余熱回收熱能轉(zhuǎn)換裝置

一、熱管裝置

1、熱管原理與結(jié)構(gòu)

熱管是一種高效傳熱原件。單支熱管由無縫鋼管、金屬管芯和工質(zhì)三個要素構(gòu)成。鋼管是密封的并抽成真空，內(nèi)裝有毛細(xì)管作用的金屬管芯。當(dāng)熱管的受熱端受熱時，工質(zhì)吸收熱量、蒸發(fā)變?yōu)檎羝?，并向放熱端移動，與冷的管壁接觸而放熱，同時冷凝成液體。由于管芯的毛細(xì)管作用或重力作用，液態(tài)工質(zhì)又返回到熱管的受熱端。因?yàn)槭抢霉べ|(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)汽化潛熱來傳遞熱量，所以熱管的熱阻非常小，只要兩端有一點(diǎn)溫度差，就能迅速傳遞大量熱能。這是20世紀(jì)60年代探索新的傳熱設(shè)備，強(qiáng)化傳熱效果所開拓的新成果，因而受到了人們的廣泛重視，取得了顯著節(jié)能減排效果。

2.熱管的分類與組裝

一般按工作溫度，熱管可分為三種：高溫?zé)峁埽ぷ鳒囟?50℃以上；中溫?zé)峁埽ぷ鳒囟仍?0～350℃；低溫?zé)峁?，工作溫度低?0℃。

目前國內(nèi)用于中低溫余熱回收的熱管多采用普通鍋爐鋼管和水作工質(zhì)，屬于重力型熱管。遼寧省已制定了DB/T696—93《余熱回收用碳鋼-水熱管技術(shù)要求》地方標(biāo)準(zhǔn)。如回收利用高溫余熱，應(yīng)改換材質(zhì)并選用耐高溫工質(zhì)。為增強(qiáng)單根熱管的傳熱性能，在熱管一端或兩端可做成翅片型，也可做成平板散熱片，甚至輻射散熱片等，以增大其傳熱面積。

3.熱管回收裝置與應(yīng)用

目前用熱管組裝成各種余熱回收裝置，并已成功應(yīng)用于工業(yè)鍋爐與電站鍋爐的省煤器、空氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器與再熱器；化肥行業(yè)用的余熱鍋爐、加氮空氣預(yù)熱器、吹風(fēng)系統(tǒng)空氣預(yù)熱器、軟水加熱器；冶金行業(yè)用的余熱鍋爐、大型分離式熱管空氣、煤氣雙預(yù)熱器、空氣預(yù)熱器；建材企業(yè)用的余熱鍋爐、熱管蒸發(fā)器；硫酸企業(yè)用的熱管省煤器；干燥、烘干領(lǐng)域用的熱管熱風(fēng)爐等，用途非常廣泛。天津華能能源設(shè)備有限公司與遼寧省有關(guān)企業(yè)等，均可生產(chǎn)上述多種熱管換熱裝置，銷往全國各地，取得良好的節(jié)能減排效果。

4.熱管回收裝置特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

①余熱回收率高。由于熱管有很高的導(dǎo)熱能力，比金屬導(dǎo)體要強(qiáng)很多，熱導(dǎo)率比良好的金屬導(dǎo)體要高1000～10000倍，因而能進(jìn)行高效傳熱，有的文獻(xiàn)稱超導(dǎo)傳熱，所以余熱回收率高，尤其對中低溫余熱更為優(yōu)越，應(yīng)列為首選換代產(chǎn)品。

②構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、內(nèi)部阻力小、用途廣泛。

③使用壽命長，無需運(yùn)行費(fèi)用。本身無運(yùn)轉(zhuǎn)或驅(qū)動部件，免于維修，單根熱管損壞，不會造成漏氣問題，對整體設(shè)備無影響，經(jīng)久耐用?？烧{(diào)整冷熱端面積控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。如遇有帶煙塵的余熱，可單設(shè)門，定期進(jìn)行清掃，防止積灰。

④供、排氣各走不同的通道，不會相互混合，無漏氣問題，能獲得清潔熱風(fēng)或其他熱載體。

⑤蒸發(fā)端與冷凝端可以分開，制成分離式熱管余熱回收裝置，利于設(shè)計(jì)與合理布置，在冶金系統(tǒng)得到較好的應(yīng)用。

⑥熱管兩端溫差很小，利用這一特性，在某些等溫實(shí)驗(yàn)研究、培養(yǎng)細(xì)菌、溫度標(biāo)定等方面有特殊用途。國外曾有報(bào)道，利用小型特殊熱管束回收飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣高溫余熱，加熱燃?xì)廨啓C(jī)的助燃空氣，以提高燃機(jī)的效率。其余熱回收率可達(dá)到50％～70％，取得良好節(jié)能效果。

二、熱泵裝置

1.熱泵工作原理與構(gòu)成

熱泵的構(gòu)成主要包括四大部分，即蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器與膨脹閥，詳見下圖。熱泵既是余熱回收供熱設(shè)備，又是空調(diào)制冷設(shè)備，其基本原理是相同的。熱泵循環(huán)裝置中的蒸發(fā)器，就是低溫側(cè)的換熱器。余熱源從低溫側(cè)被吸入，傳給低沸點(diǎn)的載熱工質(zhì)，在換熱器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，使工質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)載體。然后進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，變成高溫高壓的氣體。當(dāng)把此氣體輸送到冷凝器內(nèi)時，向器外的介質(zhì)釋放出熱量，又被冷凝液化。為了使液化后的工質(zhì)復(fù)原成低溫低壓狀態(tài)，讓其通過膨脹閥進(jìn)行絕熱膨脹，再輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，完成一次逆卡諾循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了低溫余熱回收，達(dá)到了節(jié)能減排目標(biāo)要求。

熱泵的工作原理大制與制冷機(jī)相同，只是它們的應(yīng)用目的和工作溫度范圍不一樣。熱泵的基本功能是靠機(jī)械做功，把熱量從低溫?zé)嵩刺嵘礁邷貭顟B(tài)，給用戶供熱。而制冷機(jī)是利用低溫側(cè)換熱器的蒸發(fā)吸熱原理，把高溫側(cè)的冷凝器當(dāng)作放熱器，將釋放出的熱量排到周圍環(huán)境或冷卻水中?？梢姛岜醚h(huán)的下界限是低溫余熱資源，上界限是需要供熱的熱用戶；而在制冷循環(huán)中，上界限是周圍環(huán)境介質(zhì)，下界限是需要冷負(fù)荷的場所，二者正好相反。其實(shí)質(zhì)是設(shè)備的卡諾循環(huán)方向問題。在中央空調(diào)領(lǐng)域，在夏季是供冷的制冷設(shè)備，在冬季又能將低品位熱源提高溫度，變?yōu)楣嵩O(shè)備。熱泵在工業(yè)供熱領(lǐng)域往往被人們忽視。

2.熱泵的分類與應(yīng)用范圍

熱泵在空調(diào)、供熱采暖方面受到廣泛重視，發(fā)展速度很快。因其在夏天能夠制冷空調(diào)，而冬天又能將低品位熱源提高溫度變?yōu)楦咂肺粺嵩?，用于供熱采暖。由于熱泵在?jié)能、環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)已成為中央空調(diào)的重要冷熱源設(shè)備。

（1）空氣源熱泵　也稱風(fēng)冷熱泵，系早期開發(fā)研制的產(chǎn)品，利用空氣作為冷熱源的空調(diào)、供暖設(shè)備。我國南方地區(qū)，冬天氣溫低，可用于采暖，夏季則制冷。

（2）水源熱泵　又可分為地下水源熱泵和地表水源熱泵。地下水需要抽出、回灌，而地表水包括江、河、湖、?；蚬I(yè)廢水、城市污水、中水等。尤其是工礦企業(yè)的各種冷卻水，不但水量充足，而且溫度適當(dāng)，開發(fā)應(yīng)用潛力很大。

（3）地源熱泵　也叫土壤源熱泵。在土壤中垂直埋管或水平埋管，從中取熱或放熱。在環(huán)保和運(yùn)行能耗方面具有一定優(yōu)勢，有開發(fā)與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（4）水環(huán)熱泵　它用循環(huán)水環(huán)路作為加熱源與排熱源。當(dāng)熱泵在制冷運(yùn)行時，向環(huán)路中的水放熱時，可設(shè)冷卻塔，可將熱量排向大氣；當(dāng)熱泵在制熱運(yùn)行時，如環(huán)路中水溫低于一定值時，可設(shè)加熱裝置，對其進(jìn)行加熱。因其各種水源廣泛存在，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

3.工業(yè)熱泵的開發(fā)應(yīng)用

目前國內(nèi)熱泵多應(yīng)用于制冷、空調(diào)及供暖、空調(diào)和生活熱水三聯(lián)供方面，而且取得良好節(jié)能效果。但在工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用得較少，遠(yuǎn)沒有引起業(yè)界人士、開發(fā)研究單位和能源界的高度重視。其實(shí)熱泵在工業(yè)低溫余熱回收利用方面有廣泛的應(yīng)用前景，且節(jié)能減排效果顯著，環(huán)保效益、社會效益也很好，亟待開發(fā)應(yīng)用。

工業(yè)熱泵結(jié)構(gòu)原理與空調(diào)、制冷熱泵完全一樣，只在布置與連接方面有所不同。工業(yè)熱泵主要有三種基本類型，即閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和吸收式循環(huán)系統(tǒng)等。

4.對熱泵的經(jīng)濟(jì)性判斷

對于熱泵系統(tǒng)，在以下條件下運(yùn)行時，一般認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)的：

①有穩(wěn)定良好的低溫余熱源條件，且熱管裝置很難回收利用的場合；

②有耗用低溫?zé)嵩吹男枨螅颐磕隄M負(fù)荷運(yùn)行時間大于2000h；

③經(jīng)測定致熱系數(shù)COP值大于3；

④在夏季作供冷運(yùn)行，冬季作供暖運(yùn)行，不需另外增加能源；

⑤建筑物內(nèi)部有較大的余熱量，有可能在環(huán)境溫度低于0℃時使用內(nèi)部熱源，加熱建筑物的情況，如大型超市、體育館、百貨商場、影劇院等。如果屬于下列情況，熱泵的經(jīng)濟(jì)性較差：致熱系數(shù)COP值小于3；僅僅用于供暖或空調(diào)制冷單方面運(yùn)行；熱泵設(shè)置容量遠(yuǎn)大于供熱負(fù)荷，處于低負(fù)荷運(yùn)行等。

三、預(yù)熱器裝置

1.預(yù)熱器的優(yōu)勢及其應(yīng)用效果

預(yù)熱器主要用于中溫余熱資源回收工程，是一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)非常成熟的熱交換裝置。它的最大優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、制造周期短、運(yùn)行方便、占地面積小、余熱回收率較高等。幾乎所有行業(yè)，凡是有中溫余熱資源的場所，需要回收利用余熱資源時，均可設(shè)置預(yù)熱器。工業(yè)鍋爐最典型的預(yù)熱器是省煤器和空氣預(yù)熱器。設(shè)置預(yù)熱器的作用，可概括為：

（1）提高燃料燃燒溫度　對于鍋爐或窯爐而言，燃料燃燒所需要的助燃空氣，如用熱風(fēng)助燃，便可提高燃燒溫度。這一點(diǎn)對于低熱值燃料更為重要，在第二章、第三章中已進(jìn)行了詳細(xì)介紹。火焰溫度提高了，便可提高傳熱效率，縮短加熱時間，達(dá)到節(jié)能、減排目的。

（2）提高燃料燃燒效率　無論是固體、液體或氣體燃料，用熱風(fēng)助燃，可起到強(qiáng)化燃燒作用，加快燃燒速度，達(dá)到完全燃燒，減少灰渣含碳量，提高燃燒效率。

（3）收到節(jié)能減排功效　由于預(yù)熱器可回收利用余熱資源，把將要流失的“廢熱”回收后，變?yōu)橛杏脽崃浚蚨善鸬焦?jié)能減排作用，降低了燃料消耗，減少CO2與SO2的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

（4）可提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益　把將要排放到環(huán)境中的余熱資源回收，用以轉(zhuǎn)換成溫度較高的熱水或熱空氣，用于生產(chǎn)供熱或采暖、空調(diào)，因而可降低成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.預(yù)熱器熱交換原理與分類

（1）表面式預(yù)熱器　表面式預(yù)熱器的主要特點(diǎn)是冷熱兩種流體被導(dǎo)熱的器壁隔開，在熱交換過程中，兩種流體互不接觸，熱流體通過器壁將熱量傳遞給冷流體。

（2）混合式預(yù)熱器　該種預(yù)熱器是依據(jù)熱流體和冷流體直接相互混合來完成熱交換的；在熱量傳遞的同時伴隨著相態(tài)的變換與混合。它具有熱交換速度快、傳熱效率高、設(shè)備簡單、投資省等優(yōu)點(diǎn)。

（3）蓄熱式預(yù)熱器　該蓄熱器最常見的是高爐熱風(fēng)爐、蓄熱式燃燒裝置和回轉(zhuǎn)（蓄熱）式預(yù)熱器。

四、余熱鍋爐裝置

余熱鍋爐也叫廢熱鍋爐。它是利用工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中排出的各種余熱資源，尤其是高溫余熱源，回收利用這些余熱源用來生產(chǎn)蒸汽或熱水的熱交換設(shè)備。其最大特點(diǎn)是所生產(chǎn)的高溫、高壓蒸汽，既可發(fā)電，又能供熱，實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對節(jié)能減排起到重要作用。

1.余熱鍋爐熱源種類

（1）高溫?zé)煔庥酂帷∑涮攸c(diǎn)是產(chǎn)量大，連續(xù)性強(qiáng)，便于回收利用，是最常見的一種余熱形式。這種余熱最適宜用余熱鍋爐來回收熱量，用于生產(chǎn)蒸汽，最好是熱電聯(lián)產(chǎn)，容量一般比較大。

（2）化學(xué)反應(yīng)余熱　在生產(chǎn)過程中，有大量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的余熱，如硫酸、磷酸、化肥、化纖、陶瓷、冶金等行業(yè)產(chǎn)生的余熱。

（3）可燃廢氣、廢液的余熱　如高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、煉油廠催化裂化再生廢氣、炭黑廠排煙氣、造紙廠的黑液等。

（4）高溫爐渣余熱　如高爐爐渣、轉(zhuǎn)爐爐渣及電爐爐渣等。爐渣溫度在1000℃以上，每千克渣含熱達(dá)1250～7150kJ。

（5）高溫產(chǎn)品余熱　如水泥燒成熟料、焦?fàn)t焦炭、鋼錠鋼坯、高溫鍛件等。一般溫度都很高，含有大量余熱。

（6）冷卻介質(zhì)、冷凝水余熱　各種冷卻裝置排出的大量冷卻水和低溫乏蒸汽。工業(yè)生產(chǎn)過程中用汽，在工藝過程后冷凝成水，都含有大量的余熱。

2.余熱源特點(diǎn)與回收利用對策

（1）余熱鍋爐用熱源溫度高且不固定　各種高溫爐窯或其他工藝設(shè)備在生產(chǎn)過程中排出的高溫氣體或附帶排出一些可燃?xì)怏w，由于工藝條件的差異，其數(shù)量、溫度與壓力不能完全固定。一般溫度在500～1000℃，有的高達(dá)1500℃。因此，就余熱鍋爐系列產(chǎn)品來講，無固定的理論燃燒溫度。設(shè)計(jì)單位須按余熱源的具體條件進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，或按鍋爐廠家產(chǎn)品系列進(jìn)行優(yōu)選。

（2）余熱源煙氣成分復(fù)雜　余熱源除溫度高外，有時附帶排出可燃?xì)怏w，甚至有害氣體、腐蝕性氣體等，煙塵中或渣中含有金屬或非金屬氧化物。對余熱鍋爐部件造成腐蝕，煙氣排放涉及環(huán)境污染問題。如硫酸工業(yè)、化工廠、印染廠、罐頭廠、油脂廠、油氈廠、食品廠和垃圾或醫(yī)療物品焚燒、有色金屬冶煉等行業(yè)，排出SO2、SO3、NOx、H2S、NH3甚至病毒、有色金屬氣體等。在設(shè)置余熱鍋爐時，必須根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行無害化處理。一般采用焚燒法、尾部脫除法等，保證環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，并對余熱鍋爐材質(zhì)與煙氣露點(diǎn)溫度特別關(guān)注與處理。

（3）余熱源氣體中夾帶粉塵　余熱載體中夾帶大量粉塵、煙塵常有發(fā)生。如陶瓷、黑色金屬冶煉，有色金屬熔煉，水泥回轉(zhuǎn)窯燒成，耐火材料行業(yè)等。由于溫度高，有時呈半熔融狀態(tài)，極易黏結(jié)在鍋爐水冷壁上，造成結(jié)渣、積灰或結(jié)焦，并對受熱面造成較大的磨損。不但影響傳熱，降低余熱鍋爐效率，而且涉及安全問題，使其壽命縮短。在設(shè)計(jì)時，必須針對實(shí)際情況，采取具體措施。

（4）有些余熱源有周期性變化特點(diǎn)　由于生產(chǎn)工藝條件的不同，所排出的高溫?zé)嵩大w有周期性或間隙性變化特點(diǎn)。因而余熱鍋爐負(fù)荷也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。如冶金氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、有色金屬熔煉、煉焦?fàn)t、化工行業(yè)反應(yīng)釜、各種熱處理爐等。應(yīng)詳細(xì)進(jìn)行調(diào)查，搞清各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。一般應(yīng)安裝配套的蒸汽蓄熱器或設(shè)置補(bǔ)充熱源，詳見第二章介紹。

（5）余熱鍋爐有關(guān)部件需分散設(shè)置　在石油、化工行業(yè)，余熱鍋爐的有關(guān)部件需要分散設(shè)置在工藝流程中的某些部位。但相互之間的聯(lián)系又非常緊密，余熱鍋爐水側(cè)或汽側(cè)的溫度變化會影響上、下工序的溫度變化，以及整個工藝流程會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使產(chǎn)量、質(zhì)量受到影響。在此情況下，分散設(shè)置余熱鍋爐部件是一件非常復(fù)雜的事情，必須經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算，采取針對性措施，保證上、下工序反應(yīng)溫度與催化劑的使用壽命正常。把各分散的部件匯集起來，使余熱鍋爐也能穩(wěn)定正常運(yùn)行。

（6）依據(jù)工作條件選擇余熱鍋爐有關(guān)部件材質(zhì)　在石油化工行業(yè)，有的工序要求余熱鍋爐不但水側(cè)（或汽側(cè)）需要高溫、高壓，而且工藝氣側(cè)也需要高溫、高壓。還有些企業(yè)在余熱源氣體中附帶腐蝕性氣體等。在此特殊條件下設(shè)置余熱鍋爐，要特別注意選用有關(guān)部件的材質(zhì)問題，保證使用溫度與壓力達(dá)到要求；同時要采取措施，保證余熱鍋爐各部位的嚴(yán)密性；所用鍋爐水質(zhì)，不能按一般工業(yè)鍋爐對待，應(yīng)按電站鍋爐要求進(jìn)行水處理。

（7）余熱鍋爐與空氣預(yù)熱器聯(lián)合設(shè)置　有些高溫爐窯回收煙氣余熱時，往往要求采用余熱鍋爐與空氣預(yù)熱器聯(lián)合設(shè)置。用余熱鍋爐先回收高溫余熱，生產(chǎn)蒸汽，再設(shè)置空氣預(yù)熱器，預(yù)熱空氣，用于爐窯熱風(fēng)助燃。這種設(shè)置有諸多優(yōu)點(diǎn)：可滿足企業(yè)自用蒸汽、減少外購或取消本企業(yè)的燃煤小鍋爐；空氣預(yù)熱器布置在余熱鍋爐煙氣出口處，煙溫已降低，用于預(yù)熱空氣，促進(jìn)爐窯節(jié)能，并可綜合降低企業(yè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。為此，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，合理選取各自的進(jìn)、出口溫度與受熱面分配，保證各自能正常運(yùn)行。

（8）其他特殊情況與要求　余熱鍋爐屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，有時受生產(chǎn)工藝和安裝場地、安裝空間等條件的限制；有時對排煙溫度有一定要求；有時多臺爐窯煙氣余熱回收，會遇到集中設(shè)置還是分散設(shè)置等具體問題等等。這些問題都需要在設(shè)計(jì)時統(tǒng)籌安排解決。