含硫含尘烟气的换热方案设计

1、确定露点温度

当原料中含有S且在高温下燃烧时，会产生SO2，少量SO2与O2反应形成SO3，根据烟气中SO3和水分含量的不同，露点温度也不相同。SO3含量越高，露点越高；水分含量越高，露点越高。对一含硫烟气进行余热回收，首先要确定其露点温度。当我们知道了气相中S03和H20的含量，将其换算成气相分压，就可以通过露点温度图或由霍夫露点计算式得出露点温度。换热器设计时要求换热管管壁的温度要高于露点20 ℃～30 ℃，从而有效防止换热元件的低温露点腐蚀和积灰。

2、换热元件的选择

对于含硫烟气的余热回收一般情况下应选择热管换热器，热管换热器的换热元件是热管。在余热回收领域热管换热器比较常规间壁式换热器有两大优势：

a）壁温可调；

b）冷热侧均可缠绕翅片扩展受热面。

烟气的余热回收以提高经济效益为目的，而热管换热器中热管的价值占换热设备总造价的比值达75%～85%，因此选择一种造价低廉、运行平稳的热管在余热回收换热器的设计中意义重大。热管种类很多，在烟气余热回收中通常采用钢水重力热管，碳钢水重力热管结构简单、制作方便，所用工作液体水无毒无味，汽化潜热大，黏度低，传热性能稳定，工作温度较宽，30 ℃～250 ℃。因此在基本解决了碳钢水的相溶性问题后，逐渐成为烟气余热回收中的选择。

3、壁温的调整

存在露点腐蚀的情况下，设备材质无论采用碳钢还是不锈钢，使用寿命一般不超过1 a。如果烟气含尘较多，管壁温度又低于露点，设备通常是因积灰堵塞换热面而失效。因此将管壁温度提高至露点以上是热管换热器换热是否成功的关键。

当不考虑热损的情况下，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，则换热量Qx为：

Qx=UhAh（th-tv）=UcAc（tv-tc），（1）

式（1）中，Qx为换热量W；Uh、Uc为热侧和冷侧的传热系数；Ah、Ac为热侧和冷侧的传热面积m2；th、tc为热侧和冷侧的流体温度℃；tv为热管内部工质的蒸汽温度℃。

由式（1）可以看出通过调整Uh、Ah和Uc、Ac的值，可使热管的蒸汽温度tv接近热流体或远离热流体温度。由于热管的管壁温度接近管内蒸汽温度，所以可用调整U、A值的办法来控制热管管壁温度。

烟气和空气换热时，由于气体的换热系数很接近，一般是通过调整热管冷热侧比例，翅片高度和螺距来调整管壁温度。当烟气和水进行换热时，因水的换热系数比烟气高很多，所以水侧一般采用光管，除了调整冷热比例，还可以通过增加或减少折流板的数量来调整管壁温度。

4、缠绕翅片扩展受热面

现在常用的有两种翅片，一种是套片，一种是高频焊螺旋翅片。套片是机器冲压的圆薄片，用人工一片一片地套到基管上，在使用过程中因胀缩系数不同，套片和基管之间会逐渐产生缝隙并充满灰尘，热阻增大甚至使翅片失去换热能力，而且套片相对较薄不耐磨，设计工况风速10 m/s左右时，套片的使用寿命不足1a。我公司换热器全部采用的是高频焊翅片管。高频焊翅片管是用高频焊机将钢带围绕基管缠绕焊接而成，翅片厚度一般在1mm～2mm，热阻小，换热效率高，热管换热器采用高频焊翅片热管作为换热元件可提高换热效率，增加使用年限。热管分为冷热两端，所以可在冷热侧同时缠绕翅片以扩展受热面。

5、换热方式的确定

热管换热器冷热介质通常有两种换热方式：并流和逆流。在两种流体进出口温度一定，传热量相同时，逆流平均温差大于其它换热方式平均温差，从传热方程式：

Q=KAΔt，（2）

可知，所需的换热面积比采用其它换热方式时要小，所以设备体积小，结构紧凑成本低。式（2）中，Q为传热量W；K为换热系数W/（m2?℃）；A为换热面积m2；Δt为温差℃。但在热管换热器中采用逆流换热时，因逆流传热会使热流体的高温对应冷流体的高温，热流体的低温对应冷液体的低温，造成热液体侧入口的几排热管内部蒸汽温度过高，有可能超过钢水热管的最高工作温度，而在热流体出口的几排热管管壁温度过低，导致低温腐蚀和堵灰现象。因此，换热设计时应对并流和逆流两种换热方式都要进行计算，通过全面比较，最后选择合理的方案。  

6、含尘量对换热器结构的影响

当烟气含尘量较高时，在设计管壁温度高于露点的基础上应考虑采用大螺距低翅片管，倾斜放置。但重力热管轴线与水平线角度应不小于20°，以保证冷凝介质的可靠回流，此时翅片不是水平而是倾斜的，有利于灰尘的下落。特殊情况下也可以采用光管。换热器烟气侧箱体两边设置清灰门，换热器底部设灰斗，以方便换热器定期清灰和排灰。在比较重要或有较高要求的情况下可在换热器上安装清灰器，根据工作实际情况设置清灰频率，在灰斗下方设置连续排灰阀，实现灰尘的自动化清理。