努力开展热管技术工程应用.doc

努力开展热管技术工程应用探索节能减排有效途径三明市介达热能研究所创办于1997年，主要从事太阳能热利用技术与热管系统传热技术及产品的研发、服务、工程设计、安装、信息咨询等。近几年来，集中人力、财力开展热管技术工程应用，探索节能减排有效途径。一、开展锅炉热管体系低温传热技术研究及工程应用以水为工质的低温常压锅炉热管体系工作温度120，压力0.1MPa，以大棚加温和建筑采暖为例，传统的流程：净水-加药处理-泵入锅炉-高温热水-膨胀-用热设备散热-低温热水回流-热水泵返输锅炉。存在着气阻、结垢、腐蚀、能耗高、污染环境之难题。本所研制出复合型低温无毒介质来充当传热工质，将锅炉充当为蒸发器，将散热设备充当为冷凝器，它们通过蒸汽管与回液管互相联通，在回流管路上安装自动返流安全装置。复合介质在锅炉内吸热，沸点低，汽化升温启动快，60左右即可连续输出大量工作蒸汽，从蒸汽管流入用热设备迅速散热冷凝，凝结液经回流管由返输装置自动回流锅炉再吸热循环，形成分离式强制循环热管系统。它吸热-给热系数大、传递速度快、汽化潜热大（是水的1.5倍），传递热量大。作为特例，是当全部用热设备都处在锅炉之上方，且有足够的高位差时，即可不用强制返流装置，因而锅炉与散热设备就构成分离式重力循环热管体系。本所法人代表陈烈涛（高级工程师）于2002年在北京市实施了燃煤型无压锅炉热管体系供暖实验应用工程，锅炉型号为雄宇牌0.015MW，对6间办公室供暖,面积100m2，由北京市煤炭节约办公室节能监测站于2003年8月12日参照工业锅炉热工试验规范(GB10180-88)进行热工测试，使用同一台燃煤锅炉，测得热管体系比普通热水供热系统的正平衡效率提高17.8%，节省燃料24.85%。他又于2003年在北京设计了电热式与燃汽式无压锅炉热管体系供暖工程，锅炉型号为CLS0.012-95/70-D与CLS0.022-95/70-Q,由北京斯辰达热管科技有限公司制造安装,由北京市煤炭节约办公室节能监测站于2003年10月30日、31日参照工业锅炉热工试验规范进行测试，测试小结分别如下：(一)当使用同一个电热锅炉时，测得普通热水锅炉正平衡效率为90.45%，热管体系锅炉正平衡率为97.88%。通过此次对比试验，在相同采暖面积，用同一台锅炉，在加热升温到同一出水温度时，热管体系比普通热水系统节省加热时间50%，节电32.20%。（二）当燃用应用基低位热值取114040.00KJ/m3的液化石油气，并用同一台锅炉进行两种方法对比试验时，测得使用普通热水锅炉正平衡效率为51.03%，使用热管体系锅炉正平衡率为75%，热管体系锅炉比普通热水锅炉正平衡率提高了23.97%。通过此次对比试验，热管体系比普通热水系统节省燃料32.26%。在北京期间，他还草拟了无压锅炉热管体系设计汇编、无压锅炉热管体系安装工艺措施、无压锅炉热管体系安全操作规程，又参与编制了无压锅炉热管体系企业标准，已由北京市质量技术监督局审定发布。此外，还撰写了锅炉热管体系传热技术特性探讨及其应用,被王补宣院士领导的北京机械工程学会动力分会评选为获奖论文。北京市节能产品评审委员会组织了辛定国（教授级高工、国家发改委能源研究所所长）、丁仁荣（教授级高工、北京锅炉研究所所长）等7名专家进行评审，无压锅炉热管体系被评定为北京市节能产品。锅炉热管体系低温供热技术也曾应用于大棚加温工程：2002年，首先在三明市三元区王源楠花卉大棚进行应用示范，采用燃煤加热器与翅片管散热器组合，无需供水，水泵及水处理设施，大棚为拱形塑料薄膜围封，面积130 m2，棚内温度可达16-24，温度分布均匀，工作压力0.06 MPa，不结垢，不腐蚀，无废水废汽排放，无烟尘污染温棚，人工费用低，维修费用少，管理极方便.比常规锅炉供热系统投资省，节省燃料30-50%；比购置燃油热风机投资减少30%，热费用仅为燃油费用的1/4；比电加热装置节省投资和维修费，热费用仅为电加热费用的1/5。受到用户好评。三明科技信息（02年第2期）曾载文报道。06年又为永安市黄泥家有限公司种苗基地设计360 m2的大棚温室，以当地煤为燃料,设计工作压力0.1Mpa、棚内温度18。已于07年元旦前投产，棚内温度达到21-24,运行稳定，同样受到用户好评。二、开展锅炉热管体系高温加热技术研究及工程应用高温加热、烘烤工程需要供热温度较高，如果采用以水为工作介质，那么其工作压力势必很高。这对系统结构、造价及安全都是不利的。目前普遍采用以导热油为工质的锅炉供热系统，其流程如同热水供热系统,系采用高温油泵打循环。优点在于供热温度高，工作压力低，没有剩余能量浪费。但是,由于导热油粘度大，在传热过程中无物态变化,换热系数小，热效率比较低，而且导热油膨胀系数大，系统必须设置高位膨胀槽造价增多又造成散热损失，还须设置保温防冻系统,循环油泵负荷大耗电多。此外，导热油超过380时会碳化，必须在2-3年的使用周期内全部换油，这样运行费用很大。本市有的企业使用后已改回或想改回用蒸汽锅炉供热。2002年，本所配制出复合型高温介质，在三明烟科所署沙阳试验场进行了烟叶烘烤工程应用实验。主要是设计烟道热管蒸发器置于蜂窝煤炉膛烟道内，设计翅片管散热器置于烤房内，组成高温型分离式热管系统，用压力表安装在连通管上测试压力，用远红外温度测试仪与热电偶温控仪测试温度，委托省安装公司制造安装，由福建农大3位实习生协助测试记录。实验显示，介质汽化温度110，翅片管散热器表面温度达到200-230，系统内介质温度230-270，而工作压力仅为0.1MPa，表现出它具有优异的高温低压热性能。实验结果是：传热快、烤房升温快、烟叶受热稳定且均匀，有效避免了烟叶烘烤过程中定色后期和干筋期升温难、温度波动大的老毛病，与对比组相比，中部叶上等烟比例提高6.9-10.9%，上部叶上等烟比例提高15.9%，燃料煤耗降低27.2%，烘烤时间缩短4.7小时。本实验表明：高温烘烤热管体系和以导热油为工质的锅炉供热系统比较，同样在高温传热时处于低压或无压状态，但它实行汽相液相交替循环，超导传热，因而沸点低，汽化潜热大，换热系数大，传热效率高，不用高位膨胀槽和保温设施，结构简单，投资省，运行维修费用少，大幅度节省燃料消耗，大幅度节省高温循环油泵电耗三、开展工业锅炉热管体系节能技术研究和工程应用以水为工质的蒸汽锅炉，主要用于工业生产热动力与建筑集中供暖,绝大多数为20蒸吨/小时以下的燃煤锅炉,额定工作温度193，工作压力1.3MPa,锅炉设计效率为72-80%，全国平均运行效率为60-65%，而由锅炉与用热设备组成的供热系统的热效率，则要低得多。尤其是那些采用疏水阀敞开排放或用开式回收凝结水的系统热效率就只有40-50%。工业锅炉供热系统也存在结垢、腐蚀、跑冒滴漏、传热效率低、能耗高、排放污水多、排放烟尘多等问题。工业锅炉热管体系,传热工质温度较高,通常有多种不同压力工艺指标,存在着压力、温度、流量多参数变工况运行,其凝结液回流又是液汽两相流(非满管流)状态.这样就需要研制中温型复合介质,充装适量,还要研制具有耐高温、不泄漏、能吸纳压送凝结液与蒸汽的机械虹吸调控装置与自动增压输入锅炉的装置,既可使凝结液从不同压力指标的用热设备内转移排出,又可使其在液汽两相流状态下强制返回锅炉, 突破了凝结液回流之技术障碍,使工业锅炉供热流程也适用为分离式热管体系,依照热管工况操作运行,使高效热管由杆式传热元件演变为大功率能量系统,由航天应用拓展为工业锅炉热动力工程, 解决工业、农业、生活中普通锅炉与用热设备组成的供热系统长期以来普遍存在的气阻、结垢、腐蚀、排污多、能耗高之世界性难题和余热余能浪费问题，实现科学循环、降耗增效、节能环保目的。本所于1998年就开始进行应用实验。首先在仙游象塘化工厂对1蒸吨0.8MPa的锅炉供热生产线进行热管体系应用设计,同时给予配制提供复合介质，现场指导安装调试，于1998年9月21日由本所与安装单位（浦城化工机械厂涵江分厂）及仙游象塘化工厂三方共同测试验收。验收结果如下：1、起动升温速度快，传热效率高，100以下即能传热；2、减少燃料消耗大约30%-50%；3、不用供水及水处理，停用供水泵1台，功率5.5KW；4、停用鼓风机1台，功率3KW，引风机进口机械调节排汽量减少50%；5、锅炉不会结垢，免停炉洗垢，也不会腐蚀，延长锅炉使用寿命；6、几乎不见烟囱冒烟，只有在加料时冒点白烟（改造前是黑烟滚滚）；7、去除大部分管阀件，无跑冒滴漏，减少锅炉运行维修费用。2006年，本所又研究设计了机械虹吸相变循环传热系统新工艺（专利申请号200610074269.0），采用虹吸循环装置安装在凝结液回流管路，从而使锅炉热管体系传热流程得以简化,而能适应于任何形式的供热系统，不管是无压的供暖/空调系统，还是承压的工业锅炉热动力系统，哪怕是有多种不同工艺指标共存的复杂系统，包括燃煤、燃汽（油）、电热锅炉之加热、蒸煮、烘干、大面积采暖、大棚加温等等都适用，特别是对于已安装投产的各种锅炉供热系统也可便于改造成热管体系或密闭凝水回收系统，实现汽液同步高温返流而获得极佳的节能环保效益。例如,本所为永安市鑫源工贸公司浆纱烘干生产线实施凝结水闭式回收工程，锅炉型号DZG1-0.7-W，额定蒸汽量1t/h，额定蒸汽压0.7Mpa,流入滚筒式烘干器(共6台)的工作压力为0.4Mpa，凝水从烘干器经疏水阀及时排出，并在接近饱和状态下返流锅炉(过冷度很小)，温度达到130-150，没有蒸汽外逸，没有剩余能源浪费。改造前从疏水阀敞开排放，连同蒸汽泄漏（国家标准泄漏率3%、运行中往往都超标泄漏），浪费极为严重。又如,中外合资福建省鑫福木业有限公司型号为DZG2-0.8-W工业锅炉供热系统改造成锅炉热管体系节能工程,也取得同样效果:2007年8月1日投入使用,运行稳定,效果良好。在8-9月份连续阴雨天气情况下本厂片材烘干作业及板材生产未受任何影响.据测算全年节约燃料价值可达232098元,节水约80%(11520吨),又可减少日常排放污水及定期洗垢排放酸液、碱液,减少排放烟尘、二氧化碳、硫化物、氮化物等。本所己初步编制了工业锅炉热管体系安全操作规程以予试行。对于用蒸汽加热与通水冷却交替作业的生产工艺，仍然以水为传热工质。只要在蒸汽管与冷却水管上分别安装电磁或气动控制阀,在凝结液排放管上安装虹吸压送调控装置,即可构成机械虹吸相变循环传热系统，实现高温饱和或接近饱和状态的凝结水连同泄漏蒸汽、汽化蒸汽同步返输锅炉再吸热循环利用。本所曾为一家印染厂设计染色烘干生产线节能工程，燃煤锅炉容量20t/h，额定蒸汽压力1.25MPa，运行工作压力1.0Mpa,有染色机 32 台，烘干器 21 台，滚筒烘干机33 台，全系统闭式回收凝结水，工程成本不足40万元，将凝结水与泄漏蒸汽同步高温回收返流锅炉循环利用，比敞开排放减少热值损失预计每年大于300万元。燃料煤热焓值5000大卡/kg，进厂价480元/吨，自来水1.8元/吨，据测算，凝结水温度达到110时，其价值为21元/吨；当温度达到130时，其价值为24元/吨；当温度达到150时，其价值为27元/吨。可见与敞开式排放相比,每蒸吨全年回收热价值超过15万元。随着燃料、水、电价格的攀升,节能价值相应地就更多.在泉州市己有几家同类型的印染烘干生产线实施半闭式回收部份凝结水工程,锅炉容量20至30吨/小时,工程总价140至160万元(号称台湾技术,回收温度100)。几年来，我们先后到数十家企业进行堪察、诊断，应用锅炉热管体系循环流程加以对比分析，并且做出改进设计与节能效益测算评价，其设计方案已被一些企业初步认同。例如，三阳竹木公司4蒸吨锅炉供热系统额定蒸汽压力1.25MPa,运行工作压力0.8-1.2MPa，供给用汽设备20多台，其中间壁用汽设备16台，用汽量2.5吨/小时，疏水阀前实测温度165，疏水阀后实测温度120，为开式回收.贮热水箱水温70，开式回收总热量为17.5万大卡/小时。逃逸热量达到17万大卡/小时，改造为热管体系全密闭流程后，不会有蒸汽与闪蒸汽逃逸，每年仅仅节约燃料费用就可达到18万元。改造费用仅4.8万元，投资回收期3-5个月。又如，三泰泡花板厂4蒸吨锅炉供热系统额定蒸汽压力1.25 MPa，运行工作压力0.8-1.2 MPa，供给烘筒与预热风机用汽，烘筒凝水经烘干器再散热后排放至贮热水池，进行开式回收，而预热风机用汽量约1t/h，为敞开式排放，实测温度：烘筒疏水阀前为166，烘干器排放前为116，预热风机疏水阀前142，贮热水池水温65，泵入锅炉水温60。由计算可知，其开式回收热量只有18万大卡/h，而逃逸热量达到35.9万大卡/h，另有排污流失热量每天约27万大卡。现设计为热管体系，即可避免蒸汽及闪蒸汽逃逸，而是使凝结液维持饱和状态或接近饱和状态返回锅炉，并且可减少排污流失热量。因此，全年节约燃煤费用可达41万元。总之，锅炉热管体系是本所自主研发创新的锅炉供热节能减排新工艺、新流程、新技术，技术水平属国际先进，已获国家发明专利，专利号ZL98124252.9。其特点在于：在锅炉外部配置凝结液及汽化蒸汽自动返流装置，自配无毒互溶性复合介质，并充装适量，按照分离式热管工艺条件进行安装调试，并按照热管工况进行操作运行，实现液相汽相交替循环超导传热，改变了传统的以水为工质或以导热油为工质的锅炉供热系统为相变循环流程，从而达到综合节能30%以上，并从根本上解决锅炉结垢、腐蚀与污染这一世界难题。以节能伴生环保，将循环经济与治理技术相结合，而且投资省，实施方便，时间短快，对于面广量大的中小型企业的普通锅炉供热系统以及数以千万计建筑采暖系统，容易给予推广应用，无疑地对于完成十一五规划确定的五年内单位GDP能源消耗降低20%任务有重要意义。主要技术性能与经济效益：1、传热性能与杆式重力热管完全相同：沸点低、起动升温快、温差小、热阻小、传导速度快、传送热量大、传热效率极高，即综合传热系数大，没有剩余能量浪费，能效极高；2、锅炉供热运行时无需加药，无需排污，无需停炉停产洗垢，没有结垢之患，锅炉排污总量减少100%，节水约100%（无泄漏情况下），因而节省了水费、水处理费及洗垢费；3、节省水泵、鼓风机、引风机电耗约40%,比导热油锅炉使用高温循环泵节省电耗90%以上；4、节省燃料15-40%；5、少向大气排放15-40%的烟尘、二氧化碳、氮化物、硫化物等；6、凝结液返回温度高，锅炉产汽温度稳定，系统内热力运行更稳定，利于增加锅炉出力，增加用热量，改善生产工艺，提高产量，稳定质量；7、可适当降低锅炉储备蒸汽压力，利于锅炉安全运行；8、便于调控，合理用热，可按生产需要随时随处调控局部用热量.还可实行自动控制，提高供热自动化水平;9、不腐蚀，保护并延长了锅炉与热网的寿命；10、耐低温，零下20可正常启动，冬季停炉停产时无需放液或烧炉保温。四、烟气余热回收装置应用研究工业锅炉供热系统普遍存在的另外两个问题是高温烟气直接排空，空气没有预热而鼓风吹入炉膛，显然，它们也都具有较大的节能潜力。本所发明有多效蒸发热管、多效冷凝热管及热管体系换热器，设计研制了烟气余热回收装置，除了采用热管传热元件装配成整体式空气预热器之外，还可以设计成分离式热管体系供热装置(余热余能利用工程).前者用于回收烟气余热，降低排烟温度，减少排烟热损失，同时，预热鼓风空气，提高燃烧效率。其优点是：结构紧凑，体积小，可利用现有烟道进行改造安装，利用在用鼓风机或引风机吹送空气，就近预热使用，流程短，投资省，见效快。烟气空气均走管外，无需多程往返，流动阻力小，运行平稳，不易积灰结垢阻塞，清灰方便，元件的拆卸更新方便，维修费用很少。后者是将烟气余热换热后用小管道引入用热场所供热，例如，引入烘干房制热风，用于物料烘干。其优点有：1、做为吸热部件的蒸发器，可用烟管组合，用热设备冷凝器可以利用在用间壁式换热器，这样余热利用的工程投资省。2、进行整体制造、清洗、试压试漏和安装调试都更可靠，且设置排汽阀，便于排除隋气；设置安全阀，利于超压保护；设置温控仪，便于监视运行温度并加予调控，确保热管体系可长期高效安全运行。3、可调整冷热介质换热面积比来调节操作压力、调节设备表面温度而避免烟气露点腐蚀。4、传热能力大，适用温度范围广泛，可拓展应用到各种大型锅炉、燃烧炉、加热炉、冶炼炉、煤气发生炉之温度高、气量大、功率大的余热回收利用。本所已为多家工厂设计了实施方案。1-4蒸吨小型锅炉配置热管式空预器,投资数万元，综合能耗下降8%，投资回收期约6个月。由于节能而减少燃料消耗，且热风助燃而趋向完全燃烧;由于烟道蒸发器吸热好，烟气急速降温而减少排烟动力，只要鼓风/引风调节得当，即可有效控制排烟黑度，减少烟尘排放。五、热管热风炉设计研制作为热管技术在工程上的应用，本所又设计研制了热管热风炉，有正烧式气流上升与气流下降、反烧式气流上升与气流下降多种结构,它是对传统热风炉的改进创新.燃料可用散煤、型煤(最好配制成高能散煤、高能型煤)，也可烧薪柴、垃圾等，其特点有：1、纯净热风，不含烟尘等有害物质，长期高效安全运行。2、热风温度高,温度可调节。3、功率可按用户需要设计制造。4、燃料燃烧率高，换热效率高,排烟温度低.比普通燃煤热风炉节省燃料15-30%（综合热效率较高）;比燃油（汽）热风炉、电热风炉投资省、无需燃料保温措施，供热费用仅为燃油（汽）费用的1/4，仅为电热费用的1/5;比锅炉供热设施投资少,无需供水、水处理及排污除垢费用，无需持证锅炉工，减少运行维修费用。5、可以配套自控装置，适应于用热工艺而进行