说明书：400TD玻璃窑烟气脱硫回热器的设计

学生姓名： 学 号： 所在学院： 专 业： 设计(论文)题目：400T/D玻璃窑烟气脱硫回热器的设计指导教师： 年 月 日400T/D玻璃窑烟气脱硫回热器的设计摘 要玻璃窑炉燃烧重油导致烟气中含少许硫化物，若这些烟气直接排入空气中会导致大气产生酸雨，对环境造成污染。针对这种情况，本文提出对烟气进行脱硫，脱硫方式分为干法，半干法和湿法脱硫，这里采用湿法脱硫。由于为湿法脱硫，在脱硫结束后，烟气含湿量高、温度低导致无法顺利排出，因此添加回热器给脱硫烟气升温。本文主要对400T/D玻璃窑产生的烟气脱硫回热器进行热力计算结构设计、cad 绘图等。文章主要分为三部分，第一部分介绍玻璃窑炉近年的发展趋势、烟气成分、脱硫工艺以及回热器的选用，并着重突出热管式回热器的特点、优势及其性能。第二部分对热管式回热器进行设计，主要通过烟气温度和烟气流量来设计热管回热器的结构，然后通过结构计算完成热管回热器的cad绘图。第三部分介绍在热管回热器在制图和安装过程中的技术要求。关键词：脱硫回热器 热管 热力计算 结构设计Design of flue gas desulfurization regenerator in 400T/D glass kilnAbstractGlass furnace combustion of heavy oil lead to a little sulfur in the flue gas, if the flue gas directly into the air will lead to acid rain in the atmosphere, causing pollution to the environment. In view of this situation, this paper puts forward the flue gas desulfurization, desulfurization method is divided into dry, semi dry and wet desulfurization, where the use of wet desulfurization. Due to the wet desulfurization, after the end of the desulfurization, flue gas moisture content is high, the temperature is low, can not be discharged smoothly, so adding a regenerator to the desulfurization flue gas temperature.In this paper, the thermal calculation structure design and CAD drawing of the flue gas desulfurization regenerator which is produced by the 400T/D glass kiln is mainly carried out. The article is mainly divided into three parts, the first part introduced in recent years, the development trend of glass furnace, flue gas composition, desulfurization process and back the selection of heat exchanger, and an emphasis on heat pipe type back to the characteristics of the heat exchanger, advantages and performance. The second part of the heat pipe type regenerator design, mainly through the flue gas temperature and flue gas flow to design the structure of the heat pipe heat exchanger, and then through the structure calculation to complete the CAD drawing of the heat pipe heat exchanger. The third part introduces the technical requirements of the heat pipe heat exchanger in drawing and installation process.Key words: Desulfurization regenerator; heat pipe; heat calculation; structural designIII第一章 绪论1.1玻璃行业现状及废气污染1.1.1玻璃行业耗能现状在最近几十年中，尤其是在90年代以来的这段时间，我国的玻璃产业取得了巨大的进步和伟大的成就1。在2007年中国国内玻璃窑炉生产总量达到将近160万吨 , 相必于上年提高38 %, 此中池窑拉丝产量达到116 万吨 , 比上年提高足足30%, 现在早已超过的占据半个世纪领先地位的美国, 成为名副其实的世界玻纤第一生产大国2。但与此同时，玻璃窑炉产生大量的废气造成严重的环境污染, 不仅需要脱硫除尘至达标排放, 而且余热的回收利用也是重要的内容, 既是节约能源的需要, 也是保证工程安全可行的需要3。1.1.2 玻璃行业排放污染 废气是气体、烟尘的混合物，烟气的成分比较复杂，气体中包括水蒸汽、碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘物包括燃料中的灰分、煤份、油状物以及在高温下裂解物体等4。在玻璃窑炉产业中，烧的是重油，排放的废气中含有大量的污染物，主要污染成分是,考虑到对环境的保护，必须添加脱硫的工艺5。 1.2脱硫工艺的介绍与选择 1.2.1烟气脱硫的概述 烟气的脱硫是指运用物理或化学的方式除去废气里的硫化物。烟气脱硫技术常用干法脱硫、半干法脱硫、湿法脱硫这三种方法6，虽然干法脱硫成本低，但是效率也低。湿法脱硫效虽需要重加热，但是原烟气温度高，因此并不需要额外的燃烧，而且效率高，考虑成本与多方面因素，在这里无需用半干法进行脱硫，湿法脱硫在当今社会用的最多效果也最好的脱硫方法7。在这里运用湿法脱硫的工艺。因此我们将涉及到回热器的添加。1.2.2湿法烟气脱硫的原理湿法脱硫，又称湿法FGD工艺。全球列国的湿法脱硫的工作流程、方法和内容都基本相同，大多都是采用石灰石、石灰或碳酸钠等浑浊液作脱硫剂进行脱硫，在脱硫塔中对跟烟气产生化学反应，把烟气中的去除掉，达到脱硫效果。烟气通入脱硫系统中的湿式吸收塔，在吸收塔顶部喷洒碱性的石灰石浑浊液与之反应，其中的硫化物以及其他对环境造成污染的HCL、HF等被反应掉，从而使烟气变得洁净；吸收后的浆液反应生成，然后自动氧化、结晶生成，有的脱硫业还能将结晶脱水来产生副产品石膏，既达到脱硫效果还能得到副产品，一举多得8。由于经过湿法脱硫，脱硫后的废气湿度大，温度较低，可能会导致设备的腐蚀和排放的困难，因此，在窑炉末端加烟气脱硫回热器9。1.3回热器的选用及选用理由1.3.1 回热器的种类 按照用途来分：预热换热器、冷凝换热器、冷却换热器、蒸发换热器等。按照温度状况来分：一种是工作环境温度不变的换热器，这种换热器热流大小和在指定换热区域内的温度不会随时间而发生变化。另一种是工作环境温度变化的换热器，这种换热器在换热区域的热流体和温度都随时间发生变化10。按照制造换热器的材料来分：金属的、塑料的、石墨的、陶瓷的、玻璃的等等。按照热流体与冷流体的流动方向分：顺流式换热器、逆流式换热器、错流式换热器、混流式换热器。按照传送热量的方式来分：间壁式的、混合式的、蓄热式的。烟气的回热器，及气气换热器，主要有板式换热器、套管式换热器、回转式换热器、热管式换热器等几种类型11。下面简单的介绍下几种换热器类型（1）套管式换热器套管式换热器是直径不相同的两个直管组成的同心套管，然后连接部分为U字形。在套管式换热器中，一种流体走里面管内，另一种流体内管外侧，两种流体流速都能达到很高，所以传热系数较大。此外，在这种换热器中，冷热流体可以是完全的逆流方式，这时对数平均的推动能力比较大。套管换热器结构相对于其他换热器比较简单，并且能承受高压，可根据需要增减管段数目，所以应用亦方便。套管式也能用于液体之间的换热，比如热泵等12。（2）板式换热器板式换热器是最典型的间壁式换热器，在很早以前就常见于工业运用中，而且目前为止板式换热器仍是所有换热器中的主要类型。它的整机由换热板片和板间的胶条相结合而成。（3）管壳式换热器管壳式换热器由以下几大部件结合而成：壳体、管束、管板和封头，壳体大多数呈圆状，内部装有平行管束或者螺旋管，管束的两端固定在管板上面13。（4）热管式换热器热管是一种具有换热能力极强的热传导基件，它的工作原理是通过在全封闭的真空管壳内流体的蒸发与凝结来相互传递热量，以达到传热效果，它具有极高的导热性、很高的等温性、能够随意改变冷热两侧的换热面积、可远程传热、可控制管壁温度等一系列优点。以热管为传热元件的换热器具有极高的传热效率、紧凑的结构、较小的流体阻力、能够控制露点腐蚀等优点。由于在脱硫回热器中，废气含硫化物，容易对管子等地方腐蚀，从此，在选用换热器类型的时候选用热管式换热器。1.3.2热管换热器（1）热管的简介 先介绍下热管的基本结构。热管技术是在1963年美国一位叫乔治格洛佛的人发明的，该技术充分利用了传热的原理与相变介质快速热传递的性质，通过热管这种基件把热量高的一方的热量快速的传递到温度低的一方，其热传导的性能超过了任何已知金属的热传导性能。热管技术现在已被非常多的人所熟悉和关注。目前热管技术已广泛应用于轻工、化工、电子元件的等物件的散热以及航天和太阳能利用等领域。如图1所示，热管的基本结构主要包括冷凝段，蒸发段组成，中间用绝热段隔开，根据所需传热效果可以考虑在热管上加翅片14。（2）管壳在热管中，管壳是属于受压的一种元件，它必须要求由导热率高、耐热应力、耐压的材料制做而成。并且在材料的选择上必须得考虑它用的工质的相容性，也就是说要求热管在长期连续运行中管壳不能有过大的腐蚀，同时工质与管壳不能发生化学反应，也不产生任何气体。（3）管腔管腔是工作液传输热量的通道，在官腔中蒸汽流动是一个复杂的流动，有非常多的因素。在热管中工作液体的流动是很复杂的。（4）管芯管芯是一种紧贴在管壳内表面壁上的毛细结构，它通常由许多层金属丝网的形式紧贴内壁以此来减少相接触的热阻，衬里能够由多孔的陶瓷或烧结的金属组而成15。1.4热管的结构1.4.1热管的特点图1.1 热管热管是一种具有导热性很高的传热元件，它的工作原理是通过在全封闭的真空管壳内工质的蒸发与凝结来相互传递热量的。1.4.2热管换热器的结构图1.2 热管换热器热管换热器由热管的管束和外壳等部分组成。一般情况下，热管换热器的外壳是一个长方形，在这个长方形外壳内装载了带翅片（有些热侧温度高的可以是光管）的热管。热管的布置一般有两种方式，包括错列呈三角形的排列方式，和顺列呈正方形排列方式。在长方形壳体内部的中间部分有一块隔板把壳体分成热侧与冷侧两个部分，以此来形成热流体与冷流体的流动通道。冷热流体相互在不同的通道内流过，热管将热流体的热量传给了冷流体，从而实现换热的效果16。图1.2是热管换热器的基本结构。冷风通过上部，热风通过下部，通过热管的导热使系统得以换热。在这里上方“冷风”为脱硫后的烟气，经过热管换热器的加热，变为“热风”排入大气。下放的烟气为脱硫前的烟气17。1.4.3热管换热器主要特点（1）热管换热器中间的隔板能够把它冷热侧流体分开，所以在运行的过程中，即使有一两根热管因为磨损腐蚀等各种原因而导致破坏也不会影响整体的运行情况。因此用易然、易爆、腐蚀性强的流体作为冷热流体来进行换热的时候能够十分突出优势。（2）因为有隔板的缘故，冷侧和热侧的流体完全分开，互不影响的流动，这样逆流换热也能够比较容易的进行。热管换热器的冷热流体均在管子外部流动，因为管外流动的流体相对换热系数高，所以回收能量的成本大大降低。（3）在含尘量高的流体作为流通流体时，热管换热器可以通过改变、增大受热面积等形式防止磨损或者积灰想象18。（4）当有酸性流体流动时，即腐蚀性强的时候，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来改变热管管壁温度，使管壁温度高于酸露点温度，从而保证热管不被腐蚀19。1.4.4热管式换热器的优点 （1）效率高，体积小，通风阻力小，能节约鼓风机和引风机的电能消耗20。（2）热管两端由端盖密封，当一根热管的一侧管壁有穿孔时只有管内少量公职外泄，但热流体不会串通，因此也大大减少了漏风的可能性21。（3） 热管的等温传热特性可保证管壁温度保持在烟气露点温度以上，这样就保证管壁温度始终在烟气露点温度以上，在管壁的烟灰基本都是干灰，不会出现灰堵22。（4）能够调节管壁温度，从而能减少烟气中硫酸的腐蚀23。1.5本章小结 综上所述，针对玻璃行业的现状及其废气的成分，我们选用湿法脱硫的工艺进行脱硫。而考虑到烟气的排放和防止设备的腐蚀，在玻璃窑炉后加回热器。24由于热管式换热器呈现出预热温度高、节省燃料、寿命较长等优势，特别是热管式换热器能够良好的解决传统换热器的漏风问题、腐蚀问题等，经济效益提升效果极为明显，这里选用热管式换热器最为合理25。第二章400T/D玻璃窑烟气脱硫回热器的设计根据本课题的前提，本课题设计中我们选用热管式换热器作为回热装置。这是由于热管换热器与其他换热器比较 ：有较大的传热平均温，较高的传热效率；结构布置比较灵活、结构能够相互紧凑，改变管子的长度跟根数来增大换热面积，图2-1 热管换热器设计路线框架所以可以用较少的热管数来保证热量传递；热管的工环境十分作安全，即使有一两根热管因为腐蚀等原因而破坏，也不会影响到整个换热器的正常工作；而且热管换热器还具有方便的检修能力、较高的操控性等特点。本课题题目为400T/D玻璃窑烟气脱硫回热器的设计，由于热侧烟气为脱硫前烟气，因此在文章最后需要校核酸露点。如图2-1所示，热管换热器的设计过程中计算部分包括传热量计算、烟气平均出口温度及对数温差的计算、确定迎风面及迎风面管排数、计算总换热系数、计算加热侧总传热面积、热管根数、确定纵深管排数、计算热管换热器压力降，然后再校核压力降，如果不符合，则重新计算并确定迎风面。如果符合压力降，则可以进行结构确定并画出CAD图纸。2.1原始数据 热侧烟气进口温度： 冷侧烟气进口温度： 冷侧烟气出口温度： 热侧烟气流量： 冷侧烟气流量： 燃料：重油 结构：热管式2.2热管元件的基本选择2.2.1热管型式选择热管工质的选择种类和热管的材质以及封口焊接材料的物理性质等有着十分大的关系，因为材质与工质之间存在有不相容的可能性。此外，长方形壳体的材料必须保证耐高温、高压、耐腐蚀性等等的条件，并且热管要具备稳定性高和导热性高以及材料能够比较容易获得，成本低的能力。铜和水是最好的材料与工质组合。但是铜的价格太高且硬度偏低，大量应用于热管换热器较困难。因此，人们一般选择碳钢作为管壳材料。本次设计选择碳钢镀层作为管壳是满足各项要求的。考虑到酸性腐蚀，我们采用水热虹吸管，加缓蚀剂。2.2.2热管尺寸的选择 光管外径： 壁厚： 光管中径： 翅片型式：螺旋式翅片 翅片高度： 翅片厚度： 翅片外径： 翅片间距： 翅片节距： 每米翅片数： 翅片管为20号无缝钢管绕制高频焊翅片，翅片材料为10号钢，冷侧与热侧流量相同，热侧温度较高，因此热侧直接使用光管，冷侧用翅片管。 横向管子中心距： 2.3热力计算运用平均温差，冷侧烟气定性温度： 查定性温度90时的烟气物性表： 冷侧烟气定压比热容： 冷侧烟气密度： 冷侧烟气导热系数： 冷侧烟气黏度： 冷侧烟气普朗特数： 冷侧实际活动热量： 热管传出热量： 热侧烟气放出热量：（1） 烟气出口温度及对数平均温差 查210时烟气特性表： 烟气定压比热： 烟气密度： 烟气出口温度： 运用平均温差法，热侧烟气定性温度： 查定性温度182.3时的烟气物性表： 热侧烟气定压比热： 热侧烟气密度： 热侧烟气导热系数： 热侧烟气黏度： 热侧烟气普朗特数： 对数平均温差：（2） 确定迎风面积Aex及迎风面管排数B 热侧光管，冷侧翅片管。 1）热侧迎风面积Aexh冷侧迎风面积Aexc 热侧：（热侧标准迎风速度） 冷侧：（冷侧标准迎风速度） 2）迎风面宽度E 由于流量较大，热管相对取长一点 自取热管热侧长：（自取） 迎风面宽度： 迎面管排数：（取29根） 实际迎风面宽度： 热侧实际迎风速度： 热管冷侧长：（自取） 冷侧实际迎风速度： 热侧实际迎风面积： 冷侧实际迎风面积：（3）求总传热系数UH 1)管束最小流通截面积 热侧为光管，最小流通截面为: 冷侧为翅片管，最小流通截面为：2)最大质量流速热侧: 冷侧：3） 雷诺数 热侧： 冷侧： 4）流体换热系数 热侧： 冷侧： 5）冷侧翅片效率 故取 查表得 6）每米热管管外总表面积 热侧： 热侧传热面积： 冷侧： 冷侧每米长热管翅片表面积： 冷侧每米长翅片间管表面积： 冷侧每米热管管外总表面积： 冷侧传热面积： 7）有效换热系数 传热系数： （经验取值） 热侧： 冷侧： 8）污垢热阻和金属管壁热阻 热侧污垢热阻： （查换热器原理与设计附录D,取值） 冷侧污垢热阻： （查换热器原理与设计附录D,取值） 热侧金属管壁热阻： 冷侧金属管壁热阻: 9）总传热系数 热侧中径传热面积： 热侧内径传热面积： 总传热系数： （4）加热侧总传热面积 （5）所需热管数 取整数 804根（6）换热器纵深管排数和管子总根数 取29排，排列方式2928292829 （7）热管换热器的压力降 1）换热器的净自由容积 2）容积当量直径 热侧： 冷侧： 3）雷诺数 热侧： 冷侧： 4）摩擦系数 热侧： 冷侧： 5）平均壁温 热侧： 冷侧： 6）流体粘度 热侧壁温下流体粘度： （根据壁温查表得） 冷侧壁温下流体粘度： （根据壁温查表得） 7）压力降 通过热侧的压力降： 通过冷侧的压力降： （8）第一排热管的工作温度 1）第一排管子热侧传热量 （假设每排管子的传热量相等） 2）第一排管子传热面积 3）第一排热管热侧烟气物性参数 查表：烟气粘度： 烟气导热系数： 普朗特数： 4）第一排热管换热热侧雷诺数 5）第一排热管蒸发段传热系数 6）第一排管子有效传热系数 7）第一排热管热侧壁温 8）第一排管子冷侧传热量 9）第一排管子冷侧传热面积 10）热管冷侧烟气物性参数 烟气黏度： 烟气导热系数： 普朗特数： 11）第一排热管换热冷侧雷诺数 12）第一排热管冷凝段传热系数 13）第一排管子有效传热系数 14）第一排热管冷侧壁温 15）第一排管子工作温度 （9）末排热管管壁温度 1)末排排管子热侧传热量 （假设每排管子的传热量相等） 2)末排管子传热面积 3)末排热管热侧烟气物性参数 烟气粘度： 烟气导热系数： 普朗特数： 4）末排热管换热热侧雷诺数 5）末排热管蒸发段传热系数 6）末排管子有效传热系数 7）末排热管热侧壁温 （10）校核 （1） 管壁材料许用应力：=99.2MPa （查附录8） 工作温度下饱和压力：P=3.614MPa （查表） 工作最大压力： PP，强度校核安全。 （2） 校核酸露点重油烟气成分C83.50%H14.00%O2.00%N0.20%S0.30%实际烟气组成N274.20%CO211.95%H2O11.93%SO20.02%O21.90%图3重油烟气成分烟气中SO2含量对应的烟气酸露点表格图4硫化物对应的酸露点温度由于热侧末排管壁温度为148.45 110，因此无需加额外的防腐蚀措施。第三章 热管回热器的安装和技术要求3.1热管回热器的技术要求3.1.1换热器的技术要求本设备为焊接结构件，钢板、型钢材按GB/T700-2006碳素结构钢技术条件标准验收合格；热管与承压管管材按GB/T3087-2008低中压锅炉无缝钢管标准验收合格，同时在国际范围内执行钢管正偏差。焊接采用手工电弧焊，焊条牌号：（1）对承压元件焊接：E4315；（2）对非承压结构件焊接：E4303。焊接接头形式及尺寸除CAD制图中注明外按GB/T985986-1988中规定执行；角焊缝的焊脚尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准中规定。焊缝要求连续、致密、焊透，不虚焊漏焊。本换热器的进口烟气与壳体相接触的地方要做150mm厚的保温浇注料，浇注料的安装形式与壳体相同，必须用锚固钉和丝网固定；其中孔板下面做80mm厚的保温浇注料。设备组装完毕，所有焊缝打磨平整，去毛刺，锐角倒钝，外部分别喷涂防锈漆、银粉漆各一遍，并标注冷、热流体流动方向及冷、热流体名称。设备允许安装临时工艺吊钩，设备就位后去除。3.1.2 灰斗的技术要求灰斗的板材按GB/T700-2006碳素结构钢技术条件标准验收合格。板材加工前后校平校直。在灰斗加工时，必须控制变形，保证四角的垂直度，对角线长度误差1mm/m。用40*6的扁钢在天方地方以450mm间距内焊接加强筋；加强筋与天方地方间断焊，与短节连续焊。焊接采用手工电弧焊，焊条牌号：e4303。3.1.3 空门的技术要求空门的钢板、型钢都按GB/T700-2006碳素结构钢技术条件标准验收合格；空门的焊接可按GB/T985986-1988中规定执行；角焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度；用40*6的扁钢对其进行剪刀叉加强，扁钢与其内侧焊接采用断续焊，焊接时要控制它不变形。3.1.4 热管的技术要求热管按GB/T3087-2008低中压锅炉无缝钢管标准验收合格。同时在际范围内执行钢管正偏差。翅片按GB/T710-2006优质碳素机构钢薄钢板和钢带（一）标准验收合格。管材在制作热管前后须校直，不直度95。焊接参照GB/T1613-1993锅炉受压元件焊接技术条件执行，焊缝结构形式会在CAD显示。上、下封头的焊接采用氩弧焊打底，手工电弧焊盖面，腰板的焊接采用手工电弧焊，焊条牌号：E4315，焊丝钢号：H08Mn2Si；上、下封头与管制对接焊缝的表面余高1mm。热管的设计、生产及验收执行碳钢-水重力热管技术条件标准及其他相应的热管技术要求。第四章 总结与展望这次毕业设计使我大学四年以来懂的了许多东西，尤其是系统地对热管换热器进行设计。虽然设计中遇到了很多问题，每一次遇到问题，我都会首先冷静下来，去查阅相关的资料，或者和同学去讨论，实在解决不了就去找老师请教。本次设计我很好的把书本上的理论知识应用到了实践中，达到了很好的效果。同时在设计中我也深深的感受到了自己各方面的不足之处，如理论知识不能很好的应用到实践，遇事急躁。以后在工作学习中一定要改掉这些问题。本次设计我也重新认识到了锅炉原理，换热器在本专业的重要性。通过本次设计我对CAD在本专业中的应用有了更深的认识，也加深了对该软件的熟练程度。本次设计使我受益匪浅。参考文献1黄福娟.用回收的废热预热碎玻璃J.玻璃,1990,5.2张司桥,葛林,钱培金. 范军玻璃纤维池窑废气余热回收及脱硫除尘J. 煤炭科学研究总院杭州环境保护研究所.2009:,2.3 De Rondom 1, P.O analysis of elementaryprocess steps in industrialglass melting tanks - some ideas on innovations in industrialglass melting. 2008,9.4胡秀丽湿法烟气脱硫经济运行研究J电力设备，2006，7(8):12-155胡帆，史庆玺，任冬，吴晓光，杜长澎 .玻璃窑余热利用关键技术问题的探讨.2011, 31(5):381-3866傅文玲，胡秀丽.烟气膨硫系统回转再生式烟气携热器清浇装置使用效果探讨.2006:37薛润. 脱硫方式的选择M.2008,9 .8杨杰， 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