熱管余熱鍋爐在低溫發(fā)電中的應(yīng)用

1、熱管余熱鍋爐在低溫發(fā)電中的應(yīng)用發(fā)布人：xilu222 發(fā)布時(shí)間：2006-5-29 15:44:11 瀏覽次數(shù)：301 【關(guān)鍵詞】鍋爐【摘要】隨著窯外分解技術(shù)的出現(xiàn),水泥生產(chǎn)的單機(jī)產(chǎn)量大幅度提高,熱耗下降。但其燒成系統(tǒng)的排煙熱損失仍占其熱耗的40%左右。目前,歐美、日本對(duì)SP/NSP窯低溫發(fā)電的研究早已達(dá)到了實(shí)用化程度,而我國(guó)在這方面的研究則剛剛起步。本文將對(duì)低溫發(fā)電所用余熱鍋爐的選擇做一探討。低溫發(fā)電用鍋爐有三類:立式余熱鍋爐、臥式余熱鍋爐、熱管余熱鍋爐。前兩種鍋爐為常規(guī)的余熱鍋爐,這里重點(diǎn)介紹熱管余熱鍋爐(如圖1所示)。 圖1 熱管余熱鍋爐1 用于我國(guó)低溫發(fā)電的熱管余熱鍋爐 在“八五”科技

2、攻關(guān)“85-518-01”低溫余熱發(fā)電課題中,我們所采用的熱管余熱鍋爐與上述幾種余熱鍋爐又有所不同。為了更多地利用廢氣低溫的能量,在熱力系統(tǒng)中,采用了兩相流螺桿膨脹機(jī)發(fā)電(詳見圖2)。由熱管余熱鍋爐產(chǎn)生2.7MPa,228的水及水蒸汽(80%熱水,20%水蒸汽)引入螺桿膨脹機(jī)膨脹作功,推動(dòng)螺桿機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。出螺桿機(jī)的汽水壓力為0.45MPa,經(jīng)擴(kuò)容分離器分離出的水送回鍋爐,蒸汽引入汽輪機(jī)發(fā)電。出鍋爐煙氣溫度140以下。圖2 低溫發(fā)電熱力系統(tǒng)流程圖 1.窯尾預(yù)熱分解系統(tǒng);2.熱管余熱鍋爐;3.螺桿膨脹機(jī); 4.擴(kuò)容分離器;5.汽輪機(jī);6.冷凝器;7、8.水泵1.1 熱管的結(jié)構(gòu)與原理 熱管結(jié)構(gòu)如

3、圖3所示。由管殼、封頭、吸液芯、工質(zhì)等組成。管內(nèi)有工質(zhì),工質(zhì)被吸附在多孔的毛細(xì)吸液芯內(nèi),一般為氣、液兩相共存,并處于飽和狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于某一個(gè)環(huán)境溫度,管內(nèi)有一個(gè)與之相應(yīng)的飽和蒸汽壓力。熱管與外部熱源(T1)相接觸的一端,稱為蒸發(fā)段;與被加熱體(T2)相接觸的一端,稱為冷凝段。熱管從外部熱源吸熱,蒸發(fā)段吸液芯中工質(zhì)蒸發(fā),局部空間的蒸汽壓力升高,管子兩端形成壓差,蒸汽在壓差作用下被驅(qū)送到冷凝段,其熱量通過熱管表面?zhèn)鬏斀o被熱體,熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝后又返回蒸發(fā)段,形成一個(gè)閉式循環(huán),包括三個(gè)過程: 蒸發(fā)段液相工質(zhì)吸熱蒸發(fā); 被蒸發(fā)的工質(zhì)在冷凝段放熱冷凝; 冷凝的工質(zhì)又返回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。 圖3 熱管結(jié)構(gòu)示意圖

4、 因熱管的熱力循環(huán)是在一個(gè)封閉的管內(nèi)實(shí)現(xiàn)的,對(duì)外界環(huán)境而言,熱管自高溫?zé)嵩刺幬諢崃?在低溫段放出熱量。熱管僅是熱量傳輸?shù)墓ぞ?工質(zhì)則是熱量傳輸?shù)妮d體,驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力是管兩端的溫差。 1.2 熱管余熱鍋爐的特點(diǎn) 熱管具有很大的熱導(dǎo),它具有在小溫差下傳遞很大熱流的特性。我們?cè)诘蜏匕l(fā)電系統(tǒng)中采用熱管余熱鍋爐做低溫余熱發(fā)電的熱量回收裝置,正是充分利用了熱管的這一特點(diǎn),在溫差較小的情況下,回收到更多的熱量。美國(guó)休斯飛機(jī)公司對(duì)熱管換熱器和其它類型的換熱器進(jìn)行了比較和評(píng)定(結(jié)果見附表)。從表中看出,只有板翅式換熱器的綜合指標(biāo)比較接近熱管換熱器(表中括號(hào)中的數(shù)字表示品質(zhì)因素,最好是5,最差是0

5、)。 各種換熱器的比較表 類型壓降傳熱系數(shù)維修價(jià)格輔助動(dòng)力交叉污染傳熱面積/面積體積總計(jì)蓄熱式中(3)高(4)高(2)高(2)有(0)有(0)高(4)15管殼式高(2)高(4)中(3)中(3)無(wú)(5)無(wú)(5)低(2)24輔助流體式低(4)低(2)高(2)高(2)有(0)無(wú)(5)中(3)18板翅式低(4)中(3)中(3)高(2)無(wú)(5)無(wú)(5)很高(5)27熱管式低(4)高(4)很低(5)中(3)無(wú)(5)無(wú)(5)高(4)30而流體通過板翅式換熱器的壓降卻比熱管換熱器高24倍,顯然,如將其做為回收窯尾廢氣余熱的裝置,將大大增加風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗。 常規(guī)水管鍋爐水的汽化在水管內(nèi)進(jìn)行,水管內(nèi)水沸騰容易產(chǎn)生

6、傳熱不穩(wěn)定現(xiàn)象,熱管余熱鍋爐水的汽化是在管外汽包內(nèi)沸騰。常規(guī)鍋爐只能靠水管內(nèi)表面對(duì)水傳熱,而熱管可加肋片或翅片,傳熱面積則遠(yuǎn)大于水管,熱管余熱鍋爐的換熱元件為單個(gè)的獨(dú)立熱管,其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有個(gè)別熱管發(fā)生損壞,不影響整個(gè)鍋爐的運(yùn)行,維修方便。 2 熱管余熱鍋爐的試驗(yàn)內(nèi)容 2.1 熱管余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的試驗(yàn) 1990年6月,我們?cè)谀暇┗W(xué)院熱管中心的試驗(yàn)臺(tái)上,進(jìn)行了套管式熱管余熱鍋爐模擬試驗(yàn),其目的在于驗(yàn)證在400450條件下,熱管余熱鍋爐能否產(chǎn)生14kg/cm2壓力的蒸汽。通過試驗(yàn)測(cè)得: 總傳熱系數(shù):k=104.3±20.6 熱側(cè)換熱系數(shù):h200W/m· 蒸汽發(fā)生量:計(jì)

7、算值:57kg/h 實(shí)驗(yàn)值:54kg/h 結(jié)果表明:煙氣在450左右,該鍋爐的蒸汽過熱到340時(shí),能夠穩(wěn)定產(chǎn)生14kg的蒸汽。這種結(jié)構(gòu)的鍋爐具有傳熱系數(shù)大,流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn),證明帶翅片套管式結(jié)構(gòu)的熱管余熱鍋爐在工業(yè)應(yīng)用上是可行的。 2.2 熱管余熱鍋爐產(chǎn)生汽水兩相流的試驗(yàn) 本試驗(yàn)用鍋爐安裝于中國(guó)建材院的低溫發(fā)電試驗(yàn)室,目的是驗(yàn)證鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù),換熱能力及阻力降。以使工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)更加技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。 熱模試驗(yàn)工藝流程中,燃油熱風(fēng)爐產(chǎn)生300500熱煙氣。進(jìn)入熱管余熱鍋爐(G=500kg/h,Pg=0.8MPa),產(chǎn)生干度(x=01)可調(diào)的汽水兩相工質(zhì),經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入5kW的螺桿

8、膨脹機(jī)中,出螺桿機(jī)的兩相工質(zhì)經(jīng)汽水分離器分離后,熱水返回水箱循環(huán)使用,蒸汽進(jìn)入換熱器冷凝,凝結(jié)水匯入水箱,再送回鍋爐。 此次熱管鍋爐的汽水兩相試驗(yàn)所用熱管鍋爐,由南京熱管中心設(shè)計(jì)制造。 (1)熱管鍋爐的傳熱計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果 由于鍋爐入口煙氣溫度較低,一般350450,預(yù)熱段側(cè)溫度更低,其傳熱過程與常規(guī)鍋爐的省煤器式預(yù)熱器相同。設(shè)計(jì)試驗(yàn)用熱管余熱鍋爐時(shí),對(duì)于橫向沖刷圓型肋片錯(cuò)列布置管束的擴(kuò)展表面的放熱系數(shù),采用下式計(jì)算: (1) 實(shí)際應(yīng)用中,鍋爐管的傳熱系數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算。 Q1=AT (2) 式中: 經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù),W/m2· A換熱面積,m2; T煙氣平均傳熱溫差,; Q1傳熱量

9、,kJ/h。 Q1=G1(h-h)+G2(h-h1) (3) G1、G2可以通過計(jì)量表直接讀取,而h1、h、h可以通過測(cè)定汽包壓力及溫度后查表得到。 鍋爐管束的傳熱系數(shù)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見圖4、圖5。 從圖4中可以看出,設(shè)計(jì)計(jì)算的傳熱系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。 圖4 風(fēng)速與傳熱系數(shù)的關(guān)系 不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)試驗(yàn)值； 0不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)理論值（圖5同）圖5 溫差與傳熱系數(shù)的關(guān)系 傳熱系數(shù)可由經(jīng)驗(yàn)式=k計(jì)算而得,其中k=5.45.7,當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)取高值,當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)取低值。 (2)熱管余熱鍋爐的阻力計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果 鍋爐煙氣阻力降的大小與煙氣的流速、鍋爐管束結(jié)構(gòu)和布置方式有關(guān),對(duì)于采用加翅片強(qiáng)化

10、傳熱面積,錯(cuò)列布置的管束,采用下列公式計(jì)算: 從圖6中可以看出,阻力降的理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果也基本吻合。 圖6 風(fēng)速與阻力的關(guān)系 p理論阻力降;p試驗(yàn)阻力降 (1)從圖4可以看出,試驗(yàn)所得傳熱系數(shù)比理論設(shè)計(jì)值大。原因之一是試驗(yàn)風(fēng)速為1012m/s,而設(shè)計(jì)工況為911m/s;原因之二是加灰時(shí)間短,對(duì)熱交換器表面污染影響很小。 (2)從圖6中可以看出,試驗(yàn)結(jié)果顯示鍋爐阻力降比理論計(jì)算設(shè)計(jì)值略低,而且風(fēng)速越低,偏差越大。其原因?yàn)槔碚撚?jì)算設(shè)計(jì)值考慮了余熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況中煙氣含有大量灰塵,長(zhǎng)期使用不可避免會(huì)引起少量積灰,使實(shí)際斷面風(fēng)速有所提高,導(dǎo)致了阻力增大的可能。而試驗(yàn)中雖然也進(jìn)行了加灰試驗(yàn),但運(yùn)行時(shí)間短,無(wú)法產(chǎn)生“積灰”現(xiàn)象,故其試驗(yàn)阻力要低。