高效紧凑式低低温节能空冷岛

何春玲

（大冶斯瑞尔换热器有限公司，湖北大冶 435100）

针对含有大量的尘埃的锅炉烟气余热回收，本项目研制产业化的高效余热回收节能装置，安装在窑炉的排烟管道上，大大地减少了离炉烟气所带走的热量，将助燃空气预热到一定的温度后参与燃料的燃烧，燃料消耗大量减少20～25%，市场前景广阔。余热高效回收减排技术在我国的推广应用将有力地推动我国方兴未艾的节能和环保事业。同时，也可以为项目申报单位带来可观的经济效益。对我国“十一五”提出的能源战略、环境保护和自然资源的可持续发展都有重要的现实意义。

1 项目总体实施情况

1.1 项目基本情况

1.1.1 主要研究内容

（1）锅炉排烟温度余热数据搜集：需求按月定期到现场进行烟气排烟温度和烟气露点温度巡检。检查和监控数据库运行的状况，分析其稳定性和运行性能，发现潜在的回收潜力，保障系统稳定高效的运行。（2）研究高效SP管的设计制造，高效紧凑式低低温节能空冷岛整体装置设计制造。（3）高效紧凑式低低温节能空冷岛系统装置现场安装：提供系统操作培训和具体实施。（4）研究排烟温度与壁面温度之间的关系。降低排烟温度的同时，保证金属受热面璧面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的附属区域；（5）研究高效紧凑式低低温节能空冷岛系统控制模式。实现了换热器金属受热面最低避免温度处于可控可调状态，使余热回收换热器具有相当幅度的调节能力；（6）研究其高效性。保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过排气操作有效的解决相变换热器的老化问题，大大延长了设备的使用寿命。

1.1.2 拟解决的关键技术

利用先进的三维变空间变流场设计技术控制烟气余热回收流场，实现余热回收装置的冷热交换流场空间可控，传热界面温度可控可调，实现了高效紧凑式低低温节能空冷岛金属受热面最低温度处于可控可调状态。在降低排烟温度的同时，保证金属受热面璧面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的附属区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅降低设备的维修成本。

利用先进的三维变空间变流场设计技术控制烟气余热回收流场，适应锅炉的燃料品种以及工况恶化的变化；保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过排气操作有效地解决相变换热器的老化问题，大大延长了设备的使用寿命。

1.1.3 拟采用的方法、技术路线

数值模拟研究：利用有限元技术对管壳程变空间高效紧凑式低低温节能空冷岛的壳程进行数值模拟和分析,主要分析不同换热管几何结构以及不同布管方式下壳程流体的速度场、温度场、压力场及其相互协同程度，分析管壳程变空间高效紧凑式低低温节能空冷岛的壳程强化传热机理。并借助场协同原理等强化传热理论知识对壳程流体传热与压降特性进行定性的分析。

图1 高效SP管空冷器Ⅰ

搭建管壳程变空间高效紧凑式低低温节能空冷岛测试平台，对高效紧凑式低低温节能空冷岛不同几何结构下壳程的传热与压降特性进行实验测试，测试数据主要包括不同管程壳程流量下高效紧凑式低低温节能空冷岛管程、壳程进出口温度、流量和压差。利用传热学相关理论知识以及已有的管壳程变空间高效紧凑式低低温节能空冷岛管内传热与压降性能数据对测试数据进行处理，得到高效紧凑式低低温节能空冷岛壳程的传热与压降特性数据。同时以余热流体为介质，对高效紧凑式低低温节能空冷岛壳程污垢的成长速度进行实验分析。

1.2 关键技术与创新点

本项目以先进的三维变空间变流场理论为基础，创新性设计一种高效传热专利元件-变形换热管，通过调整高效紧凑式低低温节能空冷岛的变形量控制冷热流场空间，实现产品系统的管/壳程内外空间可控。通过变形管在一定的螺距内最大变径凸点相互接触，形成自支撑，替代了传统的折流支撑板，减少管束的震动；同时实现管壳程纯逆流、无流动死区，具有传热效率高，壳程压降小，抗垢性能好，占地的面积小等优点。

1.3 项目实施目标完成情况

本项目在沙河鑫磊玻璃公司的玻璃窑炉上实施应用。玻璃窑炉的烟气具有高烟尘、高磨损、高腐蚀等特点。而在国家加大环保力度情况下，河北邢台沙河地区的玻璃窑烟气在玻璃窑进行检修的时候，烟气没有进行处理时不准进行对空排放的环保。为了用以保证玻璃窑的烟气全年排放达标，减少换热器的堵灰、磨损和腐蚀情况的出现，采用了中国科学院广州能源研究所节能环保集成技术中心先进的三维变空间变流场设计技术。该项目研制的产品-高效SP管空冷器采用了具有高效换热效率的SP管（如图1、图2所示），并采用变流场技术，使得空冷岛的换热能力、防腐性能得到提高，产品的体积小具有节能、节材的效果。

空冷器Ⅰ、Ⅱ分别安装于除尘器前、后的旁路烟道，目的是为了满足玻璃窑炉在线检修时国家的排放标准。空冷器系统不影响原系统的安全运行，切换简单方便。空冷器Ⅰ的进口烟温达到550℃，出口温度370℃。空冷器Ⅱ的进口烟温达到340℃，出口温度170℃。烟气量为140000Nm/h。

图2 高效SP管空冷器Ⅱ

目前正在运行，各项指标均达到用户的要求，运行性能良好。

2 项目实施市场情况

工业炉是工业加热的关键设备, 广泛应用于国民经济的各行各业,量大面广，品种多,同时工业炉又是高能耗装备。目前,我国共有各类工业炉约12万台,年总耗能达2.5亿,约占全国总能耗的1/4,占工业总能耗的60%。虽然我国工业炉技术自改革开放以来有了长足的进步,但工业炉的能源利用总体水平不高,仅相当于发达国家50～60年代的水平,工业炉的热效率平均不到30%，而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。随着我国的经济不断发展，对环境污染越来越严重，环境污染带来的负面效应已经超出了经济发展带来效益范畴，国家不得不重新审视过往的发展模式，进行大规模的经济改革，从粗放型经济逐渐实现集约型经济。加上国民意识的不断提高，对环境的要求越来越高。因此，2014年5月28日我国出台了史上最严的《环保法》，下定决心治理环境。工业炉的能耗受许多方面因素的影响, 但是节能的重点还在于回收余热利用。烟气带走的热量占燃料炉总供热量的30%～70%，充分回收烟气余热是节约能源的主要途径。通常烟气余热利用途径有：（1）装设预热器, 利用烟气预热助燃空气和燃料。（2）装设余热锅炉, 产生热水或蒸汽，以供生产或生活用。（3）利用烟气作为低温炉的热源或用来预热冷的工件或炉料。（4）增设发电机组，利用烟气余热来进行发电。回收烟气余热的最有效和应用最广的是高效换热器。

本项目着重锅炉烟气余热回收、防腐技术开发应用。以锅炉烟气回收主要领域并以此辐射于燃油锅炉与燃气锅炉的烟气余热回收等。本项目烟气余热高效回收与除尘节能减排技术开发利用主要表现在如下优点：（1）减少阻力，降低风机能耗。传统的管壳式折流板烟气换热器阻力大，回收烟气热量100kW,需要匹配的风机也接近100kW。采用变空间纯逆流的换热器回收烟气热量100kW,匹配的风机只需要5-10kW。大大提高系统的热效率。（2）使得本体设备与相邻设备避免酸露腐蚀的前提下尽可能降低排烟温度，提高余热回收，延长设备使用寿命和日常运行费用。大部分烟气中都含有硫成分，在降低排烟温度时，烟气中的硫成分（SO、SO与烟气中的水蒸气合成硫酸蒸汽）会在换热面上凝结成稀硫酸，并对换热面造成腐蚀。因此，高效换热器利用该原理，把其壁温稳定控制于稍高于酸露点，并且壁温不随负荷的变化而变化，避免了酸露腐蚀。

本项目烟气余热高效回收与除尘节能减排技术开发利用先进的三维变空间变流场设计技术控制烟气余热回收流场，实现传热界面温度可控可调，可设定金属受热面壁温，避免结露腐蚀和堵灰，使余热回收换热器具有相当幅度的调节能力，能适应锅炉的燃料品种以及操作负荷的变化，实现了产业化成套装备技术设计软件及版权，形成模块化、标准化的产品和技术，达到国际先进水平。

3 项目产生的成效

工业锅炉是工业加热的关键设备,广泛应用于国民经济的各行各业,量大面广,品种多,同时工业炉又是高能耗装备。目前,我国共有各类工业炉约12万台,年总耗能达2.5亿,约占全国总能耗的1/4,占工业总能耗的60%。虽然我国工业锅炉技术自改革开放以来有了长足的进步,但工业炉的能源利用总体水平不高,仅相当于发达国家50～60年代的水平,工业炉的热效率平均不到30%,而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。随着我国的经济不断发展，对环境污染越来越严重，环境污染带来的负面效应已经超出了经济发展带来效益范畴，国家不得不重新审视过往的发展模式，进行大规模的经济改革，从粗放型经济逐渐实现集约型经济。加上国民意识的不断提高，对环境的要求越来越高。

4 结语

本项目开发的高效紧凑式低低温节能空冷岛利用先进的三维变空间变流场设计技术控制烟气余热回收流场，实现传热界面温度可控可调，可设定金属受热面壁温，避免结露腐蚀和堵灰，使余热回收换热器具有相当幅度的调节能力，能适应锅炉的燃料品种以及操作负荷的变化，实现了产业化成套装备技术设计软件及版权，形成模块化、标准化的产品和技术，达到国际先进水平。另外，节约燃料同时缓解国家在烟尘、污染气体排放方面的压力，对电力事业和国家经济的发展。该项目产品在项目执行期内，在生产、销售和服务等多个环节需要新增就业人员，促进地方社会和经济的发展。