烟气冷却器及其传热管的制作方法

本实用新型总体涉及一种烟气冷却器。

背景技术：

申请人之前获得的烟气换热器专利CN101762199B中所提出的椭圆基管H型翅片传热管具有抗磨损、抗积灰性能良好、流动阻力小、功耗低、结构紧凑、单位空间可容纳更多受热面等优点。近年来在华能集团、申能集团、中信集团等所下辖电厂获得应用，并取得较好效果。

但是，近年来因环保要求严苛，超低排放技术和低温电除尘器技术获得大力发展和推广，烟冷器被设置于电除尘器上游，烟尘浓度高达10000～60000mg/Nm³，烟尘磨损加剧，积灰越发严重，且烟气降温幅度高达50℃，因此对传热管的流动阻力、流动功耗、传热能力等均提出了更高要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种改进的烟气冷却器及其传热管，其能克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种传热管，其包括：

中部具有椭圆截面的液流管，其中所述椭圆的长轴的长度为2a，短轴的长度为2b；以及

在单个液流管外表面上沿液流管轴向以10至30mm间距相互隔开的多对烟气翅片，每对烟气翅片包括相互对齐排列并且共同形成矩形外轮廓的第一烟气翅片和第二烟气翅片，其中第一烟气翅片和第二烟气翅片的形状相同，均居中设置有与椭圆管外表面形状相适配的椭圆弧缺口，每对烟气翅片的第一烟气翅片和第二烟气翅片之间具有沿所述椭圆长轴方向的外侧缝隙，其中液流管、第一烟气翅片和第二烟气翅片的材质均选自碳素钢、ND钢以及不锈钢且各自独立成型并通 过焊接连成一体，

其特征在于，a与b的比值在1.5至2.5之间。

如后所进一步论述，采用这种参数范围的传热管的综合性能得以显著提高。其中a与b的比值优选在1.7至2.2之间，更优选为2.0左右。

根据本实用新型的一个具体实施例，所述矩形的长边的长度为A，短边的长度为B，A与2a的比值在1.2至2.0之间并且B与2b的比值在2.0至3.0之间。A与2a的比值优选在1.5至1.8之间，更优选为1.6左右；B与2b的比值优选在2.2至2.6之间，更优选为2.4左右。

在本实用新型中，所述椭圆的等效圆直径可以在32mm至45mm之间，优选为32mm或38mm。这里的等效圆是指：直接冷轧一个母材圆管而形成目标椭圆管，其中对于目标椭圆管而言母材圆管的直径就是其等效圆直径。直径为32mm和38mm或45mm的母材圆管均为市售规格圆管，购取方便。

根据本实用新型的又一个具体实施例，外侧缝隙厚度W可以在6mm至12mm之间，优选为8mm左右。

根据本实用新型的一个优选具体实施例，2a为42mm，2b为22mm，A为65mm，B为50mm，W为8mm。

根据本实用新型的另一个优选具体实施例，2a为52mm，2b为24mm，A为90mm，B为60mm，W为8mm。

根据本实用新型的又一个具体实施例，烟气翅片的厚度可以在1mm至3mm之间；并且液流管的管壁厚度可以在2mm至5mm之间。

根据本实用新型的又一个具体实施例，液流管的两端部分可以具有圆形截面。这种两端圆形截面设计的液流管方便在后续组装过程中使用常规标准接头进行连接。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种用于布置在烟道内的烟气冷却器，其包括由多个上述传热管排列而成的多面墙，每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向，每面墙包括多个水平布置的并且液流管两端均垂直伸出烟道侧壁的传热管，其中每面墙中的传热管的液流管相 互并联设置并通过位于烟道外部的弯管接头与相邻一面墙中的同一水平高度的液流管串联连接。

采用本实用新型的传热管，可以非常方便地在现场例如电厂烟道组装成所需规格的烟气冷却器，并有效保证了组装效率和质量。

附图说明

图1为根据本实用新型的传热管的立体图；

图2为根据本实用新型的传热管的截面示意图；

图3为现有实例的传热管的截面尺寸示意图；

图4为根据本实用新型的对应于Φ32当量圆管的相应椭圆管的截面尺寸示意图；

图5为根据本实用新型的对应于Φ38当量圆管的相应椭圆管的截面尺寸示意图；

图6为根据本实用新型的电厂锅炉烟气处理系统。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明，本领域技术人员应该理解，实施例和附图只是为了更好地理解本实用新型，并不用来做出任何限制。

参见图1，根据本实用新型的传热管包括单个椭圆管10以及沿椭圆管10的纵向或轴向布置的多对相互对齐的翅片(或可称作“H型翅片”)。根据实际情况需要，每对翅片以10-30mm的间距均匀隔开。每对翅片包括上翅片21以及下翅片22。椭圆管10、上翅片21以及下翅片22的材质可以选自碳素钢、ND钢以及不锈钢，各自独立成型并随后通过焊接例如高频闪光电阻焊再连成一体。传热管可以再进一步组装为烟气冷却器(亦可称作“换热器”)安装在例如电厂的烟道中，如后所进一步详细描述。

椭圆管10通常通入待加热液体例如水，因此亦可称作“液流管”。虽然图示椭圆管10全长均为一致的椭圆截面，但椭圆管10也可以设计成两端仍然为圆形截面，只是作为主体的中部制成椭圆截面。这种两端具有圆形截面的椭圆管10在后期组装连接过程中具有优势，可 以仍然使用常规的圆截面弯管接头进行互连。

上翅片21和下翅片22通常直接处于例如烟道的高温高粉尘烟气或烟雾环境中，因此亦可称作“第一烟气翅片”和“第二烟气翅片”。上翅片21和下翅片22形状完全相同或基本相同(图示互为镜像)，大致均具有矩形外轮廓，中央部分开设与椭圆管外表面形状相适配或相吻合的椭圆弧缺口以平滑焊接在椭圆管10上。每对翅片的上翅片21和下翅片22彼此相互对齐地居中焊接在椭圆管10上之后总体形成矩形外轮廓，但彼此之间具有沿椭圆长轴方向的外侧缝隙(亦可称作“开缝宽度”)W，外侧缝隙W对称地分居椭圆管10两侧。

如图2所示，本实用新型的椭圆管10的截面椭圆(外轮廓)的长轴长度标示为2a，短轴长度标示为2b，椭圆管壁厚标示为S。每对翅片的上翅片21和下翅片22所共同形成的总体矩形外轮廓的长边长度标示为A，短边长度标示为B，上翅片21和下翅片22之间所形成的水平外侧缝隙厚度或上下距离标示为W。

图3示出了如CN101762199B公开的现有实际使用的椭圆传热管的一个实例的相关尺寸；图4和图5则分别示出了根据本实用新型的两种具有代表性对应于圆管当量管径(Φ32和Φ38)的传热管的相应椭圆基管和翅片的各相关尺寸，亦如下表1所示。

表1

发明人在模拟研究(如后所详细描述)时发现，椭圆管的长短轴之比a/b是一个重要参数。现有传热管例如图3所示实例的椭圆管的 长短轴之比值a/b对于不同应用场合并非全都适合，有些状况未能充分发挥基管由圆管改为椭圆管后传热能力显著提高、流动阻力大幅降低、抗积灰能力增强及管束紧凑性改善的优势。

通过数值分析、流场显示、回归分析与优化及实验验证已经证实：在烟冷器运行工况条件下，椭圆形基管的长、短轴比a/b应在1.5～2.5之间，其中a/b的比值在1.7至2.2之间可以适用于大多数的烟气/水换热场合。

另外，发明人更为重要的发现是，上述现有实例的翅片的宽度(长边)、高度(短边)、开缝宽度、以及椭圆长短轴的尺寸均至为关键。因为这些尺寸的不适当均会使整个翅片的肋效率偏低，不能充分发挥基管由圆管改为椭圆管后翅片的增强传热作用。基于后面所描述的模拟研究以及大量的现场试验，发明人最终确定了翅片宽度A、包含翅片开缝宽度在内的翅片上下延伸总高度B、椭圆长短轴长度之间存在能够实质影响上述性能的相互关系，即A与2a的比值以及B与2b的比值共同起到关键作用(注意参数B已经包含了开缝宽度W以及上下翅片的高度之和而非再指单个翅片的高度)。

评价翅片性能的主要指标参数之一是翅片效率，分析计算表明，对于基管为椭圆管的矩形翅片，在翅片高度较低及翅根处曲率半径较大的那部分翅片表面，它的局部翅片效率具有很高的值，合适的A/2a及B/2b可以大幅提高沿翅片高度方向的局部翅片效率，其值可达90％以上，使得翅片的平均翅片效率在80％以上。

合适的A/2a及B/2b可提高翅片和椭圆基管的焊接融合角，焊接融合角反映了H翅片和椭圆基管的焊接接触长度，后者显著影响翅片效率的大小。分析和实验均证实：图3所示现有实例的焊接融合角为149°，而在本实用新型的实施例中焊接融合角均可提高至161°，增加了10°以上。

合适的A/2a及B/2b可提高流体在H翅片外表面的平均换热系数，提高翅片的传热能力。

翅片表面的优化就是寻找使翅片管的传热系数、肋化系数和翅片效率综合最佳时的A/2a及B/2b，或在一定的肋化系数下，合适的A/2a及B/2b可使翅片表面的传热系数、肋片效率和流动阻力综合达到最佳值。

此外，H型翅片的开缝宽度W自身还具有如下作用：

1.可引导烟气吹扫管子和肋片上的积灰，取得一定的自清灰效果；

2.W的适当宽度能使H翅片产生轻微的自激振荡，使翅片表面不易积灰，具有自清灰能力；

3.前驻点附近的滞止区及下游分离点后的漩涡区是翅片区域中换热效果较差的区域，而间隙W的存在相当于在这部分区域不设置传热面。这样虽少布置了一部分传热面积，但翅片的总传热能力却有所提高。研究表明，随a/b的增大，开缝(间隙)宽度W可相应的有所减小，在优化研究的基础上，目前的H型翅片的开缝宽度可以确定为6～12mm。

根据本实用新型的改进后的传热管至少具有如下优点：

1.流动阻力进一步降低7～10％左右，流动阻力的降低可进一步减少风机的功耗，节省烟冷器的运行费用。以1台1000MW机组的烟冷器为例，每年可节约厂用电约500000千瓦时。

2.降低了风机改造的条件及成本，在合适的条件下，风机可不改造或较小规模改造，仅此一项即可节约数百万甚至上千万的改造费用。

3.总传热能力提高10％左右，以1台1000MW机组的烟冷器为例，可节省钢材重量约80～100吨，降低了烟冷器的制造成本。

4.提高了管组布置的紧凑性，与原方案相比，紧凑性(m²/m³)约可提高5％以上。

5.自清灰能力能力有进一步提高，可减少吹灰器的数目，节约了使用蒸汽或压缩空气吹灰装置的成本和运行能耗。

6.使产品管系多样化，更能适应和满足市场的需求。

下面以两端具有圆形截面的传热管为例简要描述在现场例如电厂烟道如何组装为烟气冷却器。

首先，将传热管在烟道内排列成沿烟道纵深方向相邻的若干面墙。每面墙均垂直于烟道内烟气流动方向。同一面墙中从上到下铺排有多个横向传热管，其液流管的两端沿水平方向垂直穿出烟道的相对侧壁，同时上下翅片之间的外侧缝隙正对烟气流动方向(或外侧缝隙纵向长度延伸方向与烟气流动方向平行或一致)。同一面墙中液流管相互并联设置；在烟道外部使用标准圆形截面弯管接头将上下游(沿烟气流动方向而言)相邻墙中同一水平高度的液流管的两端顺次串联连接，由此组装成烟气冷却器。这种同一面墙中的液流管并联但与下游相邻墙中等高液流管串联的排布方式可以充分利用烟气余热。另外，在烟道外部互连液流管的方式避开了烟道内部恶劣气氛的影响，降低了泄漏等故障发生。

另外，采用上述方法，可以非常方便地将本实用新型的传热管现场组装成所需规格的大型烟气冷却器，有效保证了组装效率和质量，并最小化了运输不便等问题。

根据本实用新型所组装成的烟气冷却器可以用作烟气冷却器，在例如图6所示的电厂锅炉尾部烟道回收烟气余热并加热净烟气来实现环保排放。图6示出的电厂采用了低低温电除尘技术的烟气净化排放系统，在低低温电除尘器前可以增设本实用新型的烟气冷却器。

如图6所示，从锅炉1出来的300℃左右的烟气进入SCR脱硝系统2脱硝之后，进入空气预热器3进行换热，预热后的空气被送入锅炉。从空气预热器3出来的烟气降至140℃左右，随后进入本实用新型的烟气冷却器(烟气冷却器)4以与70℃左右的热循环水换热。从烟气冷却器4出来的烟气降至90℃左右，随后进入电除尘器5进行除尘并再进入脱硫吸收塔6进行脱硫。从脱硫吸收塔6出来的烟气将至50℃左右，随后进入烟气加热器7。烟气加热器7与烟气冷却器4共用热循环水，以将50℃左右的净烟气升温至90℃左右后在进入烟囱8进行排放。

本实用新型的烟气冷却器的进口水温控制为70℃左右，这可以最小化烟气冷却器遭受烟气腐蚀，同时兼顾热交换效率。另外，利用共用循环热水将净烟气升温至90℃左右以后再行排放不但能够符合环保要求，还兼顾了烟囱的腐蚀问题。

当然，本实用新型的烟气冷却器也可以有其它合适应用，例如用来加热城市热网循环水；或者用来加热汽机抽汽回热系统中的凝结水以减少用于低压加热器中的蒸汽抽汽量，而节省的蒸汽量进入低压缸中继续作功发电，以降低汽轮发电机组的标准煤耗率等。