冷凝熱交換器在危險(xiǎn)廢物焚燒尾氣潛熱回收中的應(yīng)用
所有含水蒸汽的氣體都含顯熱和潛熱。危險(xiǎn)廢物焚燒爐所燒危險(xiǎn)廢物水分含量往往比較高，產(chǎn)生的尾氣中水蒸汽含量較高，從而尾氣中潛熱含量大，如果能夠有效利用，可以減少輔助燃料的使用量，從而降低焚燒爐的運(yùn)行成本。危險(xiǎn)廢物中常含S、CL、F、Br等成分，燃燒后會(huì)產(chǎn)生HCL、SOx等酸性氣體，這些氣體對(duì)金屬管壁有腐蝕作用。正因如此，余熱鍋爐排煙溫度一般不低于240℃。如果把煙氣溫度從240℃冷卻至煙氣中的水蒸汽冷凝，也就是利用水蒸汽的潛熱，危險(xiǎn)廢物焚燒爐的輔助燃料消耗量可減少10%。然而，在這種情況下，煙氣的腐蝕能力大大增強(qiáng)，從煙氣中冷凝的液體幾乎會(huì)腐蝕所有的金屬，因此，回收潛熱對(duì)管材或管涂層提出了新的要求。
耐高溫碳氟材料的出現(xiàn)使之成為可能。碳氟材料耐酸腐蝕能力特別強(qiáng)，而且用碳氟材料作涂層，摩擦系數(shù)非常小，顆粒物和冷凝的液體不會(huì)粘在管壁上而降低熱交換系數(shù)。實(shí)際上在潛熱回收時(shí)碳氟材料表面上水蒸汽珠狀凝結(jié)使得熱交換器的效率比傳統(tǒng)熱交換器（水蒸汽在它上面膜狀凝結(jié)）提高了。
1、利用碳氟材料作涂層的冷凝熱交換器的特點(diǎn)
冷凝熱交換器管壁上常涂鍍碳氟材料。最常用的碳氟材料為聚四氟乙烯，其突出的特點(diǎn)有兩點(diǎn)：抵抗酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)腐蝕的能力很強(qiáng)；摩擦系數(shù)非常小，表面非常光滑，很少有物質(zhì)可粘在上面。然而，聚四氟乙烯的熱交換系數(shù)比較低，因此涂層必須非常薄。聚四氟乙烯常被擠壓到管壁上成薄膜狀涂層，涂層與管壁之間無(wú)任何氣泡，因此該種熱交換器的熱交換性能相當(dāng)好。此外，由于聚四氟乙烯的表面特性，冷凝的水和酸在其表面成珠狀凝結(jié)，會(huì)較快流走而不會(huì)粘在其表面。在相同的操作條件下，如果是傳統(tǒng)的熱交換器，冷凝的液體會(huì)在管壁上形成一層水膜，這層水膜相當(dāng)于熱絕緣體而使熱交換效率降低。因此，即使聚四氟乙烯涂層相對(duì)于裸露的金屬管來(lái)說(shuō)是熱絕緣體，但由于珠狀凝結(jié)的熱傳遞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于膜狀凝結(jié)，總得說(shuō)來(lái)是具備聚四氟乙烯涂層的熱交換器傳熱效果更好。即使在沒(méi)有水凝結(jié)存在的條件下，有時(shí)涂層聚四氟乙烯的金屬比裸露的金屬熱交換性能要好，這是因?yàn)榫鬯姆蚁┑哪Σ料禂?shù)很小，降低了管壁附近邊界滯留空氣的厚度。
在鍍聚四氟乙烯之前，金屬管都必須拋光至非常光滑，鍍聚四氟乙烯之后，表面保持徹底清潔和平整。這樣，管表面不會(huì)受到腐蝕，熱交換性能在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)間內(nèi)保持不變。聚四氟乙烯的清洗非常方便，因?yàn)樗鼘?duì)熱沖擊負(fù)荷不敏感，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接噴水沖洗。
冷凝熱交換器管內(nèi)的流體可以是空氣、水、污泥甚至氣體攜帶的固體。對(duì)焚燒爐來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的流體是余熱鍋爐的補(bǔ)充水和燃燒空氣。冷凝熱交換器的管子和管板之間用聚四氟乙烯密封，在容器封口處使用聚四氟乙烯內(nèi)襯以確定氣體在通過(guò)熱交換器時(shí)只與聚四氟乙烯接觸。
2、利用冷凝熱交換器回收潛熱的原理
焚燒尾氣被冷卻至水的露點(diǎn)以下時(shí)，冷凝水吸收尾氣中的酸性氣體形成液體酸。危險(xiǎn)廢物中所含的硫和氯燃燒生成的二氧化硫和氯化氫結(jié)露成為硫酸、亞硫酸和鹽酸對(duì)金屬材料進(jìn)行腐蝕。由于危險(xiǎn)廢物中硫、氯、水含量較高，不但為酸的形成創(chuàng)造了條件，同時(shí)還使硫酸和鹽酸露點(diǎn)溫度升高。因此如果是傳統(tǒng)熱交換器，其操作溫度必須高于某臨界溫度，以防止低溫腐蝕的發(fā)生。
在決定熱交換器中允許的最低溫度時(shí)，必須考慮氣體和熱交換器管壁的溫度差。氣體的溫度代表了氣體的平均溫度，相對(duì)比較均勻。然而，如果管壁溫度比較低，會(huì)引起廢氣的局部冷卻從而導(dǎo)致廢氣中的酸冷凝在管壁上。實(shí)際上，在某些情況下，氣體溫度可能高于水和酸的露點(diǎn)，但由于管壁溫度比較低會(huì)引起廢氣的局部冷凝和過(guò)冷，水和酸冷凝在管壁上。在傳統(tǒng)的熱交換器中，不僅廢氣的溫度應(yīng)保持在露點(diǎn)以上，熱交換器內(nèi)任一點(diǎn)的管壁溫度也應(yīng)高于露點(diǎn)溫度。這意味著在預(yù)熱前，冷水或任何冷液體包括冷空氣不能用作沒(méi)有防腐蝕措施的熱交換器的熱交換介質(zhì)。當(dāng)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)內(nèi)有余熱鍋爐時(shí)，水進(jìn)入鍋爐之前一般至少應(yīng)加熱至120℃。
因?yàn)槔淠裏峤粨Q器的管表面有聚四氟乙烯作為涂層，環(huán)境溫度下的補(bǔ)充水和周?chē)諝饪芍苯舆M(jìn)入以這種方式保護(hù)的熱交換器。例如，如果補(bǔ)充水或其他流體溫度為 20℃，這些流體可直接進(jìn)入冷凝熱交換器的管內(nèi)，利用煙氣的潛熱和顯熱，升到低于它們沸點(diǎn)的溫度。在這種情況下，冷凝熱交換器的內(nèi)管壓可設(shè)計(jì)的比傳統(tǒng)熱交換器低很多，因此與傳統(tǒng)材料制成的高壓熱交換器相比，造價(jià)比較省。然而，傳統(tǒng)熱交換器可以把高壓水或其他流體從低溫加熱至遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)的溫度。
傳統(tǒng)熱交換器的管壁溫度最低大約為127℃，因此只能從尾氣中回收燃料放出熱量的3－4％。如果有合適的冷流體作為熱傳遞介質(zhì)并降低氣體溫度至38℃左右，冷凝熱交換聲可以回收燃燒過(guò)程中燃料放出的總熱量的11－15%。如果向尾氣中加些水蒸汽，可達(dá)到更高的熱回收率。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)熱交換器通常使用肋壁，冷凝熱交換器因表面光滑所需橫截面積更大。但是管壁內(nèi)不需摻入防腐蝕的材料，冷凝熱交換器的管壁可以比傳統(tǒng)熱交換器薄很多，因此它比傳統(tǒng)熱交換器輕。
管子和管板之間用聚四氟乙烯密封，這既可以使熱交換器不漏氣，又允許管子通過(guò)管板自由膨脹和收縮。由于聚四氟乙烯本身的潤(rùn)滑性，用聚四氟乙烯做管涂層的管子可以在聚四氟乙烯密封區(qū)內(nèi)側(cè)滑動(dòng)而摩擦力很小，仍能保持徹底密封。
一般冷凝熱交換器制成標(biāo)準(zhǔn)組件，運(yùn)行時(shí)一個(gè)置于另一個(gè)的頂部。組件的橫截面積由通過(guò)熱交換器的氣體流速確定。一旦橫截面積已確定，由所需的總表面積可以決定所需的組件數(shù)量。
3、對(duì)某實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
由于節(jié)約了大量能耗，冷凝熱交換器的投資常常不到一年即可收回。只有在極少數(shù)情況下，需要兩年以上的時(shí)間收回投資。
美國(guó)一家焚燒含氯碳?xì)浠衔锖鸵恍㏄VC塑料的危險(xiǎn)廢物焚燒廠安裝了冷凝熱交換器。
對(duì)該廠安裝的冷凝熱交換器所作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析如下：
每年運(yùn)行時(shí)間8600h
冷凝熱交換器的一次性投資：＄85232
每年節(jié)約的能量的價(jià)值：＄112950
冷凝熱交換器每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用：＄1.79
冷凝熱交換器的年運(yùn)行費(fèi)用：＄15193
每年節(jié)約的凈資金：＄97757
考慮到貼現(xiàn)率，分期付清最初投資所需時(shí)間：10.5個(gè)月
第一年的稅前收益率：114.7%
五年里的平均收益率：152.9%
十年里的平均收益率：229.4%
由以上分析可知，該廠收回冷凝熱交換器的投資只需10.5個(gè)月。
4.總結(jié)
4.1由于可在傳統(tǒng)金屬管上鍍聚四氟乙烯涂層以抵抗危險(xiǎn)廢物焚燒爐尾氣的腐蝕，從而可從尾氣中回收潛熱。冷凝熱交換器可把冷的鍋爐補(bǔ)充水加熱至一定的溫度后直接進(jìn)入焚燒爐的余熱鍋爐，可把助燃空氣從周?chē)淇諝鉅顟B(tài)被加熱至超過(guò)150℃。
4.2冷凝熱交換器可使危險(xiǎn)廢物焚燒爐的能耗減少10%。
4.3這種熱交換器不會(huì)被焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)粘附，因?yàn)榫鬯姆蚁⿻?huì)使顆粒物與冷凝的液體同時(shí)流走。當(dāng)冷凝熱交換器在回收潛熱段工作時(shí)，水蒸汽在聚四氟乙烯上珠狀凝結(jié)，這可以提高熱傳導(dǎo)系數(shù)。
4.4當(dāng)危險(xiǎn)廢物中的水分越多或廢物中的氫含量增大，或輔助燃料的H/C比越高，尾氣中的水分含量越高，這種熱交換器的效率越高。
4.5冷凝熱交換器可抵抗危險(xiǎn)廢物焚燒爐產(chǎn)生的幾乎所有的酸性氣體的腐蝕。
4.6冷凝熱交換器的投資基本上可在一年內(nèi)收回。
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