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影响余热回收的可行性因素

评估余热回收的可行性需要余热源和余热流体进行分析,比较重要的余热流体参数为:热量、余热、温度/品位、组成、最小允许温差、可用时间表、可用性和其他物流信息。

通过对流体的参数分析,可以考察余热回收的可行性,例如物流的腐蚀性决定着余热回收换热器的可行性以及材料的可行性。

以下是决定余热回收可行性的因素。

余热回收量

热量是指可以从流体中回收热的总量,而品位是指能回收的余热量,余热流体中所含的余热量是温度和质量流量的函数:

E=mh(t)                                                                         (1)

其中E为余热量Btu/hr)m就是质量流量(lb/hr)是余热流体关于温度的函数关系的焓值(Btu/lb)焓值不是一个绝对的值,必须通过参考状态来衡量(例如,室温和常压下的空气焓值)。在此讨论内容中,余热回收流体的焓值是在大气压力和两种温度(25℃和150℃)进行计算。25℃下参考值用于估算气体冷却到常温下所能回收的最大热量。另外一个温度150℃是很多工业余热回收系统中,气体的最低温度不低于此温度。

虽然余热的可回收总量是一个重要的参数,但其不是衡量的唯一参数,余热的品位也很重要,这取决于余热流体的温度。

 余热回收温度/品位

余热回收温度是一个余热回收可行性的一个重要参数,余热温度可能差别很大,冷却水有些在40~90℃波动,而玻璃熔窑的烟气温度高达1320℃。为了有效的换热回收余热,余热温度须比冷源温度高。此外冷源与余热流体之间的温差是决定余热品质的重要因素。热源与冷源温差影响着a)换热器单位面积上换热的速率,b)从余热转化为其他能量(机械或电力)的最大理论效率。最后,温度范围对换热器设计材料的选取有着重要影响。

余热温度品位可分为低、中、高三种品位:

             高品位热:649℃及以上

             中品味热:232℃至650

             低品位热:232℃及以上

典型的各种品位热如表4所示,包括其余热回收的优势、难点以及回收技术。


换热器面积需求

余热回收温度影响热源和冷源间的传热速率,这对于余热回收的的可行性影响很大,传热基本公式如下:

Q=UAT(WBtu/s)                                                          2

式中Q为传热速率;U为换热系数;A为换热器换热面积,T为两流体传热温差。

因传热是关于传热系数、面积、温差的函数,因此小温差需要较大的传热系数,如图1:

        温差对已定换热面积换热器的影响

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热源与换热流体之间的温差

图1 温差对已知换热器的影响

所示为已定换热面积的情况下,不同温度的气体与液体换热的传热研究。在较低的温度下,随着温差的减少,其换热面积需求出现较大幅的增长。曲线形状和换热面积需求随换热流体、传热系数和所需传染速率变化而变化。

最高发电效率:卡诺效率

热源在不同的温度下有不同的发电效率限制,给定温度的最大发电效率是基于卡诺效率,卡诺效率由下式定义:

η=1-TL/TH                                                                                    

TH是余热温度,TL是冷却温度。

卡诺效率是指发电机在给定温度下最大的发电效率,卡诺效率随着温度的增高而增高,随温度的减少而下降。

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图2 不同温差下卡诺效率的变化

由于温度对于余热回收的可行性影响较大,因此对于余热回收的可行性评估应该综合考虑回收量及其品位。回收潜力是指余热发电机组从余热温度与环境温度温差内可提取能量的最大潜力,这个回收潜力WP等于卡诺效率乘向环境温度的热损失:

WP=ηE=(1-To/THE                                                                                 (4)

E是向环境的热损失,η是卡诺效率,TH 是余热温度,To是环境温度25℃。


温度和材料选取

余热源的温度对换热器和回收系统的材料选取也有重要影响,腐蚀和氧化反应以及化学反应因温度升高而变得更活跃。如果余热源包含腐蚀性物质,余热回收系统表面会很快腐蚀。另外碳钢在高于425℃和不锈钢高于650℃时开始氧化,因此在较高温度情况下必须选择合金或是复合材料,金属材料通常使用在不高于871℃工况。可选方案还包括向排气中加入空气已降低温度,或是使用可以跟好的承受高温的陶瓷材料。在加入空气的方案中,废气总排放总热量不变,因空气流量的加入,使得流量增大,从而降低排气温度。


废热流体的组成

虽然废热流体的化学组成不会直接影响热量与品位,但其组成可以影响回收流程以及材料的选择。废热流体的组成和相形态会影响热导率和比热容等因素,这些将影响换热器效率。同时,废热流的组成对换热器的设计、材料选型和成本有着重要影响。

换热器的传热速率取决于废热流体的组合和相形态,以及换热器内流体污垢影响。密度流体有较高的传热系数,这使得其在给定温差下的有较高的单元传热速率,如表2。

表2 一般换热管换热器的传热系数的范围

流体状况

传热系数(W/(m2·))

水与流体

5×103-1×104

有机液体与流体

1.5×103-2×103

气体(P=1000Kpa)

2.5×102-4×102

气体(100-200Kpa)

8×10-1.2×102


另一个需要考虑的因素是废热流体与换热器材质间的化学作用,污垢是一个换热器中比较常见的问题,污垢会降低换热器的效率甚至导致系统无法正常运行,图3是从熔铝炉中报废的换热器,换热器表面的污垢是的换热器表面换热效率降低同时也影响了管内流体。在其他情况下,它使得换热器的处理能力降低而不能满足工艺要求。

解决污垢的办法有很多,如对换热流体进行过滤,选择更合适的换热材质,增大换热面积,把换热器设计成易于清洗等等。尽管如此,结垢问题仍然是传热科学中的重大挑战。


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图3 熔铝炉中报废的换热器


最低容许温度

废热流体的最低容许温度与材料的腐蚀问题息息相关,具体取决于燃烧的燃料,不同燃料其废气含有不同浓度的二氧化碳、水蒸气、NOX、SOX及其他物质。如果废气被冷却到露点温度一下,废气中的水蒸气会在换热器表面冷凝下来,如果设计成非耐腐蚀材质的换热器,换热表面很快就会比腐蚀,因此换热器设计往往高于露点温度。预防腐蚀的最低温度与燃料的种类有关,例如天然气炉的可以低至120℃,然而高含硫的煤和燃油炉其排气温度最低限制150 ℃至175℃。最低排气温度收到废热流体中的化学成分的限制,例如玻璃熔窑废气中含有硫酸盐,因此其排气温度不得低于270℃。

最常见的防止腐蚀的办法是将排气温度设计成高于露点温度,但是在有些场合可以使用先进的合金和复合材料制作换热器,从而获取更低的排气温度。这种换热器其造价高,一般用于比较特殊的场合。


经济性、易于得到等因素

这里介绍几个额外的决定余热回收是否可行的因素。例如,小型换热中就不太适合余热回收,其初始投资大,回收周期长。操作周期也是总要的考虑因素,如果余热源仅仅在每天的几个固定的时间段内运行,换热器将置于同时高温流体或低温流体换热情况,在此种情况下,必须保证换热器材质在热循环疲劳的情况下不失效,否则需要增加附加装置保证在余热源停止时也能为系统提供热源。

另外一个需要考虑得因素是废热流体是否易于使用,在一些场合下,由于设备布局等问题,使得余热源难以使用。另外,有可能的制约因素是废热流体可输送性。许多工业的热流体都可以进行余热回收,因其易于输送,管道系统可以轻易的将余热流体送入回收设备。相反,热固体流(如锭、铸件、水泥熟料)含油大量的热源,但其能量不容易输送至回收设备中,因此在固体余热回收中的实例不多。而开户送38体验金不限id,2019注册送彩金的网站的SV固体宽通道换热器是一个不错的选择。


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