复合相变换热器技术与装置

                                  复合相变换热器技术与装置
                                                    王炎
                                中兴科扬节能环保股份有限公司
　　1·技术简介   煤、石油、天然气等均为含硫燃料,燃烧时都会产生二氧化硫、三氧化硫,其中三氧化硫与水蒸气结合形成硫酸蒸汽。锅炉尾部设备中的金属壁面温度若低于硫酸蒸汽的凝结点(酸露点),就会在其表面形成液态硫酸(酸露)。长期以来,空气预热器作为锅炉尾部受热装置因壁温过低而引起的酸露腐蚀、灰堵现象经常发生,并一直得不到有效解决,因而,以往的各种锅炉设计通常以牺牲锅炉热效率为代价,通过提高排烟温度来缓解(而不是根除)酸露腐蚀现象,而单纯提高排烟温度势必造成大量的低温热源浪费。尽管如此,空气预热器往往运行一至两年后依然出现腐蚀,直至穿孔,这是困扰锅炉界的一个世界性难题。
　　“复合相变换热器技术与装置”是一种广泛适用于各种燃煤、燃油、燃气锅炉、工业窑炉以及冶金、石化等各种换热设备的新型高效节能专利产品。它来源于上海交通大学杨本洛教授的原创性设计理念及其9项发明专利技术,是“热力学、传热学与锅炉原理、自动控制以及现代计算技术”的综合创新和高效集成,它较好地解决了锅炉排烟温度难以降低的世界性难题,是中低温热源利用上的一次世界性突破。其核心内涵在于:
　　1)大幅度降低各种锅炉热流体(烟气)的排烟温度。在世界范围内,首次提出并实现了将“排烟温度与壁面温度之差”从“倍数”关系转变为“加减”关系,使排烟温度出现“量级”意义上的变化:一般工业锅炉可降低30～90℃,个别可降100℃以上,电站锅炉可降低20～50℃;从而使大量中低温热能被有效回收利用(提高锅炉热效率1.5%～6%,个别可达7%以上),并相应大量减少燃烧尾气(SO2、CO2)排放,具有节能、减排双重功效,经济效益、社会效益十分可观。
　　2)在世界上,首次提出并实现了锅炉尾部换热器金属受热面最低壁面温度始终处于“可控可调”状态,并适应各种燃煤、燃油、燃气锅炉及传热负荷的变化。
　　3)大幅度降低锅炉检修停机损失和换热器维护成本。在降低排烟温度的同时,使锅炉换热器金属受热面壁温保持较高温度水平,远离酸露点的腐蚀区域,从根本上避免了酸露腐蚀和堵灰现象的出现。
　　4)大大延长了锅炉尾部换热器的使用寿命。在保留了热管换热器高效传热的同时,克服了一般热管换热器使用一段时间后容易产生不凝气体,从而逐渐老化以至失效的致命弱点。
　　复合相变换热器作为原创性节能发明专利技术,2000年12月通过了由两院院士参加的国家级鉴定,鉴定意见指出“:该项技术是相关设计理念的一次创新,为国内外首创,处于国际领先水平”,建议“将此技术进一步在锅炉、工业炉窑以及石油化工等行业的换热设备上推广应用,尤其在大型电站锅炉的应用上提高自动化水平。”
　　2007年3月“,复合相变换热器在锅炉上的应用专家研讨会”会议纪要指出“:复合相变换热器原理与实用技术方案可行,并在实际应用中得到了验证,使用该产品将对工业锅炉的节能改造起到良好的推动作用”。
　　　
　　2·设计原理
　　由于是“设计理念”的创新,所以可根据不同应用背景,设计和组合出复合相变换热器的许多变化形式(如图1所示)。复合相变换热器(FXH)的基本工作原理是:
　　蒸发段:烟道内的FXH吸收烟气热量,使得FXH管内热工质处于相变状态。
　　冷凝Ⅰ段:管内蒸汽(相变态热工质)沿上升管进入冷凝Ⅰ段,在冷凝Ⅰ段中管内蒸汽对管外冷空气加热。
    冷凝Ⅱ段:管内蒸汽经冷凝Ⅰ段后继续上升至冷凝Ⅱ段,在该段中蒸汽被冷凝成液体,并沿下降管回到FXH下段。通过流量调节,从而实现了壁面温度可控可调的目的。
                                                                                       
　　3·与热管技术的不同
    热管是一种高导热性能的传热部件,它通过管内介质在高度真空下从加热段吸收热量,通过沸腾蒸发形成蒸汽,向冷凝段流动,把热量输送到冷却段,从而实现热量转移,具有很高的导热性,良好的等温性,冷热两侧的传热面积可任意改变。可远距离传热,可控制温度等优点。
　　由于传热是通过管内部介质相变进行的,管内的工质因为反应会产生不凝性气体,不凝性气体的存在大大影响了其工作效率。因此,热管存在一定使用年限。分析不凝性气体产生的原因有以下几点:
　　1)热管工质内部的微溶性气体经长时间工作的析出,造成热管性能下降。
　　2)热管内表面和工质内杂质存在,在热作用下发生化学反应造成不凝气体产生。
　　3)热管管壳有微漏,那些不凝气体,如氢,氦等微溶或不溶性气体分子的向内渗透。
　　4)工质与管壳的不相溶,造成不凝气体产生。
　　现有的热管换热器大都是由很多根热管拼装而成,由于热管生产过程中的制造差异,每根热管不凝性气体的产生比率也不一样,只要其中部分热管的不凝气达到许可极限,整个热管换热器换热效率就会下降,下降到一定程度时,传热效率急剧下降,这台热管换热器就报废了。而热管的替换和更新费用巨大。
　　因为热管是利用高度真空下管内低温介质的相变过程进行热量传递的,因此,一根热管一旦成型,其传热性能也将确定,其璧面温度即固定为管内介质在该真空度下的饱和温度,不能调整。因此,用其组装的热管换热器也是不能根据用户的工况变化而对其璧温进行调节的。当用户工况变化时其尾部受热面的最低壁面温度仍有可能会低于酸露点温度,不能避免酸露导致的腐蚀。
　　上世纪九十年代初,热管换热器曾在空预器改造中一度被推广,但后来由于热管普遍存在产生和积累不凝气体,逐渐老化和璧温不可调节等不足,厂家却对应用热管换热器采取了谨慎的态度。复合相变换热器技术中“相变段”的概念是将原来热管换热器中一根根相互独立的热管,构造成整体热管。保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。同时,利用相变传热的原理将被加热介质(如空气、水)的温度适当地提高。被预热了的空气可以保证下级空预器的安全,解决了低温腐蚀问题;被加热的水回收了烟气中的余热,实现了节能的目的。它通过“相变段”温度的调节,可以对受热面最低壁面温度实现闭环控制,从而实现了壁面温度的可控可调(恒定或调高调低)。换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态,使复合相变换热器能够在相当大幅度内,适应锅炉的各种煤种以及传热负荷的变化,使排烟温度和壁温保持相对稳定;保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平,远离酸露点的腐蚀区域,从根本上避免了酸露腐蚀和堵灰现象的出现,复合相变换热器的最低壁温不仅是设计时可以任意选取,且在锅炉运行时可通过自动控制设备容易地保持在一个不变的数值。例如在70%负荷时,如果希望最低壁温保持不变,则可以通过自动控制,排烟温度会自动升高,从而使最低壁温仍保持在原设计的烟气酸露点温度以上的水平,这一点对锅炉来说是极其安全的,与传统节能方法相比是基本设计理念的变化,该技术在世界上首次提出和实现换热器的局部在“整体意义上壁温可控可调”的概念,将制约有效利用余热的“壁面温度与排烟温度的差”从以往的“倍数”关系变为“加减”关系(见图2),从而能够在有效避免“低温腐蚀和灰堵”的同时,使“节能幅度”出现了“量级”意义的变化。
  

                                                                                        
　　热管空气预热器和复合相变换热器空预器的最低壁温与排烟温度间的关系由表1所示:复合相变换热器壁温达105℃时,排烟温度仅120℃,若热管换热器壁温也要达到105℃时,排烟温度必须达到190℃。这里排烟温度之差为70℃,这就是热管空气预热器与复合相变换热器空气预热器的节能幅度差值。设高硫渣油燃烧的蒸汽锅炉要求空预器最低壁温为145℃,采用复合相变换热器要求排烟温度为160℃,若用热管换热器则得排烟温度为270℃。这里排烟温度之差为110℃。可见在烟气酸露点温度愈高时,复合相变换热器愈能显示出它在节能领域中的独特优势。
　　FXH在世界范围内首次提出并做到:将锅炉低温换热器的最低壁面温度作为“第一”设计参数;
　　将换热器最低壁面温度与排烟温度从“倍数”关系转化为“加减”关系;
　　将换热器的最低壁面温度处于“整体均匀、可调可控”状态。
    将换热器的最低壁面温度独立(无关联)于被加热流体的进口温度。

　　4·适用范围
　　适用于燃煤、燃油、燃气发电锅炉及工业锅炉,可大幅降低锅炉排烟温度,提高锅炉热效率,亦可广泛应用于石油、化工、电力、冶金等各种行业的空气预热器、煤气预热器、余热锅炉、热风炉、工业窑炉等设备。
　　5·典型案例
　　1)新昌华佳热电有限公司
　　项目背景:65t/h链条炉,排烟温度180℃以上。
　　原有问题:尾部受热面换热能力较低,设计排烟温度较高(160℃)。实际运行中负荷较大,一般运行在75t/h左右,加上运行中受热面难免受污染,实际运行排烟温度高达182℃。
　　改造方案:在省煤器下级空间增加一级复合气水段把给水从150℃提高到172℃,使烟气温度从原来的258℃下降到210℃,再在原空气预热器后增加一级复合气气段,将烟气温度下降到120℃的同时,把助燃空气加热到50℃,使进入空气预热器后出口助燃空气温度达到164℃。
　　节能效果:2005年4月,应用“复合相变换热器”对该锅炉进行改造,经测试,改造后的排烟温度为122.5℃,换热器最低壁面温度为102℃,回收的热量一部分加热锅炉给水,另一部分加热锅炉送风,提高锅炉热效率约4%,吨煤产汽率增加0.3吨,锅炉出力增加至80t/h。通过计算,年节标煤量3900吨;年节能经济效益折合人民币331.5万元(850元/吨)。
　　自第一台改造成功后,又连续改造了其余2台,该厂3台65t/h锅炉年节约标煤1万多吨,节能效益800多万元,被列为07年度浙江十大节能示范工程之一,并先后获得国家、省级、市级多项奖励。
　　2)扬州威亨热电有限公司:
　　项目背景:80t/h循环流化床锅炉1台,原排烟温度171℃。
　　原有问题:运行记录显示,当入口风温为20℃时,经过空预器的出口风温仅为71℃,此温度对于一般链条炉而言太低,更何况循环流化床锅炉。如果简单增加空气预热器受热面,尽管热风温度会马上得到改善,但由于随着排烟温度的降低空预器的壁面温度也会随之大幅度降低。当排烟温度低于原设计值(151℃)时,会在空预器表面出现结露现象,如果不妥当处理会严重影响到空预器的安全正常运行。
　　改造方案:在增加空预器受热面降低排烟温度的同时,在冷空气入口端增加一组相变换热器用以提高进入空预器的冷风温度,空预器的最低壁面温度始终高于烟气的酸露点温度,在锅炉负荷或燃煤种类发生变化时确保复合相变换热器始终工作在安全范围,使其壁温处于可调可控状态,省煤器进口母管处设置旁通管,通过自控阀自动调节旁通给水的流量,从而达到调节控制复合相变换热器壁温的目的。
　　节能效果:应用“复合相变换热器”内循环方案对锅炉进行改造,改造后排烟温度120℃,换热器最低壁温为105℃。回收的热量一部分用于加热锅炉给水;一部分用于加热锅炉送风,提高锅炉热效率2.5%。
　　经扬州市节能技术服务中心现场检测:节能量为10.058t标煤/天,推算年节标煤量约3352吨/年·台;年节能经济效益:285万元/台(850元/吨)
　　6·推广意义
　　
　　我国工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低10～15个百分点,燃煤锅炉改造被国家列为十大重点节能工程之一。锅炉效率低的主要原因之一是热能转换装置工艺技术落后,排烟温度高,热能损耗大。我国现有50多万台工业锅炉,即使只有1万台较大吨位锅炉采用复合相变换热器改造换热装置,按照排烟温度平均降低30～40℃保守测算,每年总计可节能2000万吨标准煤,价值上百亿元,并可相应减少SO2排放160万吨、CO2排放1600万吨。由此可见,该产品的推广应用,对于落实节能减排的基本国策具有十分重要的现实意义。