钛白粉生产线烟气余热回收

钛白粉生产线烟气余热回收

摘 要 钛白粉生产线排放烟气露点高、粉尘细，用常规换热器进行余热回收有很大难度，本文通过理论和实践相结合，对钛白粉生产线烟气余热回收的换热设备选型、冷载荷选择及换热方式的合理应用做了详实的阐述。

关键词 余热回收；热管；露点；低温腐蚀

0引言

我国目前钛白粉产能在100～150万吨之间，基本上全部采用硫酸法，此法工艺复杂，能源消耗大，转窑排烟温度高达300℃～400℃，高温烟气需降温后才能对外排放，目前我国生产厂家均采用水冷法进行降温，生产一吨钛白粉所产生的烟气降温需50～60立方水，此降温方法不仅不能将烟气中的热能回收利用，还浪费大量的水资源。

钛白粉转窑排放的烟气含有SO3和大量的水分，所以露点较高，通常在160℃～220℃左右，同时尾气中含有大量的粉尘，粉尘颗粒细度可达2000目，又细又粘。用常规间壁式换热器进行余热回收有很大难度。下面介绍一种用热管换热器对钛白粉生产线烟气余热进行回收的方法。

1设备选型

烟气露点高，粉尘大，冷载荷入口温度通常都在20℃左右，用常规间壁式换热器进行换热，换热元件管壁温度会很低，特别是在冷载荷入口处，温度会低于露点，造成低温腐蚀，因此对此类烟气的余热回收建议选用热管换热器作为换热设备，换热元件采用钢水重力热管。

1.1热管的传热原理及特点

重力热管传热基本原理[1]：高温烟气自热管换热器气体进口进入，横向掠过翅片管，热管的蒸发段受热，热管内的介质蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段放出热量凝结成冷凝液，在重力的作用下流回蒸发段。如此循不已，热量就从高温烟气传给了低温介质。

应用特点：1）较大的传热能力，热管巧妙的组织了热阻较小的沸腾和凝结两种相变过程，使它的导热系数高达同类材料导热系数的数倍以至数百倍；2）优良的等温性，热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。

1.2热管换热器在高露点烟气中的优势

管壁温度可调：当两种换热介质在同一传热壁面两侧进行热量交换时，传热

壁面的温度接近换热系数大的那一侧换热介质的温度[2]，蒸汽的换热系数比烟气高很多，因此热管管壁温度接近热管内蒸汽的温度。热管换热器由中间花板分成两部分，烟气和空气分别在花板上下两侧空间流动，换热设计时可通过调整热管冷热侧的长度，翅片高度和间距调整热流密度，通过热流密度调整热管内饱和蒸汽温度，从而达到调整管壁温度的目的。

烟气侧和空气侧均可缠绕翅片扩展受热面：烟气和空气的换热系数都很低，用常规间壁式换热器进行热交换时，换热管外侧可缠绕翅片扩展受热面，但管子内侧很难扩展受热面，换热器总传热系数因管内面积受到限制。热管换热器分冷热侧两部分，烟气侧和空气侧可同时缠绕翅片扩展受热面[3]，因此热管换热器较常规间壁换热器换热效率高，节约钢材，结构紧凑。

2换热器设计

2.1露点的确定

由于原料品质的不同，生产系统排放烟气的露点也不相同，露点温度随烟气中所含三氧化硫和水份的的多少而变化，三氧化硫和水份越多，露点温度越高。露点温度的确定对于换热器的设计至关重要。通常可以采用霍夫露点计算公式来计算烟气的露点。

2.2换热方式分析

通常状况下，换热器出口的温度要高于露点温度30℃以上，如果换热器出口温度太接近露点温度，即使能保护后续设备，也无法将换热元件的管壁温度设计到露点以上，从而导致换热器的低温腐蚀和积灰。

当烟气露点温度高达220℃时，为了保护换热器后面的设备，换热器烟气出口温度不应低于250℃。此时，即使换热器烟气进口温度达到400℃，烟气的温降也只有150℃，若冷载荷采用空气，鼓风量约为引风量的80%，空气的温度可升高至200℃左右，显然此时采用逆流传热不合适，逆流传热会使烟气入口侧的几排热管的工作温度超出钢水热管的使用上限，而在烟气出口侧的几排热管，无论怎样调整都很难将管壁温度调整至露点以上。因此这种情况应采用顺流传方式，顺流传热时，烟气的高温对应空气的低温，烟气的低温对应空气的高温，经过热流密度的合理调整，每排热管的管壁温度会很接近且可以都高于露点。

当烟气露点温度在160℃时，换热器烟气出口温度控制在190℃左右，可回收的热量相对较多，此时即使冷载荷使用水，也建议采用顺流，以保证换热器内所有热管管壁温度的合理性。若采用空气作为冷载荷，空气在换热器出口的温度可能接近甚至超过烟气出口温度，使用顺流方式将无法达到换热效果，单纯使用逆流将无法壁开露点，此时建议采用顺流和逆流相结合的方式，如四川某钛白粉生产厂家烟气余热回收换热器设计，原始数据：钛白粉生产线，年产15000吨，转窑排放烟气16000Nm3/h，温度320℃降至190℃，用空气作为冷介质，流量13000Nm3/h，温度由30℃升至196℃，然后用鼓风机输送进窑炉，回收热能

781kw。

在烟气量和空气量一定的情况下，要使烟气温度降至190℃，空气必需升至196℃（冷热侧热损均取3%），此时采用顺流不可能实现上述换热。若采用逆流传热，单从传热计算上是可行的，但是为了防止低温腐蚀和积灰，管壁温度必须要高于露点，在上述条件下，烟气到达出口时190℃，此时对应的空气温度是30℃，要实现每排管壁温度都高于露点温度以上是很难实现的，大约有9排热管的内部蒸汽温度在110℃～152℃。为了提高管壁温度，防止低温腐蚀和积灰，现将方案改为顺流和逆流相结合，如图1所示：

2.3结论

从表1数据可以看出，换热器Ⅱ中14列热管内蒸汽温度很接近，均在160℃左右，由于热烟气对管壁的影响，换热器Ⅱ热管平均管壁温度为169℃，基本避开了露点。通过冷热侧管子长度和翅片的调整，换热器Ⅰ热管内部蒸汽温度在179℃～242℃之间，平均管壁温度为221℃，热管内部最高蒸汽温度242℃，低于钢水热管的最高工作温度250℃，在安全工作范围内。

3结论

钛白粉生产中，因原料的品位不同导致排放烟气的露点不同，粉尘颗粒和含量不同，进行烟气余热回收时应首先确定露点温度，保证烟气流速、压降在合理范围的基础上，通过热流密度的调整，顺流、逆流换热方式的合理选择或巧妙结合，使热管内部蒸汽温度在安全工作范围内，管壁温度则高于露点温度，防止低温腐蚀和积灰，从而确保换热设备可以安全、长期、高效的工作。

参考文献

[1]王斌斌，仇性启.热管及其换热器在烟气余热回收中的应用[J].中外能源，2006，35（05）：25-27.

[2]张清蕴.热管空气余热器设计、运行中的几个问题[J].中外能源，2006（4）：88-90.

[3]杨肖曦，王弥康，许康.热管换热器防腐蚀调壁温设计[J]，1998（5）：10-12.