厂的复合相变换热器装置，并分析该方案的环保价值，绘制出设备总装图、工艺流程图等图纸。

关键词：复合相变换热器 烟气消白 热电厂

Design of the heat exchanger for eliminating the white of the desulfurized flue gas in power plant

Abstract

Composite phase change heat exchanger is a new type of heat exchanger. It is widely used in most industrial scenarios requiring temperature change, such as: industrial furnaces, gas boilers, coal, metallurgy, oil, petrochemical, etc. The main problem it solves is the exhaust gas temperature of the boiler. In most cases, it is difficult to reduce the exhaust gas temperature, and the composite phase change heat exchanger can reduce the exhaust gas temperature under the condition of medium and low temperature heat source. There is a large amount of water vapor in FGD flue gas of power plant. The temperature of flue gas is very high. When the flue gas is discharged to the outdoor and contacted with the air, the flue gas will cool down rapidly. The water vapor in the flue gas which is close to the saturated steam will condense into small droplets and form white smoke due to the sudden decrease of temperature. In order to protect and beautify the environment, a compound phase change heat exchanger is installed before the flue gas is discharged to reduce the flue gas temperature in advance and make the water vapor condense in advance, so as to eliminate the white smoke. According to the national standard, the compound phase change heat exchanger device suitable for the power plant is designed, the environmental protection value of the scheme is analyzed, and the general assembly drawing, process flow chart and other drawings of the equipment are drawn.

Key words:Composite phase change heat exchanger;Smoke whitening;thermal power plan

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1课题研究背景

现如今，在我国火电发电中占据主要位置的，仍是大型燃煤火电机组。但是，这些机组许多都存在污染物排放过高、环保效能差等问题。国家要求火电发电机组节能、环保、高效。显然，如今的发电机组达不到国家的期望。各电厂在最近几年把努力挖掘环保的潜能、尽力提高机组的运行效率当成最重要的目标，以响应国家保护环境的号召。

在锅炉近百年的发展历史中，作为人类的主要发电设备，人们不断地提高它的效率，而如今，它的效率几乎达到了实际应用的最高点。尽管我们可以通过降低锅炉的排烟温度来实现提高锅炉的经济性，并同时降低燃料的消耗。但是如果温度过低，锅炉烟道尾部多半会由于温度过低，产生低温腐蚀，使整个设备寿命降低，增加工艺过程中的危险系数。造成低温腐蚀的原因主要是受热面温度和酸露点。温度降低到酸露点以下时，受热面才会产生低温腐蚀。从而影响整个设备的运行，为整个工厂带来危险。

1.1.2复合相变换热器研究意义

诸如天然气和煤这样工业上的含硫燃料在燃烧的时候会产生大量硫氧化合物，这些硫氧化合物与空气中的水蒸气结合就会产生硫酸蒸汽。如果换热器壁面温度过低，低于硫酸蒸汽的酸露点就会使硫酸蒸汽在换热器表面液化成硫酸。长此以往，换热器就会因为灰堵和酸露腐蚀而影响换热器的寿命。曾经的锅炉设计大多采用提高排烟温度的方法来缓解这种现象，但是提高排烟温度会导致锅炉热效率降低，浪费能源。尽管提高了排烟温度，换热器往往在使用一两年后还是会出现酸露腐蚀，这个问题无法得到根本性的解决。

在防止低温腐蚀使设备安全运行的条件下，复合相变换热器可以使烟气中的水蒸气提前冷凝，从而消除排放的废气中的白烟的一种新式技术。此技术能够在传输热量的方面利用相变潜热的优势，可以自由配置换热器的各个部件，不但可以充分发挥相变传热的高效性，还能规避掉低温腐蚀。如此可以将出口处的烟气温度与换热器的壁面温度之间的温度差控制在一个非常小的范围以内。出口的烟气产生白烟的可能性大大降低，可以完美的完成环保的目标。

1.1.3复合相变换热器的优点

首先，复合相变换热器大幅度降低了锅炉的排烟温度。它完美地解决了壁面温度和排烟温度相差过大会导致换热器寿命降低的问题，大幅度降低了工业锅炉和电站锅炉的排烟温度，有效地提高了热效率，减少了燃料消耗。也相应的减少了二氧化碳和二氧化硫的排放，产生了大量的环保价值。

其次，复合相变换热器的最低壁面温度是可以调控的。并且它可以根据工艺流程的要求灵活地调整水的流量，以控制壁面温度达到工艺要求。

再次，复合相变换热器可以大幅度降低后期维修和检修的成本，减少检修时的停机损失。它可以使受热面的温度一直维持在较高的水平，远远高于酸露点，使酸露腐蚀的影响降到最低。

最后，复合相变换热器的使用寿命相较于其他换热器大大延长。它不会像普通换热器那样在使用过一段时间之后，由于设备老化，有一些气体变成了不凝气体，然后整个换热器慢慢地就失效了。同时，热管换热器在传热方面的高效也是复合相变换热器的优点之一。

1.1.4复合相变换热器与热管技术的不同

热管通过在高度真空状态下的管内介质从加热段吸收热量，使介质蒸发成蒸汽。蒸汽通过管道来到冷凝段，在冷凝段放热，实现高效传热和控制温度。

因为管内介质在相变的过程中进行传热，所以会出现不凝性气体。由于介质反应产生的不凝性气体降低了工作效率，所以热管会在使用几年之后难以满足工艺需求。不凝性气体会因为热管和工质内的杂质在高温下发生化学反应和微溶气体析出产生。

复合相变换热器中为了使受热面的最低温度只有非常小的温度降低，它用整体热管代替热管换热器中单独的热管。通过控制相变处的温度来对壁面上最低的温度进行闭环控制，将温度控制恒定，或者调高调低。

1.2本文的研究内容和主要工作

本文结合换热器的研究和应用现状，根据热电厂消白复合相变换热器工艺参数，设计满足该工段超低排放工艺要求的复合相变换热器。主要内容包括以下几个方面：

结合机组的现状，比较不同形式的换热设备，充分考虑烟气消白的建设条件，选定复合相变换热器作为本课题的研究对象，利用改造方案进行有针对性的研究，研究其对于火力发电厂系统、锅炉系统、节能减排方面的影响。

结合本课题的工艺参数，通过比较不同形式的复合相变换热器，对换热器部分进行计算（换热性能、阻力、尺寸大小），并根据换热器使用环境提出了换热器所使用的材质，同时提出了换热器布置方案。

对项目实施后，所能达到预期的技术目标和最终要实现的环保进行分析。

第二章 复合相变换热器设计

2.1设计参数

2.2复合相变换热器原理

复合相变换热器的密闭系统内有饱和水和饱和蒸汽自然循环，汽水分离装置将上换热器和下换热器互相联通。蒸发段的换热器在下部，它吸收高温烟气中的热量使内部的液体发生相变，汽化成蒸汽。蒸汽通过管道进入汽包后，汽包中进行汽液分离。接下来蒸汽进入冷凝段的换热器，蒸汽在这里放热液化成液体，进行相变。液化后的液体经过管道回到蒸发段的换热器，重新从高温烟气中吸热，进行下一次的循环。在这个过程中，通过控制管道内水的流量，来控制汽包中水的温度和饱和压力。以此来实现控制壁面温度的目的。

2.3复合相变换热器结构设计

2.4复合相变换热器传热设计计算

2.4.1热负荷计算

烟气侧热负荷：

Qg=CpgGg(Tg1-Tg2)=1.007×377.92×(127-90)=14080.92kW

式中：Cpg=1.007kJ/(kg·℃)为烟气在平均温度108.5℃下的比热容。

水侧热负荷：（考虑整体热损失4％）

Qw=CpwGw(Tw1-Tw2)=4.1868×81.11×(90-50)=13583.65kW

式中：Cpw=4.1868kJ/(kg·℃)为水在平均温度70℃下的比热容。

2.4.2 H型翅片管选型

基管直径Φ38×5mm，基管材质20# ND钢，翅片节距：21mm，翅片中缝距离5mm,翅片外形尺寸181×97/2（高×宽/厚）,双管型，横线管间距：120mm。纵向管间距：100mm。翅片与基管之间的融合角为Φ=120℃

2.4.3迎风面积和迎风风速

一个翅片节距内迎风面积：

Fo=5mm×120 mm=600mm2

一个翅片节距内最小流通面积：

Fmin=（21mm×120 mm）－（97mm－38mm）×3－38m m×21mm=1545mm2

最窄流通面上的质量流速：

φ1=10m/s×0.589 kg/m3=5.89 kg /(m2·s)

其中10m/s为最大烟气流速，0.589kg/m3为平均温度下的烟气密度。

迎风面上的烟气质量流速:

φ==2.760 kg /(m2·s)

迎风面上的烟气流速：

Vg=φ/ρ=2.760/0.589=4.686m/s

所需迎风面积：

F=Gg/φ=188.96/2.760=34.23 m2

选取管束：

L=6.92m=3360mm

所需管束宽度：

34.23m2/3.36=1.19m

横向管排数：

3360/120=28排

2.4.4管外换热系数计算h

目前尚未有顺列H型翅片管管外换热的实验关联式，所以可以用顺排方形翅片管束的相关公式进行计算。根据文献[15]的推荐。

顺排方形翅片管束的管束的管外换热系数为：

式中：

d=38mm，为基管外径

s=21mm,为翅片节距

H=（97－38）/2=29.5mm为翅片高度

W为最窄截面上的烟气流速，W=10 m/s

ν为烟气在平均温度下的运动粘度，ν=21.9×10-6m2/s

λ为烟气在平均温度下的导热系数：λ=3.21×10-2W/( m·℃)

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