高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島

何春玲

（大冶斯瑞爾換熱器有限公司，湖北大冶 435100）

針對(duì)含有大量的塵埃的鍋爐煙氣余熱回收，本項(xiàng)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(chǎng)前景廣闊。余熱高效回收減排技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用將有力地推動(dòng)我國(guó)方興未艾的節(jié)能和環(huán)保事業(yè)。同時(shí)，也可以為項(xiàng)目申報(bào)單位帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)我國(guó)“十一五”提出的能源戰(zhàn)略、環(huán)境保護(hù)和自然資源的可持續(xù)發(fā)展都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目總體實(shí)施情況

1.1 項(xiàng)目基本情況

1.1.1 主要研究?jī)?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(chǎng)進(jìn)行煙氣排煙溫度和煙氣露點(diǎn)溫度巡檢。檢查和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行的狀況，分析其穩(wěn)定性和運(yùn)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(yùn)行。（2）研究高效SP管的設(shè)計(jì)制造，高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島整體裝置設(shè)計(jì)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(chǎng)安裝：提供系統(tǒng)操作培訓(xùn)和具體實(shí)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(shí)，保證金屬受熱面璧面溫度處于較高的溫度水平，遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)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(shí)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(dāng)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(shí)，可通過(guò)排氣操作有效的解決相變換熱器的老化問(wèn)題，大大延長(zhǎng)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(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)控制煙氣余熱回收流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)余熱回收裝置的冷熱交換流場(chǎng)空間可控，傳熱界面溫度可控可調(diào)，實(shí)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(shí)，保證金屬受熱面璧面溫度處于較高的溫度水平，遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)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(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)控制煙氣余熱回收流場(chǎng)，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(shí)，可通過(guò)排氣操作有效地解決相變換熱器的老化問(wèn)題，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

1.1.3 擬采用的方法、技術(shù)路線(xiàn)

數(shù)值模擬研究：利用有限元技術(shù)對(duì)管殼程變空間高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島的殼程進(jìn)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(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)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(qiáng)化傳熱機(jī)理。并借助場(chǎng)協(xié)同原理等強(qiáng)化傳熱理論知識(shí)對(duì)殼程流體傳熱與壓降特性進(jìn)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(cè)試平臺(tái)，對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)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(jìn)出口溫度、流量和壓差。利用傳熱學(xué)相關(guān)理論知識(shí)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)以余熱流體為介質(zhì)，對(duì)高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島殼程污垢的成長(zhǎng)速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目以先進(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)一種高效傳熱專(zhuān)利元件-變形換熱管，通過(guò)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(chǎng)空間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)的管/殼程內(nèi)外空間可控。通過(guò)變形管在一定的螺距內(nèi)最大變徑凸點(diǎn)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(dòng)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)管殼程純逆流、無(wú)流動(dòng)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(diǎn)。

1.3 項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)完成情況

本項(xiàng)目在沙河鑫磊玻璃公司的玻璃窯爐上實(shí)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(diǎn)。而在國(guó)家加大環(huán)保力度情況下，河北邢臺(tái)沙河地區(qū)的玻璃窯煙氣在玻璃窯進(jìn)行檢修的時(shí)候，煙氣沒(méi)有進(jìn)行處理時(shí)不準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)空排放的環(huán)保。為了用以保證玻璃窯的煙氣全年排放達(dá)標(biāo)，減少換熱器的堵灰、磨損和腐蝕情況的出現(xiàn)，采用了中國(guó)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(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)。該項(xiàng)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(chǎng)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(mǎn)足玻璃窯爐在線(xiàn)檢修時(shí)國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。空冷器系統(tǒng)不影響原系統(tǒng)的安全運(yùn)行，切換簡(jiǎn)單方便。空冷器Ⅰ的進(jìn)口煙溫達(dá)到550℃，出口溫度370℃。空冷器Ⅱ的進(jìn)口煙溫達(dá)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(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到用戶(hù)的要求，運(yùn)行性能良好。

2 項(xiàng)目實(shí)施市場(chǎng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),量大面廣，品種多,同時(shí)工業(yè)爐又是高能耗裝備。目前,我國(guó)共有各類(lèi)工業(yè)爐約12萬(wàn)臺(tái),年總耗能達(dá)2.5億,約占全國(guó)總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。雖然我國(guó)工業(yè)爐技術(shù)自改革開(kāi)放以來(lái)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但工業(yè)爐的能源利用總體水平不高,僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50～60年代的水平,工業(yè)爐的熱效率平均不到30%，而國(guó)際上工業(yè)爐的熱效率平均為50%以上。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)境污染帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)超出了經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)效益范疇，國(guó)家不得不重新審視過(guò)往的發(fā)展模式，進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)改革，從粗放型經(jīng)濟(jì)逐漸實(shí)現(xiàn)集約型經(jīng)濟(jì)。加上國(guó)民意識(shí)的不斷提高，對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高。因此，2014年5月28日我國(guó)出臺(tái)了史上最嚴(yán)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(diǎn)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(lái)預(yù)熱冷的工件或爐料。（4）增設(shè)發(fā)電機(jī)組，利用煙氣余熱來(lái)進(jìn)行發(fā)電。回收煙氣余熱的最有效和應(yīng)用最廣的是高效換熱器。

本項(xiàng)目著重鍋爐煙氣余熱回收、防腐技術(shù)開(kāi)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?xì)忮仩t的煙氣余熱回收等。本項(xiàng)目煙氣余熱高效回收與除塵節(jié)能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)利用主要表現(xiàn)在如下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少阻力，降低風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(zhǎng)設(shè)備使用壽命和日常運(yùn)行費(fèi)用。大部分煙氣中都含有硫成分，在降低排煙溫度時(shí)，煙氣中的硫成分（SO、SO與煙氣中的水蒸氣合成硫酸蒸汽）會(huì)在換熱面上凝結(jié)成稀硫酸，并對(duì)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(diǎn)，并且壁溫不隨負(fù)荷的變化而變化，避免了酸露腐蝕。

本項(xiàng)目煙氣余熱高效回收與除塵節(jié)能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)利用先進(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)控制煙氣余熱回收流場(chǎng)，實(shí)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(dāng)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(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化成套裝備技術(shù)設(shè)計(jì)軟件及版權(quán)，形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品和技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3 項(xiàng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),量大面廣,品種多,同時(shí)工業(yè)爐又是高能耗裝備。目前,我國(guó)共有各類(lèi)工業(yè)爐約12萬(wàn)臺(tái),年總耗能達(dá)2.5億,約占全國(guó)總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。雖然我國(guó)工業(yè)鍋爐技術(shù)自改革開(kāi)放以來(lái)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但工業(yè)爐的能源利用總體水平不高,僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50～60年代的水平,工業(yè)爐的熱效率平均不到30%,而國(guó)際上工業(yè)爐的熱效率平均為50%以上。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)境污染帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)超出了經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)效益范疇，國(guó)家不得不重新審視過(guò)往的發(fā)展模式，進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)改革，從粗放型經(jīng)濟(jì)逐漸實(shí)現(xiàn)集約型經(jīng)濟(jì)。加上國(guó)民意識(shí)的不斷提高，對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的高效緊湊式低低溫節(jié)能空冷島利用先進(jìn)的三維變空間變流場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)控制煙氣余熱回收流場(chǎng)，實(shí)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(dāng)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(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化成套裝備技術(shù)設(shè)計(jì)軟件及版權(quán)，形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品和技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。另外，節(jié)約燃料同時(shí)緩解國(guó)家在煙塵、污染氣體排放方面的壓力，對(duì)電力事業(yè)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該項(xiàng)目產(chǎn)品在項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)，在生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)等多個(gè)環(huán)節(jié)需要新增就業(yè)人員，促進(jìn)地方社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。