热交换技术.docx

-本文出自华誉能源董事长张军的新书地热能、余热能与热泵技术第3.2.1章节热交换技术热交换技术通过换热设备直接回收和利用余热能，这类技术不改变余热能的形式，是回收工业余热最为直接和经济的方法。热交换技术所利用的主要设备有各种传统的换热器，以及热管换热器和余热锅炉等。1传统换热器工业用的传统换热器主要有间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器等几种。（1）间壁式换热器间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类。管式换热器换热效率较低，平均在26%30%，紧凑性不如板式换热器，金属材料消耗也大于其它类型换热器，但它具有结构坚固、适用性强和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。冶金企业40%的换热设备为管式换热器，该类换热器允许入口烟气温度达1000以上，出口烟温约600，平均温差约300。板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式等，与管式换热器相比，其传热系数约为管壳式的二倍，传热效率高，结构紧凑，节省材料，冶金行业中的联合中小企业多采用板式换热器预热助燃空气，热回收率平均在28%35%，入口烟气温度700左右，出口温度达360。但由于板式换热器对温度压力的耐受能力不如管式换热器大，应用范围受到一定的限制。对于各种工业炉窑产生的高温烟气，还经常采用块孔式换热器、空气冷却器和同流热换热器等。其中同流换热器属于气气热交换器，主要有辐射式和对流式两类，应用较为广泛，多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热，预热助燃空气或燃料，降低排烟量和烟气排放温度。常见的辐射型同流换热器入口烟气的温度可达1100以上，出口烟气温度亦高达600，可将助燃空气加热到400，助燃效果好；但热回收率较低，平均为26%35%。（2）蓄热式热交换器蓄热式热交换设备是冷热流体间歇性地流过蓄热元件进行热量交换，属于间歇操作的换热设备，适宜回收间歇排放的余热资源，多用于高温气体介质间的热交换， 如加热空气或物料等。根据蓄热介质和热能储存形式的不同，蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。显热储能系统在工业中应用已久，简单换热设备如常见的回转式换热器；复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室等。由于显热储能热交换设备存在储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点，在工业余热回收中具有局限性。相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存和传递能量，具有高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度，因此在储存相同热量的情况下，相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少30%50%。此外，热量输出稳定、换热介质温度恒定、换热系统运行状态稳定是相变潜热储能换热设备的另一优点。相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料，前者相变温度高、相变潜热大，主要是由一些无机盐及其混合物、金属及合金、氧化物等和陶瓷基体或金属基体复合制成，适合于4501100及以上的高温余热回收，应用较为广泛；后者主要是结晶水合盐或有机物，适合用于低温余热回收。（3）混合式换热器混合式换热器依靠冷热流体直接接触或混合传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、 气压冷凝器等。淋水式矿井排风热能回收换热器也属于这一类型。 淋水式矿井排风热能回收换热器矿井排风一年四季源源不断，风量大，温度相对稳定，蕴藏着大量的低品位热能，是热泵系统理想的低位热源。冬季可以作为热泵系统的热源，从中提取热能，制取50以上的高温热水，为井口防冻、工业广场的地面建筑采暖、加热洗浴热水提供热量；夏季可作为热泵系统的冷却源，向其排放热量，制取7以下的冷冻水，为矿区地面建筑制冷以及矿井的降温除湿提供冷量。但是如果采用普通的间壁式换热器回收矿井排风中的热能，由于矿井排风含有大量的粉尘以及硫等腐蚀性成分，换热器很容易挂灰、堵塞甚至腐蚀，很难长期稳定地工作，淋水式矿井排风热能回收换热器可以很好解决这一问题。淋水式矿井排风热能回收换热器采用汽-水换热原理，通过汽-水的直接接触换热，将蕴藏在矿井排风中的低温热能由高压雾化后的水所吸收。这种汽-水直接接触的换热方式不仅可以吸收矿井排风中的显热，而且还可同时回收矿井排风中的潜热，回收效率高。其原理如图 3-2-1 所示。图3-2-1 淋水式矿井排风热能回收换热器采用汽-水换热原理这种换热器具有以下特点：气水换热，水雾和矿井回风直接换热，不但可以回收矿井回风显热热量和还可以回收潜热热量，换热效率高。喷淋水吸收了矿井排风中绝大部分粉尘，具有很强的净化空气能力，大大降低了矿井排风对矿区环境造成的粉尘污染。具有明显的降噪效果，可降低风井排风噪音。无电动设备，无需防爆。2热管换热器热管是一种高效的导热元件。热管是一种全封闭的真空管，里面充注一定量的工质。热管一端受热后，里面的工质吸热蒸发，然后扩散至热管另一端凝结放热，将热量传递给与热管另一端相接触的物质。热管通过工质的蒸发和凝结两次相变过程和两次间壁换热来传递热量，属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。热管导热性优良，传热系数比传统金属换热器高近一个数量级，还具有良好的等温性好、温度可控、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无需外加辅助动力设备等一系列优点。热管工作温度分为低温（-200+ 50），常温（50250），中温（250600），高温（600），需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质。其中碳钢水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，得到了广泛的应用。实际应用中，用于工业余热回收的热管使用温度一般在50400之间。热管换热器可用于干燥炉、固化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热等。3余热锅炉采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段。余热锅炉可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温物料余热等，生产高压、中压、低压蒸汽或热水，用于工艺流程或进入热网供热。同时余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，可为汽轮机等动力机械提供做功用的蒸汽。余热锅炉中不发生燃烧过程，从本质上讲只是一个烟气气水或烟气蒸汽的换热器。实际应用中，利用350 1000高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收的。由于余热烟气含尘量大，并含有较多腐蚀性物质，容易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防止积灰磨损和腐蚀是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、密封炉墙、除尘室、振打吹灰装置等都是为解决积灰磨损问题在余热锅炉结构上所作的考虑。另外由于受工艺生产场地的空间限制，余热锅炉一般把换热部件分散安装在工艺流程各个部位，而不一定像普通锅炉一样组装成一体。近十年随着节能减排工作的推进，余热锅炉为适应工业领域产能调整和增加的变化，不断朝着大型化、高参数方向发展，如有色冶金行业蒸发量50t/h、工作压力4.2MPa的余热锅炉，或钢铁冶金行业蒸发量达100t/h、工作压力12.5MPa的干熄焦余热锅炉。此外，为进一步提高锅炉传热效果和热利用效率，减轻积灰、磨损和腐蚀，在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道布置以及清灰方式等方面进行改进和创新将是余热锅炉技术研发的主要内容。干熄焦技术煤在炼焦结束准备出焦时的温度约为9501100，这些发红发热的焦炭称为红焦。红焦所含的热量约相当于炼焦时所提供热量的45%。传统的湿法熄焦将水直接洒在红焦上，使焦炭冷却，这就使红焦所含热量全部散失，同时浪费大量水资源并污染环境。在焦化厂中可以采用干法熄焦代替湿法熄焦，回收红焦高品位余热进行干熄焦发电，并利用其汽轮机抽汽驱动吸收式热泵回收乏汽余热或焦化厂其它低品位余热用于建筑物集中供热。干熄焦技术是采用氮气作为工作介质，由循环风机将氮气吹入红焦冷却室，将高温焦炭冷却至250以下排出，被加热的氮气进入余热锅炉产生蒸汽用于发电、供热。氮气经冷却、除尘后再由风机送回