復合相變換熱器技術與裝置
                                                    王炎
                                中興科揚節能環保股份有限公司
　　1·技術簡介   煤、石油、天然氣等均為含硫燃料,燃燒時都會產生二氧化硫、三氧化硫,其中三氧化硫與水蒸氣結合形成硫酸蒸汽。鍋爐尾部設備中的金屬壁面溫度若低于硫酸蒸汽的凝結點(酸露點),就會在其表面形成液態硫酸(酸露)。長期以來,空氣預熱器作為鍋爐尾部受熱裝置因壁溫過低而引起的酸露腐蝕、灰堵現象經常發生,并一直得不到有效解決,因而,以往的各種鍋爐設計通常以犧牲鍋爐熱效率為代價,通過提高排煙溫度來緩解(而不是根除)酸露腐蝕現象,而單純提高排煙溫度勢必造成大量的低溫熱源浪費。盡管如此,空氣預熱器往往運行一至兩年后依然出現腐蝕,直至穿孔,這是困擾鍋爐界的一個世界性難題。
　　“復合相變換熱器技術與裝置”是一種廣泛適用于各種燃煤、燃油、燃氣鍋爐、工業窯爐以及冶金、石化等各種換熱設備的新型高效節能專利產品。它來源于上海交通大學楊本洛教授的原創性設計理念及其9項發明專利技術,是“熱力學、傳熱學與鍋爐原理、自動控制以及現代計算技術”的綜合創新和高效集成,它較好地解決了鍋爐排煙溫度難以降低的世界性難題,是中低溫熱源利用上的一次世界性突破。其核心內涵在于:
　　1)大幅度降低各種鍋爐熱流體(煙氣)的排煙溫度。在世界范圍內,首次提出并實現了將“排煙溫度與壁面溫度之差”從“倍數”關系轉變為“加減”關系,使排煙溫度出現“量級”意義上的變化:一般工業鍋爐可降低30～90℃,個別可降100℃以上,電站鍋爐可降低20～50℃;從而使大量中低溫熱能被有效回收利用(提高鍋爐熱效率1.5%～6%,個別可達7%以上),并相應大量減少燃燒尾氣(SO2、CO2)排放,具有節能、減排雙重功效,經濟效益、社會效益十分可觀。
　　2)在世界上,首次提出并實現了鍋爐尾部換熱器金屬受熱面最低壁面溫度始終處于“可控可調”狀態,并適應各種燃煤、燃油、燃氣鍋爐及傳熱負荷的變化。
　　3)大幅度降低鍋爐檢修停機損失和換熱器維護成本。在降低排煙溫度的同時,使鍋爐換熱器金屬受熱面壁溫保持較高溫度水平,遠離酸露點的腐蝕區域,從根本上避免了酸露腐蝕和堵灰現象的出現。
　　4)大大延長了鍋爐尾部換熱器的使用壽命。在保留了熱管換熱器高效傳熱的同時,克服了一般熱管換熱器使用一段時間后容易產生不凝氣體,從而逐漸老化以至失效的致命弱點。
　　復合相變換熱器作為原創性節能發明專利技術,2000年12月通過了由兩院院士參加的國家級鑒定,鑒定意見指出“:該項技術是相關設計理念的一次創新,為國內外首創,處于國際領先水平”,建議“將此技術進一步在鍋爐、工業爐窯以及石油化工等行業的換熱設備上推廣應用,尤其在大型電站鍋爐的應用上提高自動化水平。”
　　2007年3月“,復合相變換熱器在鍋爐上的應用專家研討會”會議紀要指出“:復合相變換熱器原理與實用技術方案可行,并在實際應用中得到了驗證,使用該產品將對工業鍋爐的節能改造起到良好的推動作用”。
　　　
　　2·設計原理
　　由于是“設計理念”的創新,所以可根據不同應用背景,設計和組合出復合相變換熱器的許多變化形式(如圖1所示)。復合相變換熱器(FXH)的基本工作原理是:
　　蒸發段:煙道內的FXH吸收煙氣熱量,使得FXH管內熱工質處于相變狀態。
　　冷凝Ⅰ段:管內蒸汽(相變態熱工質)沿上升管進入冷凝Ⅰ段,在冷凝Ⅰ段中管內蒸汽對管外冷空氣加熱。
    冷凝Ⅱ段:管內蒸汽經冷凝Ⅰ段后繼續上升至冷凝Ⅱ段,在該段中蒸汽被冷凝成液體,并沿下降管回到FXH下段。通過流量調節,從而實現了壁面溫度可控可調的目的。
                                                                                       
　　3·與熱管技術的不同
    熱管是一種高導熱性能的傳熱部件,它通過管內介質在高度真空下從加熱段吸收熱量,通過沸騰蒸發形成蒸汽,向冷凝段流動,把熱量輸送到冷卻段,從而實現熱量轉移,具有很高的導熱性,良好的等溫性,冷熱兩側的傳熱面積可任意改變。可遠距離傳熱,可控制溫度等優點。
　　由于傳熱是通過管內部介質相變進行的,管內的工質因為反應會產生不凝性氣體,不凝性氣體的存在大大影響了其工作效率。因此,熱管存在一定使用年限。分析不凝性氣體產生的原因有以下幾點:
　　1)熱管工質內部的微溶性氣體經長時間工作的析出,造成熱管性能下降。
　　2)熱管內表面和工質內雜質存在,在熱作用下發生化學反應造成不凝氣體產生。
　　3)熱管管殼有微漏,那些不凝氣體,如氫,氦等微溶或不溶性氣體分子的向內滲透。
　　4)工質與管殼的不相溶,造成不凝氣體產生。
　　現有的熱管換熱器大都是由很多根熱管拼裝而成,由于熱管生產過程中的制造差異,每根熱管不凝性氣體的產生比率也不一樣,只要其中部分熱管的不凝氣達到許可極限,整個熱管換熱器換熱效率就會下降,下降到一定程度時,傳熱效率急劇下降,這臺熱管換熱器就報廢了。而熱管的替換和更新費用巨大。
　　因為熱管是利用高度真空下管內低溫介質的相變過程進行熱量傳遞的,因此,一根熱管一旦成型,其傳熱性能也將確定,其璧面溫度即固定為管內介質在該真空度下的飽和溫度,不能調整。因此,用其組裝的熱管換熱器也是不能根據用戶的工況變化而對其璧溫進行調節的。當用戶工況變化時其尾部受熱面的最低壁面溫度仍有可能會低于酸露點溫度,不能避免酸露導致的腐蝕。
　　上世紀九十年代初,熱管換熱器曾在空預器改造中一度被推廣,但后來由于熱管普遍存在產生和積累不凝氣體,逐漸老化和璧溫不可調節等不足,廠家卻對應用熱管換熱器采取了謹慎的態度。復合相變換熱器技術中“相變段”的概念是將原來熱管換熱器中一根根相互獨立的熱管,構造成整體熱管。保證“相變段”受熱面最低壁面溫度只有微小的梯度溫降。同時,利用相變傳熱的原理將被加熱介質(如空氣、水)的溫度適當地提高。被預熱了的空氣可以保證下級空預器的安全,解決了低溫腐蝕問題;被加熱的水回收了煙氣中的余熱,實現了節能的目的。它通過“相變段”溫度的調節,可以對受熱面最低壁面溫度實現閉環控制,從而實現了壁面溫度的可控可調(恒定或調高調低)。換熱器金屬受熱面最低壁面溫度處于可控可調狀態,使復合相變換熱器能夠在相當大幅度內,適應鍋爐的各種煤種以及傳熱負荷的變化,使排煙溫度和壁溫保持相對穩定;保持金屬受熱面壁面溫度處于較高的溫度水平,遠離酸露點的腐蝕區域,從根本上避免了酸露腐蝕和堵灰現象的出現,復合相變換熱器的最低壁溫不僅是設計時可以任意選取,且在鍋爐運行時可通過自動控制設備容易地保持在一個不變的數值。例如在70%負荷時,如果希望最低壁溫保持不變,則可以通過自動控制,排煙溫度會自動升高,從而使最低壁溫仍保持在原設計的煙氣酸露點溫度以上的水平,這一點對鍋爐來說是極其安全的,與傳統節能方法相比是基本設計理念的變化,該技術在世界上首次提出和實現換熱器的局部在“整體意義上壁溫可控可調”的概念,將制約有效利用余熱的“壁面溫度與排煙溫度的差”從以往的“倍數”關系變為“加減”關系(見圖2),從而能夠在有效避免“低溫腐蝕和灰堵”的同時,使“節能幅度”出現了“量級”意義的變化。
  

                                                                                        
　　熱管空氣預熱器和復合相變換熱器空預器的最低壁溫與排煙溫度間的關系由表1所示:復合相變換熱器壁溫達105℃時,排煙溫度僅120℃,若熱管換熱器壁溫也要達到105℃時,排煙溫度必須達到190℃。這里排煙溫度之差為70℃,這就是熱管空氣預熱器與復合相變換熱器空氣預熱器的節能幅度差值。設高硫渣油燃燒的蒸汽鍋爐要求空預器最低壁溫為145℃,采用復合相變換熱器要求排煙溫度為160℃,若用熱管換熱器則得排煙溫度為270℃。這里排煙溫度之差為110℃。可見在煙氣酸露點溫度愈高時,復合相變換熱器愈能顯示出它在節能領域中的獨特優勢。
　　FXH在世界范圍內首次提出并做到:將鍋爐低溫換熱器的最低壁面溫度作為“第一”設計參數;
　　將換熱器最低壁面溫度與排煙溫度從“倍數”關系轉化為“加減”關系;
　　將換熱器的最低壁面溫度處于“整體均勻、可調可控”狀態。
    將換熱器的最低壁面溫度獨立(無關聯)于被加熱流體的進口溫度。

　　4·適用范圍
　　適用于燃煤、燃油、燃氣發電鍋爐及工業鍋爐,可大幅降低鍋爐排煙溫度,提高鍋爐熱效率,亦可廣泛應用于石油、化工、電力、冶金等各種行業的空氣預熱器、煤氣預熱器、余熱鍋爐、熱風爐、工業窯爐等設備。
　　5·典型案例
　　1)新昌華佳熱電有限公司
　　項目背景:65t/h鏈條爐,排煙溫度180℃以上。
　　原有問題:尾部受熱面換熱能力較低,設計排煙溫度較高(160℃)。實際運行中負荷較大,一般運行在75t/h左右,加上運行中受熱面難免受污染,實際運行排煙溫度高達182℃。
　　改造方案:在省煤器下級空間增加一級復合氣水段把給水從150℃提高到172℃,使煙氣溫度從原來的258℃下降到210℃,再在原空氣預熱器后增加一級復合氣氣段,將煙氣溫度下降到120℃的同時,把助燃空氣加熱到50℃,使進入空氣預熱器后出口助燃空氣溫度達到164℃。
　　節能效果:2005年4月,應用“復合相變換熱器”對該鍋爐進行改造,經測試,改造后的排煙溫度為122.5℃,換熱器最低壁面溫度為102℃,回收的熱量一部分加熱鍋爐給水,另一部分加熱鍋爐送風,提高鍋爐熱效率約4%,噸煤產汽率增加0.3噸,鍋爐出力增加至80t/h。通過計算,年節標煤量3900噸;年節能經濟效益折合人民幣331.5萬元(850元/噸)。
　　自第一臺改造成功后,又連續改造了其余2臺,該廠3臺65t/h鍋爐年節約標煤1萬多噸,節能效益800多萬元,被列為07年度浙江十大節能示范工程之一,并先后獲得國家、省級、市級多項獎勵。
　　2)揚州威亨熱電有限公司:
　　項目背景:80t/h循環流化床鍋爐1臺,原排煙溫度171℃。
　　原有問題:運行記錄顯示,當入口風溫為20℃時,經過空預器的出口風溫僅為71℃,此溫度對于一般鏈條爐而言太低,更何況循環流化床鍋爐。如果簡單增加空氣預熱器受熱面,盡管熱風溫度會馬上得到改善,但由于隨著排煙溫度的降低空預器的壁面溫度也會隨之大幅度降低。當排煙溫度低于原設計值(151℃)時,會在空預器表面出現結露現象,如果不妥當處理會嚴重影響到空預器的安全正常運行。
　　改造方案:在增加空預器受熱面降低排煙溫度的同時,在冷空氣入口端增加一組相變換熱器用以提高進入空預器的冷風溫度,空預器的最低壁面溫度始終高于煙氣的酸露點溫度,在鍋爐負荷或燃煤種類發生變化時確保復合相變換熱器始終工作在安全范圍,使其壁溫處于可調可控狀態,省煤器進口母管處設置旁通管,通過自控閥自動調節旁通給水的流量,從而達到調節控制復合相變換熱器壁溫的目的。
　　節能效果:應用“復合相變換熱器”內循環方案對鍋爐進行改造,改造后排煙溫度120℃,換熱器最低壁溫為105℃。回收的熱量一部分用于加熱鍋爐給水;一部分用于加熱鍋爐送風,提高鍋爐熱效率2.5%。
　　經揚州市節能技術服務中心現場檢測:節能量為10.058t標煤/天,推算年節標煤量約3352噸/年·臺;年節能經濟效益:285萬元/臺(850元/噸)
　　6·推廣意義
　　
　　我國工業鍋爐平均運行效率比國際先進水平低10～15個百分點,燃煤鍋爐改造被國家列為十大重點節能工程之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉換裝置工藝技術落后,排煙溫度高,熱能損耗大。我國現有50多萬臺工業鍋爐,即使只有1萬臺較大噸位鍋爐采用復合相變換熱器改造換熱裝置,按照排煙溫度平均降低30～40℃保守測算,每年總計可節能2000萬噸標準煤,價值上百億元,并可相應減少SO2排放160萬噸、CO2排放1600萬噸。由此可見,該產品的推廣應用,對于落實節能減排的基本國策具有十分重要的現實意義。