文 献 综 述 一、 课题背景 近年来, 随着国家对环保的重视, 以及各大钢铁企业降低成本、提高经济效益的需要, 高炉煤气的再利用, 越来越受到各钢铁企业的重视。采用高炉煤气发电被国内外公认为是充分利用高炉煤气的一种新型、有效的节能和环保项目[1]。随着钢铁工业的发展,炼铁过程中产生的高炉煤气(BFG) 量逐年增加。高炉煤气中可燃成分含量少,煤气的热值低,阻碍了高炉煤气的有效利用。目前,高炉煤气除了在热风炉中自用和供炼焦炉加热外,还用于发电和供热,以及利用高炉煤气本身的压力,通过膨胀透平拖动发电机和用于蓄热式轧钢加热炉等。但仍有一部分多余的BFG未能回收利用而排放,造成能源的浪费和环境的污染[2] 。 热管余热锅炉采用高效的热管传热器件, 热效率高, 结构紧凑, 水的加热和汽化均在烟道外进行, 不同于一般的余热锅炉。从热管分析入手, 论述在烧结机冷却系统中的具体应用和设计参数的确定。热管余热锅炉也可广泛应用在竖炉余热回收、水泥窑余热回收、冶金炉余热回收等系统中[3]。 二、 国内外发展现状 (1)国外发展 瑞士BBC 公司于1945 年制造了第一台BFG燃气轮机。该公司从1949 年到1976 年间共制造了25台BFG燃气轮机,其中有4 台机组发展成为燃气- 蒸汽联合循环。[4]上世纪90 年代初期,ABB 公司(其前身BBC ,现被Alston 兼并) 开始了纯烧高炉煤气的燃气轮机的开发。1995 年,上海宝钢引进日本川崎和瑞士ABB 公司合作研制的第一台纯烧高炉煤气的GT11N2型单轴重型燃气轮机,并于1997 年11 底投入运行[5]。该机组每小时可燃用煤气3612 万m3 ,煤气热值为3098 - 3150kJ / m3 , 联合循环功率150MW, 效率45.52 %。它是我国首台燃用高炉煤气的燃气轮机机组,为宝钢的节能降耗和环境保护做出了贡献 。1958 年,日本三菱重工开始研制首台BFG燃气轮机,功率850kW。该公司80 年代研制出MW- 701DBFG燃气轮机,功率为124MW,组成联合循环的功率为145MW,联合循环热效率高于45.6 %,该机组已于1987 年投入运行[6]。2004 年4 月,我国鞍钢引进了三菱重工的300MW 燃用高炉煤气的联合循环发电机组,机组型号为M701S(F) ,每小时燃烧高炉煤气47 万立方米,焦炉煤气412 万立方米,是目前世界上燃用中低热值高炉煤气的最大、最先进的发电机组。该项目预计在2007 年4 月投入运行[7]。 (2)国内发展 2003 年,我国南京汽轮电机(集团) 有限公司与美国通用电气公司合作,成功开发了PG6561B - L 型高炉煤气燃气轮机发电机组[8]。该机组由南京汽轮电机(集团) 有限公司设计,从美国GE 公司引进燃气轮机的燃烧室、叶片、控制系统等关键部件[9]。采用多管燃烧室,以高炉煤气掺入少量焦炉煤气的低热值煤气为燃料,热值为5577kJ / Nm3 ,设计容量为50MW,热电转换效率达到40 %左右[10]。该设备已于2003 年8月在吉林通化钢铁集团公司正式投入商业运行,填补了国内空白[11]。随后,济南钢铁集团公司也采用了该高炉煤气燃气轮机发电机组并于2004 年7 月投入运行[12]。 三、 工作原理 3.1 热管工作原理 换热器中的热管一般由管壳和内部工作液体(工质)组成。管壳是钢制的、抽成真空的密闭壳体,工质是经过特殊处理的介质,如图1 所示,热管由受热段和放热段组成,受热段吸收烟气热量,热量通过热管壁传给管内工质,工质吸热后沸腾和蒸发,转变为蒸汽,蒸汽在压差的作用下上升至放热段；受管外介质的冷却作用,蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热,受热介质获得热量,冷凝液依靠重力作用回到受热段。如此周而复始,烟气热量便可传给受热介质,使受热介质得到加热。 3.2 热管的优点 由于热管内部一般抽成真空, 工质极易沸腾与蒸发,热管起动非常迅速,因此具有很高的导热能力[13]。其优点如下： (1)良好的导热性能：热管采用管内工作介质的蒸发与冷凝来传递热量, 其导热系数是相同尺寸纯铜的40 倍以上； (2)优良的等温性:由于热管内腔的工作介质处于汽、液相共成,而蒸汽沿流动方向产生的温降很小,因而热管沿轴向具有优良的等温性； (3)热流密度的可变性:由于热管的受热段与放热段可根据需要来调整, 可通过改变受热段与放热段的传热面积比来控制热管的传热量及管壁温度[14]； (4)良好的环境适应性:热管形状可随热流体、冷流体和现场条件的变化而做成圆管状、板状、针状及分离式热管元件等,适用于多种场合[15]。 图1 换热器热管原理图 3.3 热管系统的基本特点 (1)热量从高温介质转移到低温介质,完全由热管元件完成,低温介质被间接加热。 (2)系统中热管元件间相互独立,单根或数根热管失效或损坏不影响整个装置的运行。 (3)由于热管的单向导热性,热量的传输只能由受热段传至放热段[16]。 (4)热管外壁采用高频焊翅片,强化传热,传热效率高,热侧阻力小,设备结构紧凑。 (5)热量的输送过程不需任何外界动力,运行管理简单。 (6)热侧换热面积可调,可以在一定的范围内调节换热管管壁温度,有效防止低温露点腐蚀。 四、热管余热锅炉 热管式余热锅炉是由若干组热管联箱同其外壳组装而成[17]。其中每组热管联箱又由若干根热管与其冷凝侧外夹套管组焊而成的,为增大传热面积[18],其加热外表面一般都焊有若干片高频焊环形翅片, 各热管之间彼此独立, 构成各自的独立封闭传热系统,其由于上述结构特点[19]，使其具有以下优点： (1)热管由于外壁带有螺旋翅片,增加了传热面积,单管传热强度大（相对光管）； (2) 工作介质循环是依靠地球重力和压差作用,无需外加动力,无机械运行部件，增加了设备的可靠性,也极大地减少了运行费用； (3)由于其冷、热两端热阻方便可调,便于控制管壁温度,从而有效地解决设备的露点腐蚀； (4)根据工艺要求,可以进行顺、逆流混合布置,适应较宽的温度范围； (5)热交换系统由众多热管组装而成,各热管之间相互独立，一根或几根热管损坏或失效不影响整个系统的安全运行, 只是换热器整体效率会略有降低而已； (6)由于采用夹套结构,使设备水侧能承受较高的压力范围； (7)外壳为钢板连续焊制,无检查门及其他孔洞,密封性能好[20]。 典型结构如图2 所示： 图2 锅炉热管结构示意图 五、热管在余热利用中的特点 热管因其独特结构和相变传热机理,具有如下特点: (1) 安全可靠性高。不存在管内超压,不怕干烧,因液体工质汽化后,热管的内压不随温度变化而变化,而且热管余热回收器是二次间壁换热,与常规的换热设备一般都是间壁换热不同[21]; (2) 导热性强。导热速度快、强度大、效率高(传热效率达98%以上) ,节能效果明显; (3) 等温性好。传热阻力小,在很小的温差下,传递很大的热通量; (4) 热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积; (5) 环境的适应性强。受环境的限制相对常规换热设备小,通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上,从而可防止露点腐蚀。同时热管在导热时会产生自振动,使灰不易粘附在管壁和翅片上,不易堵灰;热管可根据环境的需要而设计; (6) 使用寿命长、应用领域广。使用寿命在10年以上,单根热管可拆卸更换,维护简单、成本低,超导热管形状具有更大的灵活性,更广泛的应用领域,能适应各种恶劣的工作环境[22]。 六、余热锅炉发展 目前热动力优化已不再是余热锅炉设计的真正挑战，因为目前的三压再热设计已经代表了很高的经济型和热动力性。而提高RAMS性能成为主要目标，所谓的RAMS是指可靠性、可用性、可维护性和安全性[23]。尽管余热锅炉造价只是全厂价值的约10%，但余热锅炉是联合循环电厂关键发电设备，必须从各个方面提高RAMS性能，促使余热锅炉用户、客户以及余热锅炉间的密切合作[24][25]。 参考文献： [1] 王海凤, 刘永启.高炉煤气发电技术.农业装备与车辆工程.2006 (10) [2] 王松岭,董君,陈海平,张学镭,胡红丽.高炉煤气燃气轮机联合循环的发展现状与前 景[J]燃气轮机技术.2005 (06) [3] 关建.热管余热锅炉在烧结厂的应用.节能.2008（08） [4] 王华锋，郭明州，白红彬. 高炉煤气锅炉的设计.煤气与热力.2008（01） [5] P.A Pilavachi. 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