熱管冷凝器技術介紹(餘熱回收技術)   

3.1.4熱管的特性

    與常規換熱設備相比，熱管具有如下的特點：

    （1）熱管換熱設備較常規換熱設備更安全、可靠，可長期連續運行。常規換熱設備一般都是間壁換熱，冷、熱流體分別在器壁的兩側流過，如管壁或器壁有泄漏，則將造成停產損失。由熱管組成的換熱設備，是二次間壁換熱，即熱流體要通過熱管的蒸發段和冷凝段管壁才能傳到冷流體，而熱管一般不可能在蒸發段和冷凝段同時破壞，所以大大增強瞭設備運行的可靠性；

    （2）傳熱效率高，熱管的冷、熱側均可根據需要采用纏繞翅片來增加傳熱麵積；

    （3）有效地避免冷、熱流體的串流，每根熱管都是相對獨立的密閉單元，冷、熱流體均在管外流動，並由中間密封結構將冷、熱流體完全隔開；

    （4）有效的防止露點腐蝕，通過調整熱管根數或調整熱管冷熱側的傳熱麵積比，使熱管壁溫提高到露點溫度以上，這種變換熱流密度的方法能使熱管以較小的加熱麵積輸入熱量，而以較大的冷卻麵積輸出熱量，反之，也可以較大的麵積輸入熱量，而以較小的冷卻麵積輸出熱量，使單位加熱和冷卻傳熱麵積上的熱流量發生變化。如下圖所示，圖（a）為熱管蒸發段長度大於冷凝段長度，並纏繞翅片，顯然蒸發段的傳熱麵積大於冷凝段的傳熱麵積，當傳熱量Q一定時，蒸發段的熱流密度遠小於冷凝段的熱流密度，圖（b）則為相反情況，從而達到控制與調節熱管管壁溫度；

（5）有效的防止積灰，換熱器設計時能夠采用變截麵形式，保證流體通過熱管換熱器時等流速流動，達到自清灰的目的；

    （6）無任何轉動部件，沒有附加動力消耗，不需要經常更換元件，即使有部分元件損壞，也不影響正常生產；

    （7）單根熱管的損壞不影響其它的熱管，同時對整體換熱效果的影響也可忽略不記。

（熱管餘熱鍋爐）              （熱管冷凝器）

3.2 冷凝餘熱回收鍋爐技術分析

3.2.1概述

一般來說，熱效率100%以上的鍋爐在常識上雖然難以理解，但如果將煙氣中的水蒸汽凝結潛熱利用起來，並且排煙溫度降低得足夠低，排煙損失很低的情況下，鍋爐的熱效率會提高到100%，甚至超過100%。

在熱能工程領域中計算鍋爐的熱效率都是利用燃料的低位發熱量來進行計算的，國外也是如此，如果按鍋爐的高位發熱量來計算鍋爐的熱效率，則100%的熱效率是不可能達到的（能量守恒）。

利用高效的冷凝換熱器和空氣預熱器來吸收鍋爐尾部排煙中的顯熱和水蒸汽凝結所釋放的潛熱，從而達到提高鍋爐熱效率的目的。這樣可以將原來的燃氣鍋爐改造為冷凝餘熱回收鍋爐。

冷凝式鍋爐發軔於歐洲。德國、荷蘭、英國、奧地利等國傢於上世紀70年代，開發傢用冷凝式鍋爐，到80年代末期90年代初期，韓國率先將冷凝式鍋爐應用在大中型工業鍋爐上，冷凝式鍋爐除瞭具有傳統鍋爐的共性之外，更是制熱機理的大膽革命與突破。在一些能源利用率較高的歐美國傢，燃氣冷凝式餘熱回收的熱水鍋爐其熱效率高達103%以上，此外在煙氣中的CO2和NOX等有害成份也大大降低，這對環保來說是非常有利的。在歐美等國，由於政府鼓勵使用冷凝鍋爐，所以需求量不斷增加，冷凝鍋爐的使用率瑞士60%，荷蘭50%，德國20%，奧地利（20%），英國（15%）。

冷凝式換熱器是一種低溫熱交換器，傳熱麵積大，並使用目前最為先進的熱管換熱技術，雖然價格較高，但這隻是一次性投資，其投資回收期隻需幾個月，節約的燃料費很快就將投資回收。

冷凝式鍋爐可以回收排煙中的水蒸汽凝結潛熱，還可以降低煙氣中的有害氣體，所以它很快確立瞭其在暖通領域中的地位，歐洲國傢對冷凝鍋爐的認知普及及政策的傾斜，使得冷凝鍋爐的應用極為廣泛。而在中國，冷凝鍋爐還是空白，人們對冷凝鍋爐的認識不足是一重要原因，另一原因就是生產廠傢對冷凝鍋爐的推廣和研發不力。

3.2.2冷凝餘熱回收鍋爐熱效率分析

燃料中含有大量氫元素，燃燒產生大量水蒸汽。每1NM3天然氣燃燒後可以產生1.55KG水蒸汽，具有可觀的汽化潛熱，大約為3700KJ，占天然氣的低位發熱量的10%左右。在排煙溫度較高時，水蒸汽不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費。同時，高溫煙氣也帶走大量顯熱，一起形成較大的排煙損失。

煙氣冷凝餘熱回收裝置，利用溫度較低的水或空氣冷卻煙氣，實現煙氣溫度降低，靠近換熱麵區域，煙氣中水蒸汽冷凝，同時實現煙氣顯熱釋放和水蒸汽凝結潛熱釋放，而換熱器內的水或空氣吸熱而被加熱，實現熱能回收，提高鍋爐熱效率。

鍋爐熱效率提高：1NM3天燃氣燃燒生產理論煙氣量約10.3 NM3（大約12.5KG）。以過量空氣系數1.3為例，產生煙氣14 NM3（大約16.6KG）。取煙氣溫度200℃降低至70℃，放出物理顯熱約1600KJ，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潛熱約1850 KJ，總計放熱3450 KJ，約是天然氣低位發熱量的10%。若取80%煙氣進入熱能回收裝置，可以提高熱能利用率8%以上，節省天然氣燃料近10%。

傳統鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸汽仍處於過熱狀態，不可能凝結成液態的水而放出汽化潛熱。眾所周知，鍋爐熱效率是以燃料低位發熱值計算所得，未考慮燃料高位發熱值中汽化潛熱量的熱損失。因此傳統鍋爐熱效率一般隻能達到87%～91%。而冷凝式餘熱回收鍋爐，它把排煙溫度降低到50～70℃，充分回收瞭煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結潛熱。

以天然氣為燃料的冷凝餘熱回收鍋爐煙氣中水蒸汽容積成分一般為15%~19%，燃油鍋爐煙氣中水蒸汽含量為10%~12%，遠高於燃煤鍋爐產生的煙氣中6%以下的水蒸汽含量。目前鍋爐熱效率均以低位發熱量計算，盡管名義上熱效率較高，但由於天然氣高、低位發熱量值相差10%左右，實際能源利用率尚待提高。為瞭充分利用能源，降低排煙溫度，回收煙氣的物理熱能，當換熱器壁麵溫度低於煙氣的露點溫度時，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發熱量差就能被有效利用。

3.2.3冷凝餘熱回收鍋爐原理

1、天然氣（LNG）以及其它的燃氣燃料主要是碳（C）和氫（H）兩元素結合而成的化合物，能保持完全燃燒，因其不含硫磺成份，所以不產生在低溫條件下腐蝕金屬的硫酸（H2SO4）和亞硫酸（H2SO3），是一種清潔的燃料。

天然氣的主要成份：

　　 CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + N2

　　 甲烷 + 乙烷 + 丙烷 + 丁烷 + 氮

(%) 90 + 6.8 + 2.5 + 1 + 0.3 =100

2、含在燃氣中的氫（H）在鍋爐內部燃燒時與氧結合成水。生成的水從燃燒時產生的熱量（高位發熱量）中吸收約10%的氣化熱而變成水蒸汽，與排出的煙氣一道排出。（冬季水蒸汽與冷空氣相遇而凝結，從煙囪觀察到冒白煙應是這個原因。）

　　燃氣的高位發熱量 -      汽化熱（潛熱） = 低位發熱量

9450Kcal/NM3 - 950Kcal/NM3 = 8500Kcal/NM3

3、水在高溫煙氣中，吸熱蒸發為水蒸汽，水蒸汽遇到通過冷空氣或冷水的傳熱麵，重新凝結成水而釋放潛熱（汽化熱539Kcal/kg）。冷凝餘熱回收鍋爐就是在燃氣鍋爐的排煙通道上設置通過冷水的熱交換器和加熱空氣的空氣預熱器，煙氣在通過熱交換器的傳熱麵時水蒸汽重新凝結為水，將其汽化熱（潛熱）釋放出來，並加熱交換器內的介質（冷水或空氣）。

4、鍋爐熱效率的計算：

　　鍋爐的正平衡效率：

η=（鍋爐出力×飽和蒸汽焓－給水量×給水焓）÷（燃料消耗量×燃料的低位發熱量）

3.2.4冷凝餘熱回收鍋爐和環境保護

　　燃氣與燃重油或輕油相比對環境污染相對小一些，它是一種清潔燃料。但燃燒時生成的CO2、CO、NOX對環境產生瞭影響。在先進國傢也為瞭減少這個量，開發和使用低NOX燃燒器，低NOX鍋爐等。但CO2依然被排出，而NOX控制在60PPM以下排出。

　　一般情況下，天然氣燃燒排煙中含CO2含量約為10-12%；NOX含量約為60-80PPM，這些有害氣體促成酸雨產生或溫室效應，誘發大氣臭氧層的破環或影響臭氧生成。使用冷凝餘熱回收鍋爐時，對這一環境污染有極大的緩解。

CO2+H2O→H2CO3

NOX+H2O→HNO2+HNO3

　　在上式中可以看出：CO2和NOX在冷凝餘熱回收鍋爐的尾部煙道中與冷凝結露的H2O結合生成對應的酸，並隨著凝結水從排放管排出。而煙氣中的有害成份CO2和NOX含量大大咸少,CO2約減少40%，含量由原來的12%下降至6-7%;NOX約減少至20PPM以下。

　　酸性的冷凝水排出時需進行中和處理：

H2CO3+Ca2++OH-→CaCO3+H2O

H2NO3+Ca2++OH-→CaNO3+H2O

　　可以設置一中和池，將冷凝水排放到中和池中，定斯檢查中和池的PH值。

3.3 熱管式煙氣冷凝器介紹

熱管煙氣冷凝器是近年來采用熱管技術開發的新產品之一，現已成為回收中、小型工業鍋爐排煙餘熱的佼佼者，正在逐步取代各種老式冷凝器。因為它由熱管這一“超導熱體”組成，所以它具有傳統冷凝器無法比擬的獨特優越性。

熱管是指在密封真空容器中註入適量工作液體的傳熱元件。其熱的傳遞是通過工作液體的反復蒸發與冷凝來進行的。

當熱量傳入蒸發段，工作液體吸收汽化潛熱變成蒸汽流向冷凝段，在冷凝段釋放出汽化潛熱後，工質冷凝變成液體，回流至蒸發段，如此反復循環，利用工質的相變及傳熱，以潛熱的形式來傳遞熱量。由於工質的潛熱很大，如水的潛熱為540千卡/公斤，因此熱管具有很高的傳熱率。用一支銅水熱管和相同外形的實心紫銅棒相比，傳輸熱量均為1千瓦的情況下，前者的導熱系數是後者的8376倍。因此，熱管被稱之為“超導熱體”。

最早的“熱管”構思是1942年美國通用發動機公司的高格勒提出的。直到1964年美國洛斯一阿拉莫斯科學實驗室的科特對熱管進行瞭性能實驗，並在“應用物理”上發表瞭第一篇熱管基礎理論的論文，熱管才開始受到重視。科特在這篇論文中指出：“在某些應用范圍內熱管可看成為一種最佳組合的工程結構，它相當於導熱率大大超過任何已知金屬的一種物體”。從此，熱管的研究及應用，發展十分驚人。自1967年，美國將第一支熱管送入地球衛星軌道以來，熱管技術已廣泛應用於航天、電子、動力、機械、冶金、化工、輕紡、建築等行業。

下麵將具體闡述，為什麼熱管冷凝器會具有巨大威力，會有如此強大的競爭力？

利用冷凝器回收排煙餘熱，降低排煙溫度可以提高鍋爐效率，減少燃料消耗量。然而在中、小型工業鍋爐中，冷凝器至今用得不好，未能普及，原因何在？這是由於中、小型鍋爐利用排煙餘熱量，存在如下矛盾：

1、給水普遍沒有前置加熱，低溫供水會導致冷凝器金屬壁麵的低溫腐蝕。

2、當煙氣含塵量較大時，極易積灰、堵灰。

3、中、小型工業鍋爐排煙餘熱溫差小，要求餘熱設備的傳熱麵積大，而鍋爐本身又要求體積小，重量輕，以致在鍋爐設計上難以適應。

為此，利用200—300CC°°低溫煙氣餘熱，對冷凝器的要求是：

1、傳熱強度高，單位體積的傳熱麵積大。

2、抗腐蝕力強，在低溫給水條件下能具有較高壁溫，從而避開受熱麵嚴重腐蝕的危險。

3、煙側阻力小，風機電耗小，可以在不改變風機出力情況下裝設。

而傳統的冷凝器——鑄鐵式及鋼管式則無法滿足以上要求，這是因為：

1、這兩種冷凝器由於水均在管內流動，換熱系數不高，傳熱強度低，單位體積的傳熱麵積小，而鑄鐵式冷凝器則由於煙側的鑄造翅片又短又厚，肋化系數低，它的傳熱強度更低。

2、這兩種冷凝器水的進口處壁溫很低，容易產生酸腐蝕，而鋼管式冷凝器材料的耐腐蝕性很差，其使用壽命短。

3、兩者設備結構不緊湊，金屬耗電大，煙氣流程長，阻力較大。

4、在這兩種冷凝器中，若一處因腐蝕損壞，則氣水相通，必須停爐，而且修復很困難。

上述傳統冷凝器所無法解決的問題，采用熱管冷凝器則迎刃而解，因為熱管冷凝器具有傳統冷凝器無法比擬的獨特優越性。

1、熱強度高，單位體積的傳熱麵積較大，熱管冷凝器中熱管外表麵可以很方便地實現肋化，擴大傳熱麵積，肋化系數高達10以上。此外煙氣和水的流動均為橫掠管束，傳熱系數較管內流動高。

2、可以得到較高的壁溫，能較好地解決低溫腐蝕問題。

3、結構緊湊，金屬耗量低，煙氣流程短，阻力小，電耗小，增設熱管冷凝器不需更換風機。

4、氣側與水側雙重隔離，一管損壞，設備仍能運轉。

為瞭定量說明熱管冷凝器的優越性，在此將熱管冷凝器與常用的鑄鐵冷凝器進行比較，下表列出瞭在相同排煙量、相同排煙溫度，相同給水溫度以及相同餘熱收量的條件，這兩種冷凝器主要結構尺寸及性能數據。

熱管式和鑄鐵冷凝器的比較

從該表可以看出，熱管冷凝器與鑄鐵冷凝器二者在如下方麵差異較大：

1、傳熱系數，熱管冷凝器為鑄鐵的7.45倍；

2、最低壁溫，熱管冷凝器為135C°，而鑄鐵冷凝器隻有35C°；

3、煙側壓降，熱管冷凝器為38Pa，鑄鐵冷凝器為98Pa。

4、單位體積的傳熱麵積，熱管冷凝器為鑄鐵冷凝器的2.96倍。

5、熱管冷凝器的總體積為鑄鐵冷凝器的1/3。

6、熱管冷凝器的總重量不到鑄鐵冷凝器的1/2。

終上所述，熱管冷凝器無論在技術先進性還是在工作可靠性，使用壽命等方麵都大大優於鑄鐵冷凝器，而在投資回收年限方麵，二者相差卻不大，可見熱管冷凝器不僅技術先進而且價格也有很強的競爭力。