摘要：当前我国的社会经济在不断的发展，大多数工业蒸汽锅炉依旧处于生产浪费大、能耗高、环境污染严重等状态，蒸汽锅炉连续排污水温度高容易结垢，大量高温排污水未经余热利用排入污水管道，本文作者设计了具有振动阻垢功能的排污换热器，将锅炉排污水引至排污换热器，通过振动阻垢和充分换热，将热量传递到锅炉补水箱的软化水，实现蒸汽锅炉排污水的余热利用目的，供同行参考。
关键词：排污换热器；振动阻垢；余热利用
1、目前排污余热利用概况
为了利用蒸汽锅炉排污水中的余热，有的大型蒸汽锅炉使用换热器对排污水进行换热，大部分结垢、堵塞要定期拆卸、清理十分麻烦。因为蒸汽锅炉排污水量并不太大，排出的水蒸气比较烟气中有毒的氮氧化物、硫氧化物危害小，没有引起相关部门的重视没有专用的排污换热器。
1.1 蒸汽锅炉排污的概念
为了控制锅炉锅水的水质防止锅炉结垢，需要从锅炉中不断地排除含盐、碱较大的炉水和沉淀的水渣、污泥、松散状沉淀物，这个过程就是锅炉排污。排污方式分连续排污和定期排污。连续排污又称表面排污要求连续不断地从炉水盐碱浓度最高部位排出部分炉水，以减少炉水中含盐、碱量，含硅酸量及处于悬浮状态的水渣含量。定期排污主要排除炉内水渣及污泥等沉淀物，小型锅炉只装设定期排污。
1.2 以前公司排污余热利用情况
以前的蒸汽锅炉排污水的工艺流程是：蒸汽锅炉连续排污水经过排污膨胀罐（扩容器）上部分离出一部分蒸汽，下部排污水排到排污沉淀池，流入市政污水管道。集中供热站以前有排污换热器因为结垢堵塞已经拆除，1#站的2台10t/h燃气蒸汽锅炉就没有设计排污换热器。每年停暖季时运行245天，供汽平均负荷10 t/h，排污量占10%，排污量1t/h，根据水放热量公式：Q=Gc（t1-t2）（1）
G—流量，kg/s
c—水的质量比热，4.2kj/kg. ℃，
t1、t2—水流经换热器前、后温度，℃。
根据公式（1）按照98℃的排污水冷却到40℃，每年蒸汽锅炉运行245天排放热量1427.87GJ，按照供暖热价100元/GJ，每年可回收热量价值142787元。如使用普通换热器需要定期拆开清洗费用非常高，会增加锅炉排污的阻力。
1.3 新型排污余热利用器结构特点
为了解决排污水的结垢问题。我们查阅资料发现在目前的换热器中浮动盘管换热器是阻垢效果最好的，它是通过蒸汽流动使盘管振动，盘管表面不容易结垢。我们认为排污换热器需要外加振动源。采用卧式槽内流动结构阻力小，便于外加振动源，内部采用弹簧支撑结构便于振动传导，采用表面光滑的不锈钢波纹管作为换热管传热系数更高。
2、排污余热利用器的使用效果分析
通常蒸汽锅炉排污水经过排污膨胀罐（扩容器）进入排污沉淀池，排污水进入污水管道温度在95℃左右。使用了排污余热利用器后，进入污水管道的排污水温度明显降低。我们对余热利用情况，不同振动频率的结垢情况，流动情况进行了试验。
2.1 振动电机对排污余热利用器结垢的影响
对比浮动盘管换热器的几秒一次振动，我们采用的晶体管触发电路振动电机，能实现10个档位，0-5000rpm转速调节，最大振动频率83赫兹，我们分别在振动电机调速器不同挡位下试验48小时，发现在3挡下排污余热利用器的主要换热元件上没有结垢，换热管正常没有泄露。排污水中有白色沉淀物在排污换热器底部沉积，流动正常。
2.2 稳定流量情况下排污余热利用器内换热管传热系数计算
为了对排污余利用器的效果进行评估，就必须对核心换热元件不锈钢波纹管的传热系数进行测算。不锈钢波纹管有波纹处管径为大径用D1表示，没有波纹处为小径用D2表示，波的宽度与没有波的宽度近似相等用H表示。则每米长度波纹管面积S可表示为如下：
D1—不锈钢波纹管的波纹处管径
D2—不锈钢波纹管没有波纹处管径
H—波的宽度与没有波的宽度近似相等
将我们使用的不锈钢波纹管径D1=0.025，D2=0.02，H=0.002，计算得出每米长度波纹管面积S=0.159平方米。排污余热利用器使用的不锈钢波纹管共60米，总换热面积是9.54平方米。
根据传热系数计算公式：K=Q/AΔtm（3）
其中Q—传热负荷，KW；
将测试参数带入公式（4）、（3）得出波纹管的传热系数是115.19W/M2. ℃，目前传热系数不高主要是因为流速较低，可改进为大口径软接头代替铝塑管解决流量问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据传热理论对流传热系数与雷诺数Re=的n次方成正比，同一种流体流速越快，雷诺数越大，可通过增加流速提高传热系数。
3、改造方案
3.1 锅炉排污余热回收方案及工艺设计
锅炉排污是保证锅炉安全运行的重要环节。锅炉排污分为定期排污和连续排污。定期排污又称底部排污，每班一次，主要排除锅炉集箱底部沉积物、水渣，防止水渣在某一部位聚集形成二次水垢。连续排污又称表面排污，主要排掉锅水表面的油脂和泡沫，降低锅水的含盐量，使锅炉水质指标符合标准。锅炉排污余热回收的困难主要在定排管系统压力不一致，易产生二次蒸汽造成振动。
经团队分析讨论确定方案加装两套水—水换热器，热源采用锅炉定、连排排污水在换热器管束内流动，换热后排入冲灰沟内。冷源采用水处理软化水在换热器管壳内流动，吸热后排入软水箱。根据现场实际状况一台采用水平安装，一台采用立式安装，具体措施如下：
（1）在定排膨胀箱进口加装阀门与定排膨胀箱隔离。
（2）新敷设定排管道与锅炉连排膨胀箱排污管合并。
（3）锅炉连排膨胀箱排污管出口加装止回阀，防止定排排污水进入连排膨胀箱。
（4）定连排合并后管道加装过滤器接至换热器，经换热后排入冲灰沟内。
（5）换热器冷源采用水处理软化水吸热后排至软水箱。
3.2 除氧余热回收方案及工艺设计
热力除氧原理是将锅炉给水温度加热到沸点，使水沸腾，从而使水中溶解的氧被解析出来，在排除氧气的同时一部分加温蒸汽也排入大气。除氧余热回收的主要困难是除氧器工作压力低，正常工作压力在0.01-0.02MPa，要求换热器阻力小于0.01MPa，若换热器阻力大于0.02MPa，会造成除氧器工作压力升高，影响正常运行。同时乏汽中混有氧气，如作为闭式系统蒸汽回收，则氧气会被带入锅炉给水系统，增加设备管道氧腐蚀。
经团队分析讨论确定方案加装两套汽—水换热器，将除氧器排出的乏汽与除氧器给水换热凝结回收，而氧气等其他不凝结气体通过排汽管排至大气。经调研，换热器选择陕西新瑞冷暖机电设备厂生产的波纹管换热器，该换热器采用不锈钢波纹管，换热效率高且阻力很小。热源为除氧乏汽在管壳内流动，换热后凝结成水在管壳末端底部回收排入凝结水箱二次再利用，氧气等其他不凝结气体通过换热器管壳末端顶部的排气管排放至大气。冷源采用除氧器进水在管束内流动，吸收除氧乏汽余热后直接进入除氧器加温。换热器采用水平安装，减少壳程阻力，保证除氧器工作压力正常。
4、改造效果
经过5个月的努力，锅炉余热回收改造顺利完成，投入运行后效果良好，但也存在一些问题，具体内容如下：
4.1 好的方面
（1）锅炉排污水温度降低，大约为40-50℃，渣池环境大为改善同时消除了白色污染。换热后的软化水温度提高了10度以上。
（2）除氧器向空排管道不再有蒸汽排出，除氧加温耗汽量明显降低，经统计除氧加温每吨软化水耗蒸汽量由过去的0.14吨降低到0.07吨。
4.2 存在问题与不足
由于现场位置限制，改造设计中一台采用立式安装，另一台采用水平安装。立式安装热源从换热器顶部进入，底部排出，运行后无任何振动现象。水平安装热源从水平方向进入，水平排出。运行后出现汽水冲击、振动问题，多次造成波纹管焊缝脱焊。
经分析换热器水平安装易造成气体聚集在换热器两端封头上部，不利于气体排除，因此造成频繁振动。
4.3 优化及改进
经分析讨论确定改进换热器封头，将换热器凸形封头改为锥形，确保进出口端在换热器最高处，便于气体排出。改进后换热器振动频率、强度明显降低，再未出现波纹管焊缝脱焊现象。综上所述锅炉排污余热回收换热器适合立式安装，可避免振动现象发生。
5、排污余热利用器经济性分析
排污余热利用器阻垢换热效果明显，已获得国家专利局实用新型专利，专利号：ZL201621094484.1。我们对排污余热利用器的成本进行分析。
运行费用：余热回收水泵耗电0.55度电/小时，振动电机实际耗电0.00672度电/小时，工业用电价格1元/度，运行费用0.56元/小时。运行收益：根据回收水流量1.2t/h，进水温度37℃，出水温度66℃，回收热量0.1457GJ/小时，供暖热价100元/GJ，运行收益14.57元/小时，运行每小时净利润14.01元。只需运行568.5小时折合24天就可收回成本。
6、结束语
通过使用新型排污余热利用器能够很好地解决排污水结垢的问题，有效降低排污水温度不仅降低了温室气体水蒸气的排放，还有效利用了余热用于加热锅炉补水箱内的水，节能效果明显。
参考文献
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[3]吴金星，韩东方，曹海亮.高效换热器及其节能应用[M].北京：化学工业出版社，2009：113.
论文作者:冯庆斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/25
标签：换热器论文; 余热论文; 锅炉论文; 污水论文; 波纹管论文; 换热论文; 蒸汽锅炉论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;