烟气换热器的选型探讨

2021-08-29杨晓武金生龙

硫酸工业 2021年5期

杨晓武，金生龙

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙410014）

烟气换热在烟气处理过程中占据重要地位，合理选择换热流程和换热设备对烟气治理极为重要。烟气换热具有介质流量大、换热系数低、烟气成分复杂、腐蚀性强、换热器尺寸大、造价高与易积灰等特点，因而换热器选型是设计难点。笔者就换热器选型进行探讨，为烟气换热器的设计提供参考。

1 烟气换热器类型

烟气换热器种类繁多。按换热器的作用原理可分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器和中间载热体式换热器；按换热介质的相态可分为气-气换热器、气-汽换热器、气-液换热器、液-液换热器和液-汽换热器；按换热器材质可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；按换热器的结构形式可分为管式换热器、板式换热器和特殊形式换热器。

在烟气处理过程中，实际使用最多的换热器主要有管壳式换热器、回转式GGH换热器、板式换热器、MGGH换热器和热管换热器。

1.1 管壳式换热器

管壳式换热器是最常用的烟气换热器，可用于烟气-烟气、烟气-蒸汽和烟气-循环水的换热，其结构形式相对简单，坚固耐用，造价低廉，适用性强，广泛应用于石化、化工、冶金及钢铁等领域。

烟气换热过程，由于气-气换热传热系数小、换热效率低，管壳式换热器的强化传热技术一直是研究重点。通过采用螺旋槽管、横纹槽管、波纹管、缩放管、菱形翅片管、花瓣形翅片管、T型翅片管、表面多孔管等不同形式的管程结构强化管程传热，同时改变壳程内的支撑以减少和消除死区，以增加流体的湍动，从而强化壳程传热，使传热系数得到大幅提高[1]。近来，借助于计算流体力学的仿真模拟，更加高效节能的管壳式换热器不断研发出来，极大地提高了管壳式换热器的应用范围。

管壳式换热器的主要缺点是设备体积相对庞大，材料耗用量大，若因烟气的腐蚀性需提高换热器材质等级时，换热器的造价会成倍增加。

1.2 回转式GGH换热器

回转式GGH换热器是借助热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，蓄热体从热流体处获得热量，温度上升，然后通过转动与冷流体接触，蓄热体向冷流体传递热量，温度下降，如此循环往复，从而实现冷热流体之间的间接换热。回转式GGH换热器结构示意见图1。

图1 回转式GGH换热器结构示意

回转式GGH换热器的蓄热体采用耐腐蚀材料或外衬结构，既能有效抵抗烟气腐蚀，又方便清洗。回转式GGH常设计为模块化结构以便于安装，其结构紧凑，占地面积一般小于同等热负荷条件下的管壳式换热器。

回转式GGH换热器广泛用于处理电厂燃煤烟气和钢铁烧结烟气，其缺点是设备造价较高，设备中的转动部件容易损坏，且换热过程存在漏风。

1.3 板式换热器

板式换热器是一种紧凑高效的换热器，其板片一般采用波纹状设计，即便在较低流速下也能实现换热介质的湍流，从而提高传热效率。板式换热器传热系数高、比换热面积大、占地面积小、投资少，安装和检修方便，已广泛应用于气-气、液-液、液-汽换热。

传统的板式换热器耐腐蚀性不强，密封性较差，易泄漏，使用温度受垫圈耐温性能的限制。近年来开发了全焊接式板式换热器，由特种不锈钢以特制模具压制而成，使其耐温性能和抗腐蚀性得到大幅提升。金隆铜业有限公司在制酸系统转化工序采用气-气板式换热器替代传统的管壳式换热器，总投资节约18%，运行基本良好，说明转化工序采用气-气板式换热器完全可行[2]。

1.4 MGGH换热器

MGGH换热器（Media GGH）即媒介式气-气换热器，是利用媒介物质在高温烟气和低温烟气之间循环流动，从而实现高低温烟气之间的换热。MGGH属于中间载热体式换热器，高、低温烟气不直接接触，设备布置方面更灵活，并有效避免烟气泄漏。MGGH最常用的媒介物质为水，也可采用化学稳定性好、沸点高的矿物有机油，但矿物有机油价格比较昂贵，且泄漏后存在风险，实际运行中不常采用。

MGGH换热器实际将烟气之间的气-气换热转换为烟气和中间载热体之间的气-液换热，故传热效率得到极大提高。此外，可将换热管以模块化的形式放置在烟道中进行换热，安装较为灵活，对MGGH换热器的换热管材质进行合理选择，既耐受烟气腐蚀，又有效降低换热器的投资成本。目前，MGGH换热器广泛应用于烟气消白，具有占地面积小、能耗低、投资少、效果显著等特点[3-4]。

1.5 热管换热器

热管换热器是以热管为传热单元的高效换热器，其利用全封闭的真空热管单元内工质的蒸发和凝结来传递热量。在热管的一侧，高温流体与热管内的液相工质进行换热，液相工质吸收热量蒸发为气态，在热管的另一侧，低温流体与蒸发的气相工质进行换热，再将气相工质冷凝为液相，从而实现循环换热。由于采用全封闭的热管，蒸发和凝结的对流传热强度都很大，而蒸汽流动阻力又较小，因此热管可以在很小的温差下传递很多的热量。热管换热器示意见图2。

图2 热管换热器示意

热管换热器具有传热效率高、烟气流动阻力小、运行能耗低、系统简单、腐蚀损害小的特点，在化工、冶金等行业运行业绩较好。热管式换热器体积较大，具有占地面积大，加工、制造和运输难度大的缺点。

青岛染料厂在改造转化工序时曾采用热管换热器，投运后运行稳定可靠，效果良好，投资收益高[5]。若对湿法脱硫工艺中的回转式、中间载热体式、管壳式、板翅式、热管式烟气换热器性能进行了评分比较，热管换热器性能可居于首位[6]。

热管锅炉以其结构紧凑、质量轻、传热效率高、无运动部件、维护简单、运行可靠等优点，特别适宜于中、低温余热回收。近年来，热管锅炉也越来越多地用于有色冶炼制酸系统，回收转化后富余的烟气热量，加热除盐水来产生蒸汽供生产和生活使用，如金川集团股份有限公司700 kt/a硫酸系统在转化工序配套2台热管锅炉余热系统，进行中温位余热回收扩能改造，回收余热蒸汽量达128 kt/a，同时改善了现场作业环境，实现了制酸系统节能降耗的目的[7]。

2 烟气换热器选型注意事项

烟气换热器选型时应主要考虑传热效率、积灰和腐蚀问题，这往往也是烟气换热器选型之难点。

2.1 传热效率

与液-液换热器不同，烟气换热过程传热效率较低，换热器体积巨大，普遍造价高。烟气与烟气换热过程中，因受两侧气相热阻控制，传热系数很低，这意味着同等热负荷条件下，要求换热器面积大，从而提高了换热器制造和安装的成本。提高烟气换热器的传热效率至关重要，传统的管壳式换热器一般采取强化传热措施，可将传统管壳式换热器的传热系数由6~8 W/(m2·K)提高到30 W/(m2·K)左右。对MGGH换热器和热管换热器而言，则是将气-气换热过程转化为气-液换热过程，极大地提高了换热效率。

2.2 积灰

工业烟气含大量飞灰、烟尘，极易造成换热器积灰。烟尘附于换热管壁上，增加换热器的污垢热阻，降低总传热系数，从而降低换热性能。数据表明：当烟气侧积灰污垢热阻由0升高到0.02 m2·K/W时，总传热系数由30.7 W/(m2·K)降低到19.0 W/(m2·K)，降低幅度达38.0%[8]。板式换热器流道偏小，飞灰极易堵塞换热器。若采用回转式GGH换热器，飞灰甚至能进入转动部件，损坏换热器。烟尘中若有较大颗粒，会严重冲刷金属表面，造成金属管壁的磨损。此外，部分粉尘还具有腐蚀性，附于换热器表面时，会对换热器造成腐蚀损害。

在换热器设计和选型过程中，应尽量合理设计换热器结构，保证流体均匀，使烟气能对换热面保持适度冲刷，实现自清洁。也可采用光滑的换热面避免积灰，但换热面光滑又不利于强化换热。管壳式换热器应设置清灰门，换热器底部设灰斗，方便定期清灰和排灰。同时设置吹灰设备，运行中定时吹灰，减少积灰。

2.3 腐蚀

腐蚀是困扰烟气换热器选型的重要难题，换热器材质的选择直接影响换热器造价。烟气对换热器的腐蚀主要有露点腐蚀、氟氯腐蚀和积灰腐蚀。烟气的腐蚀机理复杂，总体而言，水气的饱和度对烟气腐蚀性影响很大，烟气中水气饱和度越高，腐蚀性越强。

根据烟气的特性条件，计算烟气的露点对换热器材质的选择至关重要。目前，常用于烟气换热的材质主要有碳钢、ND钢、316L不锈钢、2205双相不锈钢和氟塑料等。其中碳钢适用于远高于烟气露点的原烟气，对碳钢进行适当防腐有利于提高耐腐蚀性。ND钢即09CrCuSb钢，具有良好的耐露点腐蚀性能，还具有一定的耐氯离子腐蚀能力，广泛应用于燃煤锅炉省煤器、空气预热器。316L和2205双相不锈钢材质耐烟气腐蚀性极好，但造价较为昂贵。早期也有采用不透性石墨的列管换热器，但石墨管机械强度低，容易破裂，总传热效率低，现在已较少采用。

特别值得注意的是氟塑料换热器，其采用改性聚四氟乙烯作为换热管材质，耐腐蚀性极强。鉴于聚四氟乙烯本身传热性能不佳，可采用薄壁、小直径管来降低管壁热阻，同时在单位体积内安置较多的换热面积。氟塑料还具有抗老化、自清灰的优点，目前越来越多地应用于燃煤电厂节能环保改造中[9]。

3 烟气换热器的选型示例

以某危险废物焚烧烟气处理系统为例，烟气在余热利用后采用布袋收尘器—湿法脱硫—低温SCR脱硝工艺流程，布袋收尘器出口烟气的流量约为100 000 m3/h，烟气温度约为180 ℃，φ(H2O)为10.24%，ρ(SO2)为8 g/m3[干基，φ(O2)11%]，φ(SO3)为0.003 6%，φ(Cl)为0.081%。

烟气先经过MGGH-Ⅰ换热器降温至150 ℃后进入脱硫塔，采用石灰石-石膏法脱硫工艺，脱硫塔出口烟气温度约为54 ℃，采用MGGH-Ⅱ换热器将烟气升温至84 ℃进入回转式GGH换热器，经回转式GGH换热器升温至180 ℃左右，采用热风炉补热进一步将烟气升温至210 ℃后进低温SCR反应器脱硝，SCR反应器出口的烟气经回转式GGH换热器最终降温至110 ℃排放。烟气处理系统工艺流程见图3。

图3 烟气处理系统工艺流程

该工艺流程中用到2组换热器，即MGGH换热器和回转式GGH换热器。采用MGGH换热器对烟气进行冷却降温的目的有2个：①降低脱硫烟气的绝热饱和温度，有利于提高脱硫效率，减少脱硫塔出口烟气的水含量；②升高进入回转式GGH换热器的温度，有利于减少回转式GGH换热器热负荷，减少设备投资。

采用A.G.Okkes公式计算布袋除尘器出口烟气的酸露点[10]，得到酸露点约为144.5 ℃。将烟气温度降低至150 ℃时，已基本达到酸露点，需要特别注意烟气的露点腐蚀问题，此外烟气中还存在Cl-。因此，最终采用氟塑料作为MGGH换热器的主要材质，其相较于合金钢价格较低，耐腐蚀性良好，氟塑料换热器能在200 ℃条件下稳定工作，且适用于含尘烟气的处理。

对于回转式GGH换热器，如果此处改用传统的管壳式换热器对烟气进行升温，则计算换热面积高达4 000 m2，显然不可取。同时，由于湿法脱硫塔脱除SO3效率非常有限，烟气露点腐蚀和残余Cl-的腐蚀依然严重，若采用管壳式或板式换热器，会面临材质选择的难题。因此，最终采用回转式GGH换热器，蓄热体采用外衬结构，可有效防止烟气腐蚀。对SCR反应器出口烟气导致的硫酸氢铵腐蚀和堵塞问题，则通过高压水对换热器内的蓄热体定期冲洗来解决。

以上工艺流程及换热器的选择均已在项目中得到应用，实际运行情况良好，充分证实了换热方案的可行性。