何春玲

（大冶斯瑞爾換熱器有限公司，湖北大冶 435100）

針對含有大量的塵埃的鍋爐煙氣余熱回收，本項目研制產(chǎn)業(yè)化的高效余熱回收節(jié)能裝置，安裝在窯爐的排煙管道上，大大地減少了離爐煙氣所帶走的熱量，將助燃空氣預(yù)熱到一定的溫度后參與燃料的燃燒，燃料消耗大量減少20～25%，市場前景廣闊。余熱高效回收減排技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用將有力地推動我國方興未艾的節(jié)能和環(huán)保事業(yè)。同時，也可以為項目申報單位帶來可觀的經(jīng)濟效益。對我國“十一五”提出的能源戰(zhàn)略、環(huán)境保護和自然資源的可持續(xù)發(fā)展都有重要的現(xiàn)實意義。

1 項目總體實施情況

1.1 項目基本情況

1.1.1 主要研究內(nèi)容

（1）鍋爐排煙溫度余熱數(shù)據(jù)搜集：需求按月定期到現(xiàn)場進行煙氣排煙溫度和煙氣露點溫度巡檢。檢查和監(jiān)控數(shù)據(jù)庫運行的狀況，分析其穩(wěn)定性和運行性能，發(fā)現(xiàn)潛在的回收潛力，保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行。（2）研究高效SP管的設(shè)計制造，高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島整體裝置設(shè)計制造。（3）高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島系統(tǒng)裝置現(xiàn)場安裝：提供系統(tǒng)操作培訓(xùn)和具體實施。（4）研究排煙溫度與壁面溫度之間的關(guān)系。降低排煙溫度的同時，保證金屬受熱面璧面溫度處于較高的溫度水平，遠離酸露點的附屬區(qū)域；（5）研究高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島系統(tǒng)控制模式。實現(xiàn)了換熱器金屬受熱面最低避免溫度處于可控可調(diào)狀態(tài)，使余熱回收換熱器具有相當幅度的調(diào)節(jié)能力；（6）研究其高效性。保留了熱管換熱器所具有的高效傳熱特性的同時，可通過排氣操作有效的解決相變換熱器的老化問題，大大延長了設(shè)備的使用壽命。

1.1.2 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

利用先進的三維變空間變流場設(shè)計技術(shù)控制煙氣余熱回收流場，實現(xiàn)余熱回收裝置的冷熱交換流場空間可控，傳熱界面溫度可控可調(diào)，實現(xiàn)了高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島金屬受熱面最低溫度處于可控可調(diào)狀態(tài)。在降低排煙溫度的同時，保證金屬受熱面璧面溫度處于較高的溫度水平，遠離酸露點的附屬區(qū)域，從根本上避免了結(jié)露腐蝕和由此發(fā)生的堵灰，大幅降低設(shè)備的維修成本。

利用先進的三維變空間變流場設(shè)計技術(shù)控制煙氣余熱回收流場，適應(yīng)鍋爐的燃料品種以及工況惡化的變化；保留了熱管換熱器所具有的高效傳熱特性的同時，可通過排氣操作有效地解決相變換熱器的老化問題，大大延長了設(shè)備的使用壽命。

1.1.3 擬采用的方法、技術(shù)路線

數(shù)值模擬研究：利用有限元技術(shù)對管殼程變空間高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島的殼程進行數(shù)值模擬和分析,主要分析不同換熱管幾何結(jié)構(gòu)以及不同布管方式下殼程流體的速度場、溫度場、壓力場及其相互協(xié)同程度，分析管殼程變空間高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島的殼程強化傳熱機理。并借助場協(xié)同原理等強化傳熱理論知識對殼程流體傳熱與壓降特性進行定性的分析。

圖1 高效SP管空冷器Ⅰ

搭建管殼程變空間高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島測試平臺，對高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島不同幾何結(jié)構(gòu)下殼程的傳熱與壓降特性進行實驗測試，測試數(shù)據(jù)主要包括不同管程殼程流量下高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島管程、殼程進出口溫度、流量和壓差。利用傳熱學(xué)相關(guān)理論知識以及已有的管殼程變空間高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島管內(nèi)傳熱與壓降性能數(shù)據(jù)對測試數(shù)據(jù)進行處理，得到高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島殼程的傳熱與壓降特性數(shù)據(jù)。同時以余熱流體為介質(zhì)，對高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島殼程污垢的成長速度進行實驗分析。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

本項目以先進的三維變空間變流場理論為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性設(shè)計一種高效傳熱專利元件-變形換熱管，通過調(diào)整高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島的變形量控制冷熱流場空間，實現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)的管/殼程內(nèi)外空間可控。通過變形管在一定的螺距內(nèi)最大變徑凸點相互接觸，形成自支撐，替代了傳統(tǒng)的折流支撐板，減少管束的震動；同時實現(xiàn)管殼程純逆流、無流動死區(qū)，具有傳熱效率高，殼程壓降小，抗垢性能好，占地的面積小等優(yōu)點。

1.3 項目實施目標完成情況

本項目在沙河鑫磊玻璃公司的玻璃窯爐上實施應(yīng)用。玻璃窯爐的煙氣具有高煙塵、高磨損、高腐蝕等特點。而在國家加大環(huán)保力度情況下，河北邢臺沙河地區(qū)的玻璃窯煙氣在玻璃窯進行檢修的時候，煙氣沒有進行處理時不準進行對空排放的環(huán)保。為了用以保證玻璃窯的煙氣全年排放達標，減少換熱器的堵灰、磨損和腐蝕情況的出現(xiàn)，采用了中國科學(xué)院廣州能源研究所節(jié)能環(huán)保集成技術(shù)中心先進的三維變空間變流場設(shè)計技術(shù)。該項目研制的產(chǎn)品-高效SP管空冷器采用了具有高效換熱效率的SP管（如圖1、圖2所示），并采用變流場技術(shù)，使得空冷島的換熱能力、防腐性能得到提高，產(chǎn)品的體積小具有節(jié)能、節(jié)材的效果。

空冷器Ⅰ、Ⅱ分別安裝于除塵器前、后的旁路煙道，目的是為了滿足玻璃窯爐在線檢修時國家的排放標準?？绽淦飨到y(tǒng)不影響原系統(tǒng)的安全運行，切換簡單方便?？绽淦鳍竦倪M口煙溫達到550℃，出口溫度370℃?？绽淦鳍虻倪M口煙溫達到340℃，出口溫度170℃。煙氣量為140000Nm/h。

圖2 高效SP管空冷器Ⅱ

目前正在運行，各項指標均達到用戶的要求，運行性能良好。

2 項目實施市場情況

工業(yè)爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備, 廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè),量大面廣，品種多,同時工業(yè)爐又是高能耗裝備。目前,我國共有各類工業(yè)爐約12萬臺,年總耗能達2.5億,約占全國總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。雖然我國工業(yè)爐技術(shù)自改革開放以來有了長足的進步,但工業(yè)爐的能源利用總體水平不高,僅相當于發(fā)達國家50～60年代的水平,工業(yè)爐的熱效率平均不到30%，而國際上工業(yè)爐的熱效率平均為50%以上。隨著我國的經(jīng)濟不斷發(fā)展，對環(huán)境污染越來越嚴重，環(huán)境污染帶來的負面效應(yīng)已經(jīng)超出了經(jīng)濟發(fā)展帶來效益范疇，國家不得不重新審視過往的發(fā)展模式，進行大規(guī)模的經(jīng)濟改革，從粗放型經(jīng)濟逐漸實現(xiàn)集約型經(jīng)濟。加上國民意識的不斷提高，對環(huán)境的要求越來越高。因此，2014年5月28日我國出臺了史上最嚴的《環(huán)保法》，下定決心治理環(huán)境。工業(yè)爐的能耗受許多方面因素的影響, 但是節(jié)能的重點還在于回收余熱利用。煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的30%～70%，充分回收煙氣余熱是節(jié)約能源的主要途徑。通常煙氣余熱利用途徑有：（1）裝設(shè)預(yù)熱器, 利用煙氣預(yù)熱助燃空氣和燃料。（2）裝設(shè)余熱鍋爐, 產(chǎn)生熱水或蒸汽，以供生產(chǎn)或生活用。（3）利用煙氣作為低溫爐的熱源或用來預(yù)熱冷的工件或爐料。（4）增設(shè)發(fā)電機組，利用煙氣余熱來進行發(fā)電?；厥諢煔庥酂岬淖钣行Ш蛻?yīng)用最廣的是高效換熱器。

本項目著重鍋爐煙氣余熱回收、防腐技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。以鍋爐煙氣回收主要領(lǐng)域并以此輻射于燃油鍋爐與燃氣鍋爐的煙氣余熱回收等。本項目煙氣余熱高效回收與除塵節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)利用主要表現(xiàn)在如下優(yōu)點：（1）減少阻力，降低風機能耗。傳統(tǒng)的管殼式折流板煙氣換熱器阻力大，回收煙氣熱量100kW,需要匹配的風機也接近100kW。采用變空間純逆流的換熱器回收煙氣熱量100kW,匹配的風機只需要5-10kW。大大提高系統(tǒng)的熱效率。（2）使得本體設(shè)備與相鄰設(shè)備避免酸露腐蝕的前提下盡可能降低排煙溫度，提高余熱回收，延長設(shè)備使用壽命和日常運行費用。大部分煙氣中都含有硫成分，在降低排煙溫度時，煙氣中的硫成分（SO、SO與煙氣中的水蒸氣合成硫酸蒸汽）會在換熱面上凝結(jié)成稀硫酸，并對換熱面造成腐蝕。因此，高效換熱器利用該原理，把其壁溫穩(wěn)定控制于稍高于酸露點，并且壁溫不隨負荷的變化而變化，避免了酸露腐蝕。

本項目煙氣余熱高效回收與除塵節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)利用先進的三維變空間變流場設(shè)計技術(shù)控制煙氣余熱回收流場，實現(xiàn)傳熱界面溫度可控可調(diào)，可設(shè)定金屬受熱面壁溫，避免結(jié)露腐蝕和堵灰，使余熱回收換熱器具有相當幅度的調(diào)節(jié)能力，能適應(yīng)鍋爐的燃料品種以及操作負荷的變化，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化成套裝備技術(shù)設(shè)計軟件及版權(quán)，形成模塊化、標準化的產(chǎn)品和技術(shù)，達到國際先進水平。

3 項目產(chǎn)生的成效

工業(yè)鍋爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè),量大面廣,品種多,同時工業(yè)爐又是高能耗裝備。目前,我國共有各類工業(yè)爐約12萬臺,年總耗能達2.5億,約占全國總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。雖然我國工業(yè)鍋爐技術(shù)自改革開放以來有了長足的進步,但工業(yè)爐的能源利用總體水平不高,僅相當于發(fā)達國家50～60年代的水平,工業(yè)爐的熱效率平均不到30%,而國際上工業(yè)爐的熱效率平均為50%以上。隨著我國的經(jīng)濟不斷發(fā)展，對環(huán)境污染越來越嚴重，環(huán)境污染帶來的負面效應(yīng)已經(jīng)超出了經(jīng)濟發(fā)展帶來效益范疇，國家不得不重新審視過往的發(fā)展模式，進行大規(guī)模的經(jīng)濟改革，從粗放型經(jīng)濟逐漸實現(xiàn)集約型經(jīng)濟。加上國民意識的不斷提高，對環(huán)境的要求越來越高。

4 結(jié)語

本項目開發(fā)的高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島利用先進的三維變空間變流場設(shè)計技術(shù)控制煙氣余熱回收流場，實現(xiàn)傳熱界面溫度可控可調(diào)，可設(shè)定金屬受熱面壁溫，避免結(jié)露腐蝕和堵灰，使余熱回收換熱器具有相當幅度的調(diào)節(jié)能力，能適應(yīng)鍋爐的燃料品種以及操作負荷的變化，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化成套裝備技術(shù)設(shè)計軟件及版權(quán)，形成模塊化、標準化的產(chǎn)品和技術(shù)，達到國際先進水平。另外，節(jié)約燃料同時緩解國家在煙塵、污染氣體排放方面的壓力，對電力事業(yè)和國家經(jīng)濟的發(fā)展。該項目產(chǎn)品在項目執(zhí)行期內(nèi)，在生產(chǎn)、銷售和服務(wù)等多個環(huán)節(jié)需要新增就業(yè)人員，促進地方社會和經(jīng)濟的發(fā)展。