火化机尾气系统换热单元设计优化探讨

张 帅

(福寿园环保机械制造有限公司，安徽 宣城 242299)

随着每年死亡人数的增加，殡仪馆火化任务量持续增大。火化机作为遗体火化的主要设备，需配套有完善的尾气净化系统。整个系统的高效运行影响火化过程的能耗和环保效果。对于殡仪馆火化机尾气，其中主要的污染物包括粉尘、氮氧化物、二氧化硫、二噁英、重金属等[1-4]，由于殡葬环保事业发展相对滞后，污染物净化系统工艺设计和实际运行过程仍存在些许问题，环境污染问题常常暴露出来。

火化机尾气净化技术常用的工艺路线为：“火化炉-换热器-初除尘器-布袋除尘器-脱硫塔-烟囱”，为了治理二噁英也常常在除尘器前管道内喷射活性炭进行吸附脱除[5]。整个工艺过程中换热器的设计至关重要，换热器出口的设计温度既要满足后续工艺的需求，又要满足环保、稳定运行的设计要点，换热器设计也在不断改进优化过程中。

1 常规换热器选型

对于火化机系统常用的换热器，从结构形式上可分为管式换热器和板式换热器，从介质上又可分为气-气换热器和气-水换热器。管式换热器采用换热管规格多样，管子直径在φ26～φ100 mm之间，材质通常为不锈钢，高温段换热采用310S/316材质，低温段换热可采用304不锈钢材质。在应用过程中，有的采用气-气换热形式，冷却介质采用空气，有的采用气-水换热形式，冷却介质为水或其他液体，热空气直接排走，而水则降温冷却后循环使用。不同厂家设计的换热器形式、结构不尽相同。通过不同厂家的换热器进行对比，对换热器结构形式优缺点分析见表1。

表1 不同结构换热器比较Table 1 Comparison of heat exchangers with different structures

2 换热单元设计实践

通过殡仪馆调研和工程运行实践，对不同结构形式的换热器在火化机系统上的运行情况进行考察，选择典型案例进行分析总结，详情如下。

2.1 气-气管式换热器

在上海某车间火化机上应用的气-气管式换热器，设备设计参数如表2所示。

表2 换热器设计参数Table 2 Design parameters of heat exchanger

火化机出口温度一般控制在800～900 ℃之间，然后进入换热器中，烟气在换热器中沿换热管水平向流动。在持续运行12个月后，运行中发现系统阻力增大，打开换热器检修门，发现内部积灰严重，将换热器下半部分已全部阻塞，灰尘已积累牢固，清理困难，换热器管子破裂，已基本报废，只能重新更换换热器。

图1 换热器管子腐蚀情况Fig.1 Corrosion of heat exchanger tubes

更换的换热器仍为气-气管式换热器，换热器结构形式相似，但管子中心距增大，管子直径增大，采用了翅片式换热管，提高换热系数，设备设计参数如表3所示。

表3 换热器设计参数Table 3 Design parameters of heat exchanger

火化机出口温度仍控制在800～900 ℃之间，在持续运行一年后，系统运行参数变动不大，打开换热器检修门，内部积了少量灰，在换热器底部，但不影响正常运行，正常清理即可。

2.2 气-水管式换热器

在杭州某殡仪馆火化机上采用了气-水换热形式的换热器，换热器形式为水冷列管式换热器，水作为冷却介质，自来水补充进来后，循环进行换热，热水在一冷却塔中进行降温，其主要的设计参数如表4所示。

与气气管式换热器相比，其换热器能力较高，采用换热管数量减少，制作成本低，根据实际工程应用案例对比，水冷换热器成本约相当于与气气换热器的1/2。

2.3 气-气板式换热器

板式换热器换热效率高，在相同的压降约束条件下，其传热系数管式换热器的3～5倍[6-7]，在同样的设计参数下，结构小巧，安装方便，整体体积约为气-气管式换热器的1/2，其内部结构如图2所示。

图2 板式换热器结构形式Fig.2 Structure of plate heat exchanger

在实际工程使用过程中，发现由于板式结构中板与板之间的间距最大约为20 mm，通常烟气中存在大量的粉尘和颗粒物，因此使用一段时间后，内部累积粉尘和颗粒物，且深入板式结构内部，其粉尘大多具粘性，采用空气吹扫收效甚微，因此此类换热器在应用时，需设置在粉尘较低的工段，如布袋除尘器后面，延长设备的正常运行时间，保证设备使用寿命。

3 换热单元优化讨论

3.1 降温换热与二噁英脱除

火化炉二噁英生成源头来自遗体、遗物等的焚烧，控制二噁英浓度主要在于优化火化炉燃烧条件和搭配合理的净化设施。通常控制二噁英的方法，在前端采用“3T+E”理论，即控制燃烧温度850 ℃以上，足够的停留时间(一般2 s以上)，较高的湍流程度，保证足够的空气供给量，减低炉子内排出浓度。排放过程中采用急冷快速降温控制二次生成，温度降至250 ℃以下(1 s以内)[8]，最终控制在较低浓度。

据文献报道，火化炉出口烟气中二噁英浓度数据在1.5～5.4 ng/m3[9]，排放平均值达到国家限值的6倍以上。在既定火化炉炉膛结构下，净化系统急冷降温阶段对于控制二噁英含量至关重要。在火化炉尾气净化工艺中，降温换热器设备设计时，要考虑结合二噁英的脱除原理，加快烟气在换热器中的流速，在保证降温效果的同时，尽可能的减少二噁英的再次生成。

3.2 降温换热与湿法脱硫

降温也可以采用喷水降温的方式，即通过在塔器中喷水雾的方式与烟气混合后快速降温烟气温度，由于水和烟气直接接触，降温时间短，效果较好。喷淋水中可加入碱性物质，如NaOH、NaHCO3等，采用喷碱液的方式进行，在实现降温效果的同时进行脱硫(SO2)，一举两得。但使用过程中，需注意水对系统工艺的影响，水分过大会使后续除尘器设备内潮湿，不利于除尘工序；此外也需考虑碱水中和酸性物质后的定期处理排放问题等。据实际走访调查，此技术在现有殡仪馆火化机上应用较少。

3.3 余热回收利用

利用换热器来回收火化机烟气中的热量，此类技术已初步成熟，通常采用水冷列管式换热器，烟气可走管程或壳程，冷水进换热器后经过换热，温度升高，热水可用于殡仪馆的供暖、生活用水或发电等，一方面达到了降温的目的，另一方面对回收了热量，提高能量的利用率。经核算，6台火化机每小时可回收的热量可达到：11 304.6～15 072.48 MJ[10]，可获得较大的经济效益。

4 结 论

换热器结构形式主要包括气-气管式换热器、板式换热器、气-水管式换热器，通过分析和工程案例对比，气-水管式换热器在殡仪馆火化机行业尾气净化系统中应用时具有换热能力高，制作成本低的显著优势。在对水的要求不高的情况下，应优先的选择气-水列管式换热器的设计形式。

换热器设计时，可结合火化机尾气净化工艺，兼顾二噁英的脱除，设计急冷降温和湿法脱硫一体的净化设备，有热水需求的还可以选择余热回收技术，避免能量资源浪费。换热器的设计优化可以较好的提高经济效益和环保效果。