余热回收热能转换装置

一、热管装置

1、热管原理与结构

热管是一种高效传热原件。单支热管由无缝钢管、金属管芯和工质三个要素构成。钢管是密封的并抽成真空，内装有毛细管作用的金属管芯。当热管的受热端受热时，工质吸收热量、蒸发变为蒸汽，并向放热端移动，与冷的管壁接触而放热，同时冷凝成液体。由于管芯的毛细管作用或重力作用，液态工质又返回到热管的受热端。因为是利用工质的蒸发和凝结汽化潜热来传递热量，所以热管的热阻非常小，只要两端有一点温度差，就能迅速传递大量热能。这是20世纪60年代探索新的传热设备，强化传热效果所开拓的新成果，因而受到了人们的广泛重视，取得了显著节能减排效果。

2.热管的分类与组装

一般按工作温度，热管可分为三种：高温热管，工作温度350℃以上；中温热管，工作温度在50～350℃；低温热管，工作温度低于50℃。

目前国内用于中低温余热回收的热管多采用普通锅炉钢管和水作工质，属于重力型热管。辽宁省已制定了DB/T696—93《余热回收用碳钢-水热管技术要求》地方标准。如回收利用高温余热，应改换材质并选用耐高温工质。为增强单根热管的传热性能，在热管一端或两端可做成翅片型，也可做成平板散热片，甚至辐射散热片等，以增大其传热面积。

3.热管回收装置与应用

目前用热管组装成各种余热回收装置，并已成功应用于工业锅炉与电站锅炉的省煤器、空气预热器、蒸汽过热器与再热器；化肥行业用的余热锅炉、加氮空气预热器、吹风系统空气预热器、软水加热器；冶金行业用的余热锅炉、大型分离式热管空气、煤气双预热器、空气预热器；建材企业用的余热锅炉、热管蒸发器；硫酸企业用的热管省煤器；干燥、烘干领域用的热管热风炉等，用途非常广泛。天津华能能源设备有限公司与辽宁省有关企业等，均可生产上述多种热管换热装置，销往全国各地，取得良好的节能减排效果。

4.热管回收装置特点及应用优势

①余热回收率高。由于热管有很高的导热能力，比金属导体要强很多，热导率比良好的金属导体要高1000～10000倍，因而能进行高效传热，有的文献称超导传热，所以余热回收率高，尤其对中低温余热更为优越，应列为首选换代产品。

②构造简单、结构紧凑、安装方便、内部阻力小、用途广泛。

③使用寿命长，无需运行费用。本身无运转或驱动部件，免于维修，单根热管损坏，不会造成漏气问题，对整体设备无影响，经久耐用。可调整冷热端面积控制管壁温度，避免露点腐蚀。如遇有带烟尘的余热，可单设门，定期进行清扫，防止积灰。

④供、排气各走不同的通道，不会相互混合，无漏气问题，能获得清洁热风或其他热载体。

⑤蒸发端与冷凝端可以分开，制成分离式热管余热回收装置，利于设计与合理布置，在冶金系统得到较好的应用。

⑥热管两端温差很小，利用这一特性，在某些等温实验研究、培养细菌、温度标定等方面有特殊用途。国外曾有报道，利用小型特殊热管束回收飞机燃气轮机的排气高温余热，加热燃气轮机的助燃空气，以提高燃机的效率。其余热回收率可达到50％～70％，取得良好节能效果。

二、热泵装置

1.热泵工作原理与构成

热泵的构成主要包括四大部分，即蒸发器、压缩机、冷凝器与膨胀阀，详见下图。热泵既是余热回收供热设备，又是空调制冷设备，其基本原理是相同的。热泵循环装置中的蒸发器，就是低温侧的换热器。余热源从低温侧被吸入，传给低沸点的载热工质，在换热器内吸热蒸发，使工质变为气态载体。然后进入压缩机内被压缩，变成高温高压的气体。当把此气体输送到冷凝器内时，向器外的介质释放出热量，又被冷凝液化。为了使液化后的工质复原成低温低压状态，让其通过膨胀阀进行绝热膨胀，再输送到蒸发器内，完成一次逆卡诺循环，实现了低温余热回收，达到了节能减排目标要求。

热泵的工作原理大制与制冷机相同，只是它们的应用目的和工作温度范围不一样。热泵的基本功能是靠机械做功，把热量从低温热源提升到高温状态，给用户供热。而制冷机是利用低温侧换热器的蒸发吸热原理，把高温侧的冷凝器当作放热器，将释放出的热量排到周围环境或冷却水中。可见热泵循环的下界限是低温余热资源，上界限是需要供热的热用户；而在制冷循环中，上界限是周围环境介质，下界限是需要冷负荷的场所，二者正好相反。其实质是设备的卡诺循环方向问题。在中央空调领域，在夏季是供冷的制冷设备，在冬季又能将低品位热源提高温度，变为供热设备。热泵在工业供热领域往往被人们忽视。

2.热泵的分类与应用范围

热泵在空调、供热采暖方面受到广泛重视，发展速度很快。因其在夏天能够制冷空调，而冬天又能将低品位热源提高温度变为高品位热源，用于供热采暖。由于热泵在节能、环保方面具有明显优势，现已成为中央空调的重要冷热源设备。

（1）空气源热泵　也称风冷热泵，系早期开发研制的产品，利用空气作为冷热源的空调、供暖设备。我国南方地区，冬天气温低，可用于采暖，夏季则制冷。

（2）水源热泵　又可分为地下水源热泵和地表水源热泵。地下水需要抽出、回灌，而地表水包括江、河、湖、海或工业废水、城市污水、中水等。尤其是工矿企业的各种冷却水，不但水量充足，而且温度适当，开发应用潜力很大。

（3）地源热泵　也叫土壤源热泵。在土壤中垂直埋管或水平埋管，从中取热或放热。在环保和运行能耗方面具有一定优势，有开发与发展潜力。

（4）水环热泵　它用循环水环路作为加热源与排热源。当热泵在制冷运行时，向环路中的水放热时，可设冷却塔，可将热量排向大气；当热泵在制热运行时，如环路中水温低于一定值时，可设加热装置，对其进行加热。因其各种水源广泛存在，发展潜力很大。

3.工业热泵的开发应用

目前国内热泵多应用于制冷、空调及供暖、空调和生活热水三联供方面，而且取得良好节能效果。但在工业领域开发应用得较少，远没有引起业界人士、开发研究单位和能源界的高度重视。其实热泵在工业低温余热回收利用方面有广泛的应用前景，且节能减排效果显著，环保效益、社会效益也很好，亟待开发应用。

工业热泵结构原理与空调、制冷热泵完全一样，只在布置与连接方面有所不同。工业热泵主要有三种基本类型，即闭式循环系统、开式循环系统和吸收式循环系统等。

4.对热泵的经济性判断

对于热泵系统，在以下条件下运行时，一般认为是经济的：

①有稳定良好的低温余热源条件，且热管装置很难回收利用的场合；

②有耗用低温热源的需求，且每年满负荷运行时间大于2000h；

③经测定致热系数COP值大于3；

④在夏季作供冷运行，冬季作供暖运行，不需另外增加能源；

⑤建筑物内部有较大的余热量，有可能在环境温度低于0℃时使用内部热源，加热建筑物的情况，如大型超市、体育馆、百货商场、影剧院等。如果属于下列情况，热泵的经济性较差：致热系数COP值小于3；仅仅用于供暖或空调制冷单方面运行；热泵设置容量远大于供热负荷，处于低负荷运行等。

三、预热器装置

1.预热器的优势及其应用效果

预热器主要用于中温余热资源回收工程，是一种应用广泛、技术非常成熟的热交换装置。它的最大优势是结构简单、造价低廉、制造周期短、运行方便、占地面积小、余热回收率较高等。几乎所有行业，凡是有中温余热资源的场所，需要回收利用余热资源时，均可设置预热器。工业锅炉最典型的预热器是省煤器和空气预热器。设置预热器的作用，可概括为：

（1）提高燃料燃烧温度　对于锅炉或窑炉而言，燃料燃烧所需要的助燃空气，如用热风助燃，便可提高燃烧温度。这一点对于低热值燃料更为重要，在第二章、第三章中已进行了详细介绍。火焰温度提高了，便可提高传热效率，缩短加热时间，达到节能、减排目的。

（2）提高燃料燃烧效率　无论是固体、液体或气体燃料，用热风助燃，可起到强化燃烧作用，加快燃烧速度，达到完全燃烧，减少灰渣含碳量，提高燃烧效率。

（3）收到节能减排功效　由于预热器可回收利用余热资源，把将要流失的“废热”回收后，变为有用热量，因而可起到节能减排作用，降低了燃料消耗，减少CO2与SO2的排放，有利于环境保护。

（4）可提高企业的经济效益　把将要排放到环境中的余热资源回收，用以转换成温度较高的热水或热空气，用于生产供热或采暖、空调，因而可降低成本，提高企业的经济效益。

2.预热器热交换原理与分类

（1）表面式预热器　表面式预热器的主要特点是冷热两种流体被导热的器壁隔开，在热交换过程中，两种流体互不接触，热流体通过器壁将热量传递给冷流体。

（2）混合式预热器　该种预热器是依据热流体和冷流体直接相互混合来完成热交换的；在热量传递的同时伴随着相态的变换与混合。它具有热交换速度快、传热效率高、设备简单、投资省等优点。

（3）蓄热式预热器　该蓄热器最常见的是高炉热风炉、蓄热式燃烧装置和回转（蓄热）式预热器。

四、余热锅炉装置

余热锅炉也叫废热锅炉。它是利用工矿企业在生产过程中排出的各种余热资源，尤其是高温余热源，回收利用这些余热源用来生产蒸汽或热水的热交换设备。其最大特点是所生产的高温、高压蒸汽，既可发电，又能供热，实行热电联产，经济效益显著，对节能减排起到重要作用。

1.余热锅炉热源种类

（1）高温烟气余热　其特点是产量大，连续性强，便于回收利用，是最常见的一种余热形式。这种余热最适宜用余热锅炉来回收热量，用于生产蒸汽，最好是热电联产，容量一般比较大。

（2）化学反应余热　在生产过程中，有大量化学反应产生的余热，如硫酸、磷酸、化肥、化纤、陶瓷、冶金等行业产生的余热。

（3）可燃废气、废液的余热　如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、炼油厂催化裂化再生废气、炭黑厂排烟气、造纸厂的黑液等。

（4）高温炉渣余热　如高炉炉渣、转炉炉渣及电炉炉渣等。炉渣温度在1000℃以上，每千克渣含热达1250～7150kJ。

（5）高温产品余热　如水泥烧成熟料、焦炉焦炭、钢锭钢坯、高温锻件等。一般温度都很高，含有大量余热。

（6）冷却介质、冷凝水余热　各种冷却装置排出的大量冷却水和低温乏蒸汽。工业生产过程中用汽，在工艺过程后冷凝成水，都含有大量的余热。

2.余热源特点与回收利用对策

（1）余热锅炉用热源温度高且不固定　各种高温炉窑或其他工艺设备在生产过程中排出的高温气体或附带排出一些可燃气体，由于工艺条件的差异，其数量、温度与压力不能完全固定。一般温度在500～1000℃，有的高达1500℃。因此，就余热锅炉系列产品来讲，无固定的理论燃烧温度。设计单位须按余热源的具体条件进行专项设计，或按锅炉厂家产品系列进行优选。

（2）余热源烟气成分复杂　余热源除温度高外，有时附带排出可燃气体，甚至有害气体、腐蚀性气体等，烟尘中或渣中含有金属或非金属氧化物。对余热锅炉部件造成腐蚀，烟气排放涉及环境污染问题。如硫酸工业、化工厂、印染厂、罐头厂、油脂厂、油毡厂、食品厂和垃圾或医疗物品焚烧、有色金属冶炼等行业，排出SO2、SO3、NOx、H2S、NH3甚至病毒、有色金属气体等。在设置余热锅炉时，必须根据实际情况，进行无害化处理。一般采用焚烧法、尾部脱除法等，保证环保达标排放，并对余热锅炉材质与烟气露点温度特别关注与处理。

（3）余热源气体中夹带粉尘　余热载体中夹带大量粉尘、烟尘常有发生。如陶瓷、黑色金属冶炼，有色金属熔炼，水泥回转窑烧成，耐火材料行业等。由于温度高，有时呈半熔融状态，极易黏结在锅炉水冷壁上，造成结渣、积灰或结焦，并对受热面造成较大的磨损。不但影响传热，降低余热锅炉效率，而且涉及安全问题，使其寿命缩短。在设计时，必须针对实际情况，采取具体措施。

（4）有些余热源有周期性变化特点　由于生产工艺条件的不同，所排出的高温热源体有周期性或间隙性变化特点。因而余热锅炉负荷也随之发生相应变化。如冶金氧气顶吹转炉、有色金属熔炼、炼焦炉、化工行业反应釜、各种热处理炉等。应详细进行调查，搞清各项参数，进行针对性设计。一般应安装配套的蒸汽蓄热器或设置补充热源，详见第二章介绍。

（5）余热锅炉有关部件需分散设置　在石油、化工行业，余热锅炉的有关部件需要分散设置在工艺流程中的某些部位。但相互之间的联系又非常紧密，余热锅炉水侧或汽侧的温度变化会影响上、下工序的温度变化，以及整个工艺流程会产生连锁反应，使产量、质量受到影响。在此情况下，分散设置余热锅炉部件是一件非常复杂的事情，必须经仔细设计与计算，采取针对性措施，保证上、下工序反应温度与催化剂的使用寿命正常。把各分散的部件汇集起来，使余热锅炉也能稳定正常运行。

（6）依据工作条件选择余热锅炉有关部件材质　在石油化工行业，有的工序要求余热锅炉不但水侧（或汽侧）需要高温、高压，而且工艺气侧也需要高温、高压。还有些企业在余热源气体中附带腐蚀性气体等。在此特殊条件下设置余热锅炉，要特别注意选用有关部件的材质问题，保证使用温度与压力达到要求；同时要采取措施，保证余热锅炉各部位的严密性；所用锅炉水质，不能按一般工业锅炉对待，应按电站锅炉要求进行水处理。

（7）余热锅炉与空气预热器联合设置　有些高温炉窑回收烟气余热时，往往要求采用余热锅炉与空气预热器联合设置。用余热锅炉先回收高温余热，生产蒸汽，再设置空气预热器，预热空气，用于炉窑热风助燃。这种设置有诸多优点：可满足企业自用蒸汽、减少外购或取消本企业的燃煤小锅炉；空气预热器布置在余热锅炉烟气出口处，烟温已降低，用于预热空气，促进炉窑节能，并可综合降低企业成本，提高经济效益。为此，应进行专项设计，合理选取各自的进、出口温度与受热面分配，保证各自能正常运行。

（8）其他特殊情况与要求　余热锅炉属于非标准设计，有时受生产工艺和安装场地、安装空间等条件的限制；有时对排烟温度有一定要求；有时多台炉窑烟气余热回收，会遇到集中设置还是分散设置等具体问题等等。这些问题都需要在设计时统筹安排解决。