復(fù)合相變換熱器技術(shù)與裝置
                                                    王炎
                                中興科揚(yáng)節(jié)能環(huán)保股份有限公司
　　1·技術(shù)簡(jiǎn)介   煤、石油、天然氣等均為含硫燃料,燃燒時(shí)都會(huì)產(chǎn)生二氧化硫、三氧化硫,其中三氧化硫與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽。鍋爐尾部設(shè)備中的金屬壁面溫度若低于硫酸蒸汽的凝結(jié)點(diǎn)(酸露點(diǎn)),就會(huì)在其表面形成液態(tài)硫酸(酸露)。長(zhǎng)期以來(lái),空氣預(yù)熱器作為鍋爐尾部受熱裝置因壁溫過低而引起的酸露腐蝕、灰堵現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,并一直得不到有效解決,因而,以往的各種鍋爐設(shè)計(jì)通常以犧牲鍋爐熱效率為代價(jià),通過提高排煙溫度來(lái)緩解(而不是根除)酸露腐蝕現(xiàn)象,而單純提高排煙溫度勢(shì)必造成大量的低溫?zé)嵩蠢速M(fèi)。盡管如此,空氣預(yù)熱器往往運(yùn)行一至兩年后依然出現(xiàn)腐蝕,直至穿孔,這是困擾鍋爐界的一個(gè)世界性難題。
　　“復(fù)合相變換熱器技術(shù)與裝置”是一種廣泛適用于各種燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t、工業(yè)窯爐以及冶金、石化等各種換熱設(shè)備的新型高效節(jié)能專利產(chǎn)品。它來(lái)源于上海交通大學(xué)楊本洛教授的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)理念及其9項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù),是“熱力學(xué)、傳熱學(xué)與鍋爐原理、自動(dòng)控制以及現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)”的綜合創(chuàng)新和高效集成,它較好地解決了鍋爐排煙溫度難以降低的世界性難題,是中低溫?zé)嵩蠢蒙系囊淮问澜缧酝黄啤Ｆ浜诵膬?nèi)涵在于:
　　1)大幅度降低各種鍋爐熱流體(煙氣)的排煙溫度。在世界范圍內(nèi),首次提出并實(shí)現(xiàn)了將“排煙溫度與壁面溫度之差”從“倍數(shù)”關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;加減”關(guān)系,使排煙溫度出現(xiàn)“量級(jí)”意義上的變化:一般工業(yè)鍋爐可降低30～90℃,個(gè)別可降100℃以上,電站鍋爐可降低20～50℃;從而使大量中低溫?zé)崮鼙挥行Щ厥绽?提高鍋爐熱效率1.5%～6%,個(gè)別可達(dá)7%以上),并相應(yīng)大量減少燃燒尾氣(SO2、CO2)排放,具有節(jié)能、減排雙重功效,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分可觀。
　　2)在世界上,首次提出并實(shí)現(xiàn)了鍋爐尾部換熱器金屬受熱面最低壁面溫度始終處于“可控可調(diào)”狀態(tài),并適應(yīng)各種燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t及傳熱負(fù)荷的變化。
　　3)大幅度降低鍋爐檢修停機(jī)損失和換熱器維護(hù)成本。在降低排煙溫度的同時(shí),使鍋爐換熱器金屬受熱面壁溫保持較高溫度水平,遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)的腐蝕區(qū)域,從根本上避免了酸露腐蝕和堵灰現(xiàn)象的出現(xiàn)。
　　4)大大延長(zhǎng)了鍋爐尾部換熱器的使用壽命。在保留了熱管換熱器高效傳熱的同時(shí),克服了一般熱管換熱器使用一段時(shí)間后容易產(chǎn)生不凝氣體,從而逐漸老化以至失效的致命弱點(diǎn)。
　　復(fù)合相變換熱器作為原創(chuàng)性節(jié)能發(fā)明專利技術(shù),2000年12月通過了由兩院院士參加的國(guó)家級(jí)鑒定,鑒定意見指出“:該項(xiàng)技術(shù)是相關(guān)設(shè)計(jì)理念的一次創(chuàng)新,為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng),處于國(guó)際領(lǐng)先水平”,建議“將此技術(shù)進(jìn)一步在鍋爐、工業(yè)爐窯以及石油化工等行業(yè)的換熱設(shè)備上推廣應(yīng)用,尤其在大型電站鍋爐的應(yīng)用上提高自動(dòng)化水平。”
　　2007年3月“,復(fù)合相變換熱器在鍋爐上的應(yīng)用專家研討會(huì)”會(huì)議紀(jì)要指出“:復(fù)合相變換熱器原理與實(shí)用技術(shù)方案可行,并在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證,使用該產(chǎn)品將對(duì)工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造起到良好的推動(dòng)作用”。
　　　
　　2·設(shè)計(jì)原理
　　由于是“設(shè)計(jì)理念”的創(chuàng)新,所以可根據(jù)不同應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)和組合出復(fù)合相變換熱器的許多變化形式(如圖1所示)。復(fù)合相變換熱器(FXH)的基本工作原理是:
　　蒸發(fā)段:煙道內(nèi)的FXH吸收煙氣熱量,使得FXH管內(nèi)熱工質(zhì)處于相變狀態(tài)。
　　冷凝Ⅰ段:管內(nèi)蒸汽(相變態(tài)熱工質(zhì))沿上升管進(jìn)入冷凝Ⅰ段,在冷凝Ⅰ段中管內(nèi)蒸汽對(duì)管外冷空氣加熱。
    冷凝Ⅱ段:管內(nèi)蒸汽經(jīng)冷凝Ⅰ段后繼續(xù)上升至冷凝Ⅱ段,在該段中蒸汽被冷凝成液體,并沿下降管回到FXH下段。通過流量調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了壁面溫度可控可調(diào)的目的。
                                                                                       
　　3·與熱管技術(shù)的不同
    熱管是一種高導(dǎo)熱性能的傳熱部件,它通過管內(nèi)介質(zhì)在高度真空下從加熱段吸收熱量,通過沸騰蒸發(fā)形成蒸汽,向冷凝段流動(dòng),把熱量輸送到冷卻段,從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移,具有很高的導(dǎo)熱性,良好的等溫性,冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變。可遠(yuǎn)距離傳熱,可控制溫度等優(yōu)點(diǎn)。
　　由于傳熱是通過管內(nèi)部介質(zhì)相變進(jìn)行的,管內(nèi)的工質(zhì)因?yàn)榉磻?yīng)會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體,不凝性氣體的存在大大影響了其工作效率。因此,熱管存在一定使用年限。分析不凝性氣體產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn):
　　1)熱管工質(zhì)內(nèi)部的微溶性氣體經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作的析出,造成熱管性能下降。
　　2)熱管內(nèi)表面和工質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)存在,在熱作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成不凝氣體產(chǎn)生。
　　3)熱管管殼有微漏,那些不凝氣體,如氫,氦等微溶或不溶性氣體分子的向內(nèi)滲透。
　　4)工質(zhì)與管殼的不相溶,造成不凝氣體產(chǎn)生。
　　現(xiàn)有的熱管換熱器大都是由很多根熱管拼裝而成,由于熱管生產(chǎn)過程中的制造差異,每根熱管不凝性氣體的產(chǎn)生比率也不一樣,只要其中部分熱管的不凝氣達(dá)到許可極限,整個(gè)熱管換熱器換熱效率就會(huì)下降,下降到一定程度時(shí),傳熱效率急劇下降,這臺(tái)熱管換熱器就報(bào)廢了。而熱管的替換和更新費(fèi)用巨大。
　　因?yàn)闊峁苁抢酶叨日婵障鹿軆?nèi)低溫介質(zhì)的相變過程進(jìn)行熱量傳遞的,因此,一根熱管一旦成型,其傳熱性能也將確定,其璧面溫度即固定為管內(nèi)介質(zhì)在該真空度下的飽和溫度,不能調(diào)整。因此,用其組裝的熱管換熱器也是不能根據(jù)用戶的工況變化而對(duì)其璧溫進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)用戶工況變化時(shí)其尾部受熱面的最低壁面溫度仍有可能會(huì)低于酸露點(diǎn)溫度,不能避免酸露導(dǎo)致的腐蝕。
　　上世紀(jì)九十年代初,熱管換熱器曾在空預(yù)器改造中一度被推廣,但后來(lái)由于熱管普遍存在產(chǎn)生和積累不凝氣體,逐漸老化和璧溫不可調(diào)節(jié)等不足,廠家卻對(duì)應(yīng)用熱管換熱器采取了謹(jǐn)慎的態(tài)度。復(fù)合相變換熱器技術(shù)中“相變段”的概念是將原來(lái)熱管換熱器中一根根相互獨(dú)立的熱管,構(gòu)造成整體熱管。保證“相變段”受熱面最低壁面溫度只有微小的梯度溫降。同時(shí),利用相變傳熱的原理將被加熱介質(zhì)(如空氣、水)的溫度適當(dāng)?shù)靥岣摺１活A(yù)熱了的空氣可以保證下級(jí)空預(yù)器的安全,解決了低溫腐蝕問題;被加熱的水回收了煙氣中的余熱,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。它通過“相變段”溫度的調(diào)節(jié),可以對(duì)受熱面最低壁面溫度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)了壁面溫度的可控可調(diào)(恒定或調(diào)高調(diào)低)。換熱器金屬受熱面最低壁面溫度處于可控可調(diào)狀態(tài),使復(fù)合相變換熱器能夠在相當(dāng)大幅度內(nèi),適應(yīng)鍋爐的各種煤種以及傳熱負(fù)荷的變化,使排煙溫度和壁溫保持相對(duì)穩(wěn)定;保持金屬受熱面壁面溫度處于較高的溫度水平,遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)的腐蝕區(qū)域,從根本上避免了酸露腐蝕和堵灰現(xiàn)象的出現(xiàn),復(fù)合相變換熱器的最低壁溫不僅是設(shè)計(jì)時(shí)可以任意選取,且在鍋爐運(yùn)行時(shí)可通過自動(dòng)控制設(shè)備容易地保持在一個(gè)不變的數(shù)值。例如在70%負(fù)荷時(shí),如果希望最低壁溫保持不變,則可以通過自動(dòng)控制,排煙溫度會(huì)自動(dòng)升高,從而使最低壁溫仍保持在原設(shè)計(jì)的煙氣酸露點(diǎn)溫度以上的水平,這一點(diǎn)對(duì)鍋爐來(lái)說是極其安全的,與傳統(tǒng)節(jié)能方法相比是基本設(shè)計(jì)理念的變化,該技術(shù)在世界上首次提出和實(shí)現(xiàn)換熱器的局部在“整體意義上壁溫可控可調(diào)”的概念,將制約有效利用余熱的“壁面溫度與排煙溫度的差”從以往的“倍數(shù)”關(guān)系變?yōu)?ldquo;加減”關(guān)系(見圖2),從而能夠在有效避免“低溫腐蝕和灰堵”的同時(shí),使“節(jié)能幅度”出現(xiàn)了“量級(jí)”意義的變化。
  

                                                                                        
　　熱管空氣預(yù)熱器和復(fù)合相變換熱器空預(yù)器的最低壁溫與排煙溫度間的關(guān)系由表1所示:復(fù)合相變換熱器壁溫達(dá)105℃時(shí),排煙溫度僅120℃,若熱管換熱器壁溫也要達(dá)到105℃時(shí),排煙溫度必須達(dá)到190℃。這里排煙溫度之差為70℃,這就是熱管空氣預(yù)熱器與復(fù)合相變換熱器空氣預(yù)熱器的節(jié)能幅度差值。設(shè)高硫渣油燃燒的蒸汽鍋爐要求空預(yù)器最低壁溫為145℃,采用復(fù)合相變換熱器要求排煙溫度為160℃,若用熱管換熱器則得排煙溫度為270℃。這里排煙溫度之差為110℃。可見在煙氣酸露點(diǎn)溫度愈高時(shí),復(fù)合相變換熱器愈能顯示出它在節(jié)能領(lǐng)域中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
　　FXH在世界范圍內(nèi)首次提出并做到:將鍋爐低溫?fù)Q熱器的最低壁面溫度作為“第一”設(shè)計(jì)參數(shù);
　　將換熱器最低壁面溫度與排煙溫度從“倍數(shù)”關(guān)系轉(zhuǎn)化為“加減”關(guān)系;
　　將換熱器的最低壁面溫度處于“整體均勻、可調(diào)可控”狀態(tài)。
    將換熱器的最低壁面溫度獨(dú)立(無(wú)關(guān)聯(lián))于被加熱流體的進(jìn)口溫度。

　　4·適用范圍
　　適用于燃煤、燃油、燃?xì)獍l(fā)電鍋爐及工業(yè)鍋爐,可大幅降低鍋爐排煙溫度,提高鍋爐熱效率,亦可廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金等各種行業(yè)的空氣預(yù)熱器、煤氣預(yù)熱器、余熱鍋爐、熱風(fēng)爐、工業(yè)窯爐等設(shè)備。
　　5·典型案例
　　1)新昌華佳熱電有限公司
　　項(xiàng)目背景:65t/h鏈條爐,排煙溫度180℃以上。
　　原有問題:尾部受熱面換熱能力較低,設(shè)計(jì)排煙溫度較高(160℃)。實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷較大,一般運(yùn)行在75t/h左右,加上運(yùn)行中受熱面難免受污染,實(shí)際運(yùn)行排煙溫度高達(dá)182℃。
　　改造方案:在省煤器下級(jí)空間增加一級(jí)復(fù)合氣水段把給水從150℃提高到172℃,使煙氣溫度從原來(lái)的258℃下降到210℃,再在原空氣預(yù)熱器后增加一級(jí)復(fù)合氣氣段,將煙氣溫度下降到120℃的同時(shí),把助燃空氣加熱到50℃,使進(jìn)入空氣預(yù)熱器后出口助燃空氣溫度達(dá)到164℃。
　　節(jié)能效果:2005年4月,應(yīng)用“復(fù)合相變換熱器”對(duì)該鍋爐進(jìn)行改造,經(jīng)測(cè)試,改造后的排煙溫度為122.5℃,換熱器最低壁面溫度為102℃,回收的熱量一部分加熱鍋爐給水,另一部分加熱鍋爐送風(fēng),提高鍋爐熱效率約4%,噸煤產(chǎn)汽率增加0.3噸,鍋爐出力增加至80t/h。通過計(jì)算,年節(jié)標(biāo)煤量3900噸;年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益折合人民幣331.5萬(wàn)元(850元/噸)。
　　自第一臺(tái)改造成功后,又連續(xù)改造了其余2臺(tái),該廠3臺(tái)65t/h鍋爐年節(jié)約標(biāo)煤1萬(wàn)多噸,節(jié)能效益800多萬(wàn)元,被列為07年度浙江十大節(jié)能示范工程之一,并先后獲得國(guó)家、省級(jí)、市級(jí)多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。
　　2)揚(yáng)州威亨熱電有限公司:
　　項(xiàng)目背景:80t/h循環(huán)流化床鍋爐1臺(tái),原排煙溫度171℃。
　　原有問題:運(yùn)行記錄顯示,當(dāng)入口風(fēng)溫為20℃時(shí),經(jīng)過空預(yù)器的出口風(fēng)溫僅為71℃,此溫度對(duì)于一般鏈條爐而言太低,更何況循環(huán)流化床鍋爐。如果簡(jiǎn)單增加空氣預(yù)熱器受熱面,盡管熱風(fēng)溫度會(huì)馬上得到改善,但由于隨著排煙溫度的降低空預(yù)器的壁面溫度也會(huì)隨之大幅度降低。當(dāng)排煙溫度低于原設(shè)計(jì)值(151℃)時(shí),會(huì)在空預(yù)器表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,如果不妥當(dāng)處理會(huì)嚴(yán)重影響到空預(yù)器的安全正常運(yùn)行。
　　改造方案:在增加空預(yù)器受熱面降低排煙溫度的同時(shí),在冷空氣入口端增加一組相變換熱器用以提高進(jìn)入空預(yù)器的冷風(fēng)溫度,空預(yù)器的最低壁面溫度始終高于煙氣的酸露點(diǎn)溫度,在鍋爐負(fù)荷或燃煤種類發(fā)生變化時(shí)確保復(fù)合相變換熱器始終工作在安全范圍,使其壁溫處于可調(diào)可控狀態(tài),省煤器進(jìn)口母管處設(shè)置旁通管,通過自控閥自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通給水的流量,從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制復(fù)合相變換熱器壁溫的目的。
　　節(jié)能效果:應(yīng)用“復(fù)合相變換熱器”內(nèi)循環(huán)方案對(duì)鍋爐進(jìn)行改造,改造后排煙溫度120℃,換熱器最低壁溫為105℃。回收的熱量一部分用于加熱鍋爐給水;一部分用于加熱鍋爐送風(fēng),提高鍋爐熱效率2.5%。
　　經(jīng)揚(yáng)州市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè):節(jié)能量為10.058t標(biāo)煤/天,推算年節(jié)標(biāo)煤量約3352噸/年·臺(tái);年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益:285萬(wàn)元/臺(tái)(850元/噸)
　　6·推廣意義
　　
　　我國(guó)工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率比國(guó)際先進(jìn)水平低10～15個(gè)百分點(diǎn),燃煤鍋爐改造被國(guó)家列為十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉(zhuǎn)換裝置工藝技術(shù)落后,排煙溫度高,熱能損耗大。我國(guó)現(xiàn)有50多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐,即使只有1萬(wàn)臺(tái)較大噸位鍋爐采用復(fù)合相變換熱器改造換熱裝置,按照排煙溫度平均降低30～40℃保守測(cè)算,每年總計(jì)可節(jié)能2000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤,價(jià)值上百億元,并可相應(yīng)減少SO2排放160萬(wàn)噸、CO2排放1600萬(wàn)噸。由此可見,該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,對(duì)于落實(shí)節(jié)能減排的基本國(guó)策具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。