換熱器節能技術綜述

錢伯章

（上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室）

采用新型節能換熱器，包括新型換熱器殼體、排管、折流板以及各種介質的進出口，改變流體流經方式，強迫其與冷介質進行熱交換，從而可大大地降低冷凝側的出口溫度，提高熱能利用率，降低運行成本。

近年迅速發展的各種有效的換熱器節能技術，包括以下幾個方面： （1）各種新型強化傳熱換熱器，如自清洗流化床換熱器、螺旋式換熱器、開口擋板管殼式換熱器、全焊型換熱器等； （2）采用新型的換熱器在線清洗技術； （3）換熱網絡優化窄點技術的應用等。

1 自清洗流化床換熱器

美國正大力推薦原油預熱換熱器采用結垢為零的自清洗流化床換熱器，以節減能耗。據統計，因原油在預熱換熱器中結垢，全球年能耗費用達到45億美元。采用自清洗式流化床換熱器，在管內采用循環流化的固體顆粒 （3 mm切割金屬絲），可不斷沖刷換熱表面。表1列出了原油換熱用常規換熱器與自清洗換熱器的運行比較。圖1和圖2為自清洗流化床換熱器。

采用自清洗式流化床換熱器，可使加熱爐供入能量節減約50%。對于高能量回收設計，換熱器管長可放大到10 m。

2 螺旋式換熱器

管殼式換熱器是化工生產中重要的熱能交換設備。近年來一種新型的管殼式換熱器——螺旋隔板換熱器由于節能、節材效果顯著而備受關注。

螺旋折流板換熱器是一種新型換熱設備，它與傳統的換熱器區別僅限于折流板結構。這種換熱設備吸取了弓形折流板的優點，克服了弓形折流板的缺陷，是目前折流形式中最具優勢的折流板形式。它的傳熱系數較高，在一般情況下要比弓形折流板形式高40%左右，另外又消除了一些不必要的能耗，特別適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等的流體。

表1 原油換熱用常規換熱器與自清洗換熱器的比較

圖1 自清洗流化床換熱器

圖2 流化床原油預熱器組 （一個殼體，管束內并行地通過兩種流體）

采用螺旋式換熱器 （SHE，spiral heat exchange）是替代管殼式換熱器 （S&T）的低投資方案。它采用兩個平行板式螺旋體，可實現100%對流傳熱，通道內設置的螺栓和彎曲造型有助于促進紊流流動和傳熱，熱回收效果好。與管殼式換熱器相比，螺旋式換熱器傳熱系數可提高一倍。圖3為100%對流的螺旋式換熱器，圖4所示為螺旋通道內設置螺栓以強化傳熱，圖5所示為局部流速提高可對部分結垢通道起到沖刷效果。

圖3 100%對流的螺旋式換熱器熱回收效果好

圖4 螺旋通道內設置螺栓以強化傳熱

螺旋式換熱器已在國外應用于煉油和石化行業許多領域。

圖5 局部流速提高可對部分結垢通道起到沖刷效果

應用實例：

（1）用于催化裂化油漿冷卻，油漿中含高達1%的顆粒細粉催化劑。德國一煉油廠采用螺旋式換熱器替代雙管式換熱器。原來雙管式換熱器運行10天就需清洗3天，花費大。改用螺旋式換熱器后，運行5年也無需清洗，且1年內即可償還投資。

（2）中歐一煉油廠采用螺旋式換熱器用作減黏進料/產品換熱。進料為常壓渣油，預熱后先進加熱爐，然后再送去裂化。離開減黏裝置的產品溫度為370℃。原采用管殼式換熱器冷卻時，存在嚴重的結垢問題，管側形成焦炭和瀝青質，每2個月就要將換熱器拆開清洗。改用螺旋式換熱器后，運行3年多，從未停工過。

（3）用于PVC和PTA生產過程。華南理工大學先后研制開發了不同類型的螺旋隔板換熱器，與相同規格尺寸的弓形隔板換熱器相比，其總傳熱系數提高近一半；在相同壓降下，傳熱效率提高10%。目前該新型換熱器已在8家企業獲得應用。

3 開口擋板管殼式換熱器

殼牌公司開發了稱為EMbaffle的創新型換熱器，這種換熱器可使過程工業改進操作性能、節能、最大限度地減少廢熱、降低操作和維修費用，并限制環境排放。

該開口擋板管殼式換熱器比常規的管殼式圓缺擋板型管束換熱器具有許多優點。新設計采用開口金屬擋板 （由管子支撐），如圖6所示，開放型結構使縱向流動阻力降低，因而也使流動引起的管子振動減小。該換熱器還具有較低的結垢速率、較低的殼程壓降和較高的傳熱能力等優點。

圖6 EMbaffle管束換熱器 (采用開放型結構的開口金屬擋板)

傳統的圓缺型擋板換熱器易發生結垢，產生滯流區或死區，而該新型換熱器這些缺陷則不復存在，因此由結垢產生的事故減少了，延長了生產裝置運行時間，也延長了維修、清洗的周期；同時，熱回收量增加，加熱爐燃料燃燒量減少，從而也減少了CO2排放。目前該EMbaffle技術已申請專利。

該新技術已在歐洲一復雜型煉油廠原油預熱系統投入工業化應用。2004年初，該原油蒸餾裝置三臺常規的管殼式圓缺擋板換熱器被替換為兩臺螺旋擋板管束換熱器和一臺EMbaffle管束換熱器。

操作3個月后，對不同的換熱器進行比較后發現，EMbaffle換熱器比原用的換熱器傳熱性能提高24%，壓降也大大降低。此外，EMbaffle換熱器所用管子數要減少18%。與常規管殼式圓缺擋板換熱器相比較，EMbaffle換熱器結垢的傾向性幾乎要低2倍。對于10 MW的換熱器，能量節約為0.025～0.060 PJ/a，從而使操作費用節約5萬～10萬歐元/年。

4 空心環管殼式換熱器

研制結構緊湊、傳熱高效、省材節能、輕巧并小型化的新型換熱器已經成為過程工業急需解決的問題。華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室開發的新型殼程強化傳熱技術，推出空心環管殼式換熱器，已有大慶煉化公司等4家企業的節能改造項目采用了該換熱器，煉油能耗明顯降低。據稱，該技術已為企業年增效1.2億元。

由上海貝谷換熱器制造有限公司自主開發的波紋管換熱器年生產能力已達800～1000臺，這標志著該節能產品已進入產業化階段。目前常用的各類換熱器都不同程度存在效率低、能耗高、資源浪費嚴重、易腐蝕結垢等難題。據介紹，波紋管換熱器可較好地解決上述問題，同時節能效果更為明顯。經測試和實際應用證明，新型節能波紋管換熱器傳熱效率高，是工業常用管殼式換熱器的2.5～3.5倍，節能率、節水率高達50%左右。同時設備防腐、防垢能力強，使用壽命長。上世紀90年代初開始運行的40余臺波紋管換熱器至今已十余年了，做到了無故障、無清洗、無維修。新型節能型波紋管換熱器主要用于石油化工、供熱、冶金、食品、飲料、造紙、機械等領域。

5 組合式連續螺旋多殼程節能換熱器

廣泛應用在石油化工行業的換熱器，是決定企業能耗水平的主導性因素，也是行業節能挖潛的關鍵設備。在石油、化工、能源等工業生產中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程都需通過換熱器來完成。截至目前，石油和化工行業普遍應用的是管殼式換熱器。雖然近年來這種傳統換熱器受到了新型產品的挑戰，但因為其結構簡單、成本低廉、耐壓能力強、操作彈性大、應用材料廣等原因，仍在行業內占據絕對優勢。因此，以新型技術提高管殼式換熱器能效已成為行業急需的節能手段。西安交通大學能源與動力工程學院動力工程多項流國家重點實驗室課題組研發成功 “組合式及多殼程管殼式換熱器”，比傳統的弓形換熱器提高能效8.3%，且不會增加企業成本，對化工節能意義重大。

新一代傳熱技術與高效換熱設備課題組對管殼式換熱器研究后發現，傳統的非連續單殼程換熱器中，相鄰的折流板之間三角形區域漏流嚴重，導致相同流量下的傳熱量不如其他類型換熱器。換熱能力低成為困擾其發揮優勢的瓶頸。為解決這一問題，他們研發出了連續性單殼程換熱器。在此基礎上，又在全國率先提出了組合式及多殼程管殼式換熱器的概念，即外連續+內非連續，并設計出外殼程為連續螺旋折流板、內殼程為弓形折流板形式的組合式多殼程的換熱器。

這種新型組合式連續螺旋多殼程換熱器在減少熱交換阻力的同時，使換熱能效比傳統的管殼式換熱器提高約8.3%，而且通過局部優化，能效還有望進一步提高。此外，這種新型換熱器雖然提高了能效，但造價并沒有提高。

目前，這種新型換熱器已經在鄭州意達換熱設備有限公司和廣東吉榮空調有限公司得到工業化應用。課題組正在按工業化要求對產品進行進一步優化。該技術已經申請中國發明專利5項，美國發明專利1項。

6 新型板翅式換熱器

南京工業大學等單位完成的高效、緊湊、節能的新型板翅式換熱器的關鍵技術及工業應用項目，2009年6月初通過中國石油和化學工業協會組織的成果鑒定。

該項目完成了新型板翅式換熱器從設計、制造到優化的關鍵技術的研究，開發了板翅式換熱器設計軟件包PFECAD，以及用鎳基釬料制造不銹鋼板翅式換熱器的新工藝。以此為基礎，項目組研發出多種新型板翅式換熱器產品，如具有蜂窩狀加強結構和新型液相均分器的變截面板翅式換熱器，肋片式相變傳熱結構的板翅式換熱器，集預冷、冷卻、分離、過濾4種功能于一體的換熱器等。這些設備已在壓縮機、汽車、冷凍式干燥機、油氣回收、燃油燃氣鍋爐余熱回收和電子散熱等領域得到工業化應用，并大量出口到歐美等地，累計新增銷售8.4億元。

7 高效螺旋折流板換熱器

換熱器是石油化工、冶金、電力等行業的主要設備，其設計制造水平的高低直接關乎換熱效果，影響能耗。目前管殼式換熱器約占我國全部換熱器量的70%～80%，石化企業換熱器更是占全部設備的40%以上。國內外絕大多數在役的管殼式換熱器還在采用垂直弓型折流板結構，存在流動死區大、殼程流動阻力大、易積垢等不足，換熱器整體傳熱效率低，使用周期短，還容易誘發管束的振動噪音。

新型高效螺旋折流板換熱器有望成為管殼式換熱器升級換代的主導產品，大型石油、化工企業將能以簡捷和低成本的方式實現節能。

此外，全封閉流道連續型無中心管螺旋折流板換熱器還使管殼式換熱器制造變得相對簡單，不僅能夠大大降低加工制造成本，還可以根據產品的形狀、體積和結構特點，分別采取整體加工組裝和分成四 （六、八）組管束加工組裝的不同加工形式，更容易實現大型化。

2011年8月中旬，杭州華東化工裝備實業有限公司研制的新型高效螺旋折流板換熱器——全封閉流道連續型無中心管螺旋折流板換熱器在杭州龍山化工有限公司應用后，換熱器傳熱效率較原先提高了79.8%。

華東公司研制的這種全封閉流道連續型無中心管螺旋折流板換熱器，使殼程內介質以理想的螺旋流形式通過殼程流道。其創新點體現在三個方面：一是自主設計了一種無中心管的全封閉螺旋流道。在一個螺旋行程內，由兩塊以上折流板連續組成螺旋組，若干個螺旋組通過連接板連接，與殼體內壁和傳熱管外壁形成密封螺旋流道，使換熱器的殼程內形成真正意義的全封閉螺旋流道，從而大大提高了流體的湍流程度，減少了積垢，提高了換熱效率。二是采用了阻流板技術，減少了熱量損失。三是采用了整體防振技術，進一步強化了換熱器管束的抗振能力，延長了設備的使用壽命。該換熱器已獲得國家發明專利和國際發明專利。

由滄州渤海石化制造分公司制造的兩臺折流桿式換熱器管束，經專業檢測達到規范要求，正式交付用戶使用。與傳統的折流板換熱器相比，該換熱器具有管束振動小、殼程壓降明顯降低、總傳熱效率高、結垢速率低等優點。該公司大膽實施了技術創新和工藝改進，掌握了折流桿式換熱器管束的制作技術，在保證質量的同時，還改進了該換熱器管束的外觀。

2011年11月22日，天津渤化石化有限公司與大慶石化公司簽訂合同，采購大慶石化機械廠9臺高效螺旋折流板換熱器。這些設備用于目前世界單套能力最大、國內首套60萬t/a丙烷脫氫制丙烯化工裝置。這個廠與美國魯姆斯熱傳遞公司已有長達9年的合作，是美國魯姆斯熱傳遞公司授權的螺旋折流板換熱器專利制造廠。這個廠致力于高效換熱器的制造與銷售，成功打開國內外市場，訂單以每年20%的速度穩步遞增。今年年初至今，該廠螺旋折流板換熱器銷量同比增長33%。

8 節能蒸發式冷凝器

洛陽隆華制冷設備有限公司開發出節能新設備——蒸發式冷凝器。該產品經唐山三友化工集團、河北寶碩化工公司、山東海化集團、山西蘭花化工公司等化工企業使用后，節能效果明顯。

蒸發式冷凝器是按最優化的換熱機理設計，中心部件——冷凝盤管組選用高傳導材料08AL的異性橢圓形管制成，提高了介質的換熱系數。該產品利用管子外表的水膜蒸發，通過傳質和傳熱使管內工質降溫冷凝，每千克水蒸發吸收680 W的熱量，同時還不用設置冷卻設備。由于其工作原理和濕球溫度有關，夏季冷凝溫度也不會升高，既提高了設備效能，又達到了節水、節電和節約能源的目的。

傳統的水冷冷凝器是利用大量的冷卻水的溫升來提取管內工質的熱量，每千克水每降低1℃只能帶走1.16 W的熱量，而且需要大量的冷卻水，即使采用循環水，還需配置冷卻塔和水泵、水池等。特別是在夏季，隨著環境溫度的升高，冷卻水溫度也隨之升高，導致冷凝溫度升高，消耗功率增加。

蒸發式冷凝器與水冷冷凝器相比平均流速提高15%～18%，性能提高25%，設備體積縮小，配機動力降低，降低制冷裝置能耗10%。整機采用二次布水器、預冷翅片管、高效內肋異性管等3項國家專利技術，增大了換熱面積，降低了引風機的能耗，避免了圓管易出現的水膜干點和水在高結垢溫度段的嚴重結垢現象。冬季干運行時，不啟動水泵同樣能保持設備的性能不受影響，運行費用降低，達到節能效果。

具有自主知識產權的甲醇、合成氨用新型高效節能成套裝置——變頻蒸發式空冷器由洛陽隆華制冷設備有限公司開發成功。該裝置具有節能降耗和節約資源的特點，一套10萬t/a甲醇裝置采用變頻蒸發式空冷器成套節能裝置，年節電節水率至少可達10%。

據介紹，該成套裝置設備主要應用于甲醇、合成氨生產系統的合成、精餾、壓縮、冰機冷凝等關鍵工藝過程。它的主要創新之處在于：換熱機理先進，將水的蒸發與空氣冷卻、傳熱、傳質過程融為一體；利用空氣冷卻的翅片預冷段和水膜減壓蒸發段相結合，強化換熱，熱效率高，預冷后流體進入蒸發段的溫度低，不易結垢；將空冷的通風機和蒸發的引風機合為一體，能效比高。

與傳統水冷器相比，變頻蒸發式空冷器冷卻冷凝的工藝流體溫度更低，節水和節能可達到更高工藝參數要求，產品質量高、成本低，從而提高了產品的市場競爭能力。

該成套裝置產品已成功應用于山東紅日阿康化工股份有限公司10萬t/a甲醇生產系統。運行證明，變頻蒸發式空冷器成套節能裝置達到了設計要求和預期的目的，取得了顯著的節能效果和經濟效益。與裝置過去采用的傳統水冷器相比，節水67%，節電58%，綜合節能率達60%以上。

河北威力制冷設備有限公司研發的高效節能專利產品ZNX型蒸發式冷凝器，在石家莊元氏宏升化工有限公司得到成功應用。使用該設備，可使氨基乙酸產出率提高4%，原料甲醇用量降低6%，還有效解決了傳統換熱設備高耗水、高耗電、高運行成本和使用壽命短的 “三高一短”問題。據介紹，氨基乙酸為精細化工產品，其最大的用途是合成除草劑草甘膦。氨基乙酸生產節能降耗的關鍵，在于提高甲醇降溫效果，減少甲醇用量，降低水、電消耗。新型冷凝器采用了先進的熱傳導技術，利用水膜蒸發帶走潛熱，與傳統的空冷式、水冷式冷凝器相比，換熱能力提高幾十倍；用不銹鋼波節管代替普通光管，增大了傳熱系數，提高了冷凝效果；設備結構由原來的管殼式或列管式結構，改為集水池、冷卻塔、冷卻器、泵、管、閥于一體的組合結構，不僅在生產中節水80%、節電25%，還節約設備占地40%、節省鋼材50%以上。據了解，繼2008年初該設備在元氏宏升化工有限公司應用并取得成功后，又有21臺設備先后在河北、山東等地的15家氨基乙酸生產廠家推廣應用，均取得了較好的節能效果，受到氨基乙酸企業的青睞。

河北威力制冷設備有限公司研制開發的蒸發式水冷器首次成功應用于焦化行業，解決了長期困擾焦化行業的高能耗難題。這種蒸發式水冷器以節水90%、節電50%、降低運行成本40%～60%等優勢，將在焦化行業節能減排、降耗增效中發揮作用。據介紹，焦化行業在生產化工產品的過程中，用初冷器水冷卻焦爐煤氣，冷卻效果直接影響到產品的產量及效益。傳統初冷器冷卻一般都采用水池、冷卻塔、水泵及連接管道組成的敞開式冷卻系統，冷卻效果差、能耗高、焦油產量低。為改變這一局面，河北威力制冷設備有限公司經過攻關，為焦化行業量身定制了蒸發式水冷器。這種水冷器采用先進的水膜蒸發傳熱技術，將水冷與空冷、傳熱與傳質融為一體，通過管外水膜的蒸發，強化管外傳熱。在材料選用上，威力公司采用了橢圓管、不銹鋼波節管、銅內外翅片管、ACC管等先進的高科技碳鋼新材料，增大了傳熱面積，從而提高了傳熱系數及熱交換效率。另外，與傳統初冷器不同的是，蒸發式水冷器是工藝介質走管內、水和空氣走管外，運行水溫低，所以不易堵塞、結垢，保證了設備的平穩安全運行。河北金鑫焦化公司在新上的焦化項目中，使用了8臺威力公司新開發的2250型蒸發式水冷器。經對比，系統用水量由原來的1000 m3降至100 m3，年運行費用由原來的209萬元降為92萬元，而且由于制造管材采用了碳鋼管，整體采用了熱浸鋅工藝，還提高了設備的使用壽命。

山東飛達化工科技有限公司針對冰機出口氨冷凝器冷卻效果差的實際情況，在合成氨系統新增氨蒸發式冷凝器。據介紹，設備投資30萬元、基建投資0.5萬元、設備平臺和管道等投資4.5萬元，合計項目投資35萬元。在保持冰機電流不變的情況下，合成系統氨冷凝器溫度降低，使合成氨凈值提高，在同等消耗的情況下每天增加4 t氨產量，按夏季運行情況計算，可增加利潤達112萬元。

9 節能的全焊型換熱器

由上海滬星化工設備有限公司研制的全焊型板式換熱器，因其節能增效功能突出，成為雙氧水、甲醇制備過程中加熱、冷卻工藝的首選設備。

通常雙氧水在氫化、氧化等過程中，需要加熱或冷卻的溫度范圍多數在150℃以下。過去我國雙氧水企業選用換熱設備時大都采用可拆型板式換熱器。這種換熱器的密封墊必須使用耐腐蝕的氟橡膠，一次性投資大，維修成本高。上海一家從事化工工程設計的公司，根據雙氧水制備工藝特點，對不同種類換熱器的性能和特點進行比較后，提出以全焊型板式換熱器替代可拆型板式換熱器方案，大大降低了初期資金投入。同時全焊型板式換熱器在滿足工藝要求的情況下，既節能降耗，又減少了日常維護和維修成本。

目前，全焊型板式換熱器已成功應用于山東博匯海力化工4萬t/a雙氧水工程、四川川化4萬t/a雙氧水工程、貴州赤天化6萬t/a雙氧水工程、四川金圣賽瑞化工6萬t/a雙氧水工程、援助緬甸2萬t/a雙氧水工程以及中國石化10萬t/a雙氧水擴建工程等，發揮了獨特的節能增效作用。

目前，該設備正在甲醇精餾系統的預精餾塔后的冷卻、主精餾塔后的冷卻、精醇冷卻中發揮作用。福建順昌富寶實業有限公司新增加一套4萬t/a甲醇精餾裝置，其中冷卻器使用了上海滬星化工設備有限公司生產的全焊型板式換熱器后，一次性投資相比其他傳統的換熱器節省了20%，同時年可減少停機時間50 h，增加產量270 t，增效50多萬元。

10 高效節能板殼式換熱器

由甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司自主設計制造的重大石化裝備——10 500 m2高效節能板殼式換熱器，于2009年7月5日通過驗收。這臺國內單臺換熱面積最大的國產板殼式換熱器，應用于中國石油烏魯木齊石化分公司100萬t/a芳烴聯合裝置。

藍科石化高新公司在研制該裝備的過程中，成功攻克了超大型化的難題，作為一個重要里程碑，它標志著國產板殼式換熱器已跨入國際領先行列。

10 500 m2大型板殼式換熱器是當今石油化工企業連續重整裝置中的關鍵設備。該裝備節能、降耗、減排效果優異，按設計熱負荷116 MW、年操作時間8000 h計算，每年可節約燃料油7.98萬t、燃料費2.47億元，減少二氧化碳排放量約24.74萬t。該裝備先后被列入科技部 “十一五”國家科技支撐計劃項目、國家發改委 “十一五”重大技術裝備研制和重大產業技術開發專項規劃及重大技術裝備研制專項。

據介紹，10 500 m2高效節能板殼式換熱器的研制成功，為國內煉油、化工行業的發展提供了有力的設備保障，打破了國外技術壟斷，提高了我國石化行業裝備研發制造能力。由于該產品換熱效率高，因此每年可降低能耗928 000 MW，年均節能收入為7980萬元。

據了解，該板殼式換熱器以板為傳熱面，傳熱效能好，傳熱系數約為管殼式換熱器的兩倍。其結構緊湊，體積小,耐溫、抗壓，最高工作溫度可達800℃，最高工作壓力達6.3 MPa。該換熱器扁平流道中的流體高速流動，且板面平滑、不易結垢。板束可拆出，清洗也方便。

板殼式換熱器已廣泛應用于石油化工、造紙、制藥和食品等行業。甘肅藍科石化高新公司是目前國內唯一一家可以制造大型板殼式換熱器的企業，其設計及制造水平均已達到國際先進水平，所生產的產品可完全取代國外同類產品。

（未完待續）