余熱回收熱能轉換裝置

一、熱管裝置

1、熱管原理與結構

熱管是一種高效傳熱原件。單支熱管由無縫鋼管、金屬管芯和工質三個要素構成。鋼管是密封的并抽成真空，內裝有毛細管作用的金屬管芯。當熱管的受熱端受熱時，工質吸收熱量、蒸發變為蒸汽，并向放熱端移動，與冷的管壁接觸而放熱，同時冷凝成液體。由于管芯的毛細管作用或重力作用，液態工質又返回到熱管的受熱端。因為是利用工質的蒸發和凝結汽化潛熱來傳遞熱量，所以熱管的熱阻非常小，只要兩端有一點溫度差，就能迅速傳遞大量熱能。這是20世紀60年代探索新的傳熱設備，強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：高溫熱管，工作溫度350℃以上；中溫熱管，工作溫度在50～350℃；低溫熱管，工作溫度低于50℃。

目前國內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，屬于重力型熱管。遼寧省已制定了DB/T696—93《余熱回收用碳鋼-水熱管技術要求》地方標準。如回收利用高溫余熱，應改換材質并選用耐高溫工質。為增強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.熱管回收裝置與應用

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

4.熱管回收裝置特點及應用優勢

①余熱回收率高。由于熱管有很高的導熱能力，比金屬導體要強很多，熱導率比良好的金屬導體要高1000～10000倍，因而能進行高效傳熱，有的文獻稱超導傳熱，所以余熱回收率高，尤其對中低溫余熱更為優越，應列為首選換代產品。

②構造簡單、結構緊湊、安裝方便、內部阻力小、用途廣泛。

③使用壽命長，無需運行費用。本身無運轉或驅動部件，免于維修，單根熱管損壞，不會造成漏氣問題，對整體設備無影響，經久耐用?？烧{整冷熱端面積控制管壁溫度，避免露點腐蝕。如遇有帶煙塵的余熱，可單設門，定期進行清掃，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，能獲得清潔熱風或其他熱載體。

⑤蒸發端與冷凝端可以分開，制成分離式熱管余熱回收裝置，利于設計與合理布置，在冶金系統得到較好的應用。

⑥熱管兩端溫差很小，利用這一特性，在某些等溫實驗研究、培養細菌、溫度標定等方面有特殊用途。國外曾有報道，利用小型特殊熱管束回收飛機燃氣輪機的排氣高溫余熱，加熱燃氣輪機的助燃空氣，以提高燃機的效率。其余熱回收率可達到50％～70％，取得良好節能效果。

二、熱泵裝置

1.熱泵工作原理與構成

熱泵的構成主要包括四大部分，即蒸發器、壓縮機、冷凝器與膨脹閥，詳見下圖。熱泵既是余熱回收供熱設備，又是空調制冷設備，其基本原理是相同的。熱泵循環裝置中的蒸發器，就是低溫側的換熱器。余熱源從低溫側被吸入，傳給低沸點的載熱工質，在換熱器內吸熱蒸發，使工質變為氣態載體。然后進入壓縮機內被壓縮，變成高溫高壓的氣體。當把此氣體輸送到冷凝器內時，向器外的介質釋放出熱量，又被冷凝液化。為了使液化后的工質復原成低溫低壓狀態，讓其通過膨脹閥進行絕熱膨脹，再輸送到蒸發器內，完成一次逆卡諾循環，實現了低溫余熱回收，達到了節能減排目標要求。

熱泵的工作原理大制與制冷機相同，只是它們的應用目的和工作溫度范圍不一樣。熱泵的基本功能是靠機械做功，把熱量從低溫熱源提升到高溫狀態，給用戶供熱。而制冷機是利用低溫側換熱器的蒸發吸熱原理，把高溫側的冷凝器當作放熱器，將釋放出的熱量排到周圍環境或冷卻水中?？梢姛岜醚h的下界限是低溫余熱資源，上界限是需要供熱的熱用戶；而在制冷循環中，上界限是周圍環境介質，下界限是需要冷負荷的場所，二者正好相反。其實質是設備的卡諾循環方向問題。在中央空調領域，在夏季是供冷的制冷設備，在冬季又能將低品位熱源提高溫度，變為供熱設備。熱泵在工業供熱領域往往被人們忽視。

2.熱泵的分類與應用范圍

熱泵在空調、供熱采暖方面受到廣泛重視，發展速度很快。因其在夏天能夠制冷空調，而冬天又能將低品位熱源提高溫度變為高品位熱源，用于供熱采暖。由于熱泵在節能、環保方面具有明顯優勢，現已成為中央空調的重要冷熱源設備。

（1）空氣源熱泵　也稱風冷熱泵，系早期開發研制的產品，利用空氣作為冷熱源的空調、供暖設備。我國南方地區，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廢水、城市污水、中水等。尤其是工礦企業的各種冷卻水，不但水量充足，而且溫度適當，開發應用潛力很大。

（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。在環保和運行能耗方面具有一定優勢，有開發與發展潛力。

（4）水環熱泵　它用循環水環路作為加熱源與排熱源。當熱泵在制冷運行時，向環路中的水放熱時，可設冷卻塔，可將熱量排向大氣；當熱泵在制熱運行時，如環路中水溫低于一定值時，可設加熱裝置，對其進行加熱。因其各種水源廣泛存在，發展潛力很大。

3.工業熱泵的開發應用

目前國內熱泵多應用于制冷、空調及供暖、空調和生活熱水三聯供方面，而且取得良好節能效果。但在工業領域開發應用得較少，遠沒有引起業界人士、開發研究單位和能源界的高度重視。其實熱泵在工業低溫余熱回收利用方面有廣泛的應用前景，且節能減排效果顯著，環保效益、社會效益也很好，亟待開發應用。

工業熱泵結構原理與空調、制冷熱泵完全一樣，只在布置與連接方面有所不同。工業熱泵主要有三種基本類型，即閉式循環系統、開式循環系統和吸收式循環系統等。

4.對熱泵的經濟性判斷

對于熱泵系統，在以下條件下運行時，一般認為是經濟的：

①有穩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有耗用低溫熱源的需求，且每年滿負荷運行時間大于2000h；

③經測定致熱系數COP值大于3；

④在夏季作供冷運行，冬季作供暖運行，不需另外增加能源；

⑤建筑物內部有較大的余熱量，有可能在環境溫度低于0℃時使用內部熱源，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，熱泵的經濟性較差：致熱系數COP值小于3；僅僅用于供暖或空調制冷單方面運行；熱泵設置容量遠大于供熱負荷，處于低負荷運行等。

三、預熱器裝置

1.預熱器的優勢及其應用效果

預熱器主要用于中溫余熱資源回收工程，是一種應用廣泛、技術非常成熟的熱交換裝置。它的最大優勢是結構簡單、造價低廉、制造周期短、運行方便、占地面積小、余熱回收率較高等。幾乎所有行業，凡是有中溫余熱資源的場所，需要回收利用余熱資源時，均可設置預熱器。工業鍋爐最典型的預熱器是省煤器和空氣預熱器。設置預熱器的作用，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，如用熱風助燃，便可提高燃燒溫度。這一點對于低熱值燃料更為重要，在第二章、第三章中已進行了詳細介紹?；鹧鏈囟忍岣吡?，便可提高傳熱效率，縮短加熱時間，達到節能、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，用熱風助燃，可起到強化燃燒作用，加快燃燒速度，達到完全燃燒，減少灰渣含碳量，提高燃燒效率。

（3）收到節能減排功效　由于預熱器可回收利用余熱資源，把將要流失的“廢熱”回收后，變為有用熱量，因而可起到節能減排作用，降低了燃料消耗，減少CO2與SO2的排放，有利于環境保護。

（4）可提高企業的經濟效益　把將要排放到環境中的余熱資源回收，用以轉換成溫度較高的熱水或熱空氣，用于生產供熱或采暖、空調，因而可降低成本，提高企業的經濟效益。

2.預熱器熱交換原理與分類

（1）表面式預熱器　表面式預熱器的主要特點是冷熱兩種流體被導熱的器壁隔開，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）混合式預熱器　該種預熱器是依據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的變換與混合。它具有熱交換速度快、傳熱效率高、設備簡單、投資省等優點。

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

四、余熱鍋爐裝置

余熱鍋爐也叫廢熱鍋爐。它是利用工礦企業在生產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蒸汽或熱水的熱交換設備。其最大特點是所生產的高溫、高壓蒸汽，既可發電，又能供熱，實行熱電聯產，經濟效益顯著，對節能減排起到重要作用。

1.余熱鍋爐熱源種類

（1）高溫煙氣余熱　其特點是產量大，連續性強，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，用于生產蒸汽，最好是熱電聯產，容量一般比較大。

（2）化學反應余熱　在生產過程中，有大量化學反應產生的余熱，如硫酸、磷酸、化肥、化纖、陶瓷、冶金等行業產生的余熱。

（3）可燃廢氣、廢液的余熱　如高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣、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、轉爐爐渣及電爐爐渣等。爐渣溫度在1000℃以上，每千克渣含熱達1250～7150kJ。

（5）高溫產品余熱　如水泥燒成熟料、焦爐焦炭、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、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。工業生產過程中用汽，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備在生產過程中排出的高溫氣體或附帶排出一些可燃氣體，由于工藝條件的差異，其數量、溫度與壓力不能完全固定。一般溫度在500～1000℃，有的高達1500℃。因此，就余熱鍋爐系列產品來講，無固定的理論燃燒溫度。設計單位須按余熱源的具體條件進行專項設計，或按鍋爐廠家產品系列進行優選。

（2）余熱源煙氣成分復雜　余熱源除溫度高外，有時附帶排出可燃氣體，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，煙氣排放涉及環境污染問題。如硫酸工業、化工廠、印染廠、罐頭廠、油脂廠、油氈廠、食品廠和垃圾或醫療物品焚燒、有色金屬冶煉等行業，排出SO2、SO3、NOx、H2S、NH3甚至病毒、有色金屬氣體等。在設置余熱鍋爐時，必須根據實際情況，進行無害化處理。一般采用焚燒法、尾部脫除法等，保證環保達標排放，并對余熱鍋爐材質與煙氣露點溫度特別關注與處理。

（3）余熱源氣體中夾帶粉塵　余熱載體中夾帶大量粉塵、煙塵常有發生。如陶瓷、黑色金屬冶煉，有色金屬熔煉，水泥回轉窯燒成，耐火材料行業等。由于溫度高，有時呈半熔融狀態，極易黏結在鍋爐水冷壁上，造成結渣、積灰或結焦，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。在設計時，必須針對實際情況，采取具體措施。

（4）有些余熱源有周期性變化特點　由于生產工藝條件的不同，所排出的高溫熱源體有周期性或間隙性變化特點。因而余熱鍋爐負荷也隨之發生相應變化。如冶金氧氣頂吹轉爐、有色金屬熔煉、煉焦爐、化工行業反應釜、各種熱處理爐等。應詳細進行調查，搞清各項參數，進行針對性設計。一般應安裝配套的蒸汽蓄熱器或設置補充熱源，詳見第二章介紹。

（5）余熱鍋爐有關部件需分散設置　在石油、化工行業，余熱鍋爐的有關部件需要分散設置在工藝流程中的某些部位。但相互之間的聯系又非常緊密，余熱鍋爐水側或汽側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生連鎖反應，使產量、質量受到影響。在此情況下，分散設置余熱鍋爐部件是一件非常復雜的事情，必須經仔細設計與計算，采取針對性措施，保證上、下工序反應溫度與催化劑的使用壽命正常。把各分散的部件匯集起來，使余熱鍋爐也能穩定正常運行。

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

（7）余熱鍋爐與空氣預熱器聯合設置　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熱器聯合設置。用余熱鍋爐先回收高溫余熱，生產蒸汽，再設置空氣預熱器，預熱空氣，用于爐窯熱風助燃。這種設置有諸多優點：可滿足企業自用蒸汽、減少外購或取消本企業的燃煤小鍋爐；空氣預熱器布置在余熱鍋爐煙氣出口處，煙溫已降低，用于預熱空氣，促進爐窯節能，并可綜合降低企業成本，提高經濟效益。為此，應進行專項設計，合理選取各自的進、出口溫度與受熱面分配，保證各自能正常運行。

（8）其他特殊情況與要求　余熱鍋爐屬于非標準設計，有時受生產工藝和安裝場地、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，會遇到集中設置還是分散設置等具體問題等等。這些問題都需要在設計時統籌安排解決。