1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

我国的常规能源资源人均可采储量低于世界平均水平，虽然能源资源不丰富，但是在能源效率、能源强度、单位产品能耗等方面却大大落后于发达国家。目前我国的能源利用效率为33%，比发达国家低10 个百分点，产值能耗是世界平均水平的2倍多，主要产品单位能耗比国外先进水平高40%[1]。为促进我国经济的可持续发展，近年来，国家十分重视节能工作，并颁布了一系列相关法规，节能已成为全社会共同关注的大事[2]。

提高热能设备的热效率和热力系统的能源利用率，是目前节能工作的重点之一。在我国，数以万计的锅炉、窑炉、高炉、热风炉、干燥器、反应器、内燃机等热能设备每天将大量高、中温烟（废）气排到大气中，这些平均温度高达200～500℃的烟（废）气，排放时带走了大量热能，既浪费能源又加剧了温室效应和环境污染。因此采用先进的热回收技术和热回收设备，降低各种热力设备的排烟（气）温度，有效地回收余热、废热，是提高热效率的关键[3]。

先进的热管技术和热管换热设备应用于热能回收领域具有其他传统换热技术和设备无法比拟的独特优点，热管技术推动了热回收行业的技术进步，与此同时，热回收领域的许多难题及需要又反过来促进了热管技术、热管产业的发展，热管技术在热回收领域有着十分广阔的发展前景[4]。

1.热管省煤器的原理与特点

热管省煤器又称锅炉给水预热器或锅炉烟气热回收器，是由若干热管元件组成的一种高效气－水换热设备。它通过热管将锅炉烟气的热量传递给锅炉给水或生活用水，从而达到降低排烟温度，提高水温，节省燃料的目的[5-7]。

热管省煤器具有传热率高、阻力小、冷热侧面积可调、结构紧凑、无交叉污染、工作可靠、运行维护费用少等优点，适用于各类锅炉，尤其适用于不带引风机的燃油、燃气锅炉。配置热管省煤器后可使锅炉排烟温度降低60～160℃，给水温度提高20～50℃，锅炉效率提高3%～8%[8-11]。

2.热管省煤器相对于传统省煤器的具体优势

传统的铸铁式或钢管式省煤器用于锅炉烟气

余热回收存在以下缺陷：

（1）传热强度低。因为是一种水在管内流动，烟气在管外流动的常规传热方式，换热系数不高，传热强度较低；

（2）容易腐蚀。由于省煤器水侧进口处管壁温度常常低于露点，容易产生酸腐蚀，使省煤器遭到损坏；

（3）体积庞大。设备结构不紧凑，金属消耗多，烟侧阻力较大，引风机的电耗增加，完全不能用于不带引风机的燃油、燃气锅炉。

（4）使用寿命短。省煤器内部某一处因腐蚀损坏，则造成气－水相通，必须停炉，而且修复很困难。如采用热管省煤器代替传统换热器，上述缺陷均可得到解决，既可获得很高的传热强度，缩小换热器的体积和重量，降低烟侧阻力，解决金属结构的低温腐蚀问题，又能在局部热管损坏时，仍不影响整台换热器的使用，保证锅炉的正常运行。

表1 列出在相同工况下热管省煤器与铸铁省煤器的比较结果。

表1 热管省煤器与铸铁式省煤器的比较

项目	单位	热管式	铸铁式
烟气进口温度	℃	250	250
烟气出口温度	℃	190	190
给水进口温度	℃	20	20
给水出口温度	℃	50	50
烟气容积流量	Nm3/h	2988	2988
给水重量流量	t/h	2.2	2.2
最低壁温	℃	136	35
热回收量	KW	78	78
烟气压降	Pa	38	98
单位容积受热面	m2/m3	106.12	35.89
外形尺寸	mm	1670#215;450#215;250	1350#215;600#215;700
总体积	m3	0.188	0.608
总质量	kg	320	720

从表1可以看出，热管省煤器与铸铁省煤器二者在以下方面差异较大：

（1）传热系数。热管省煤器为铸铁省煤器的7.45倍，K 热管: K 铸铁＝ 145.3∶19.5 ＝ 7.45∶1；

（2）最低壁温。热管省煤器为135℃，而铸铁省煤器只有35℃，相差100℃；

（3）烟侧压降。热管省煤器为38Pa，铸铁省煤器为98Pa；

（4）单位体积的传热面积。热管省煤器为铸铁省煤器的2.96 倍；

（5）热管省煤器的总体积为铸铁省煤器的1/3；

（6）热管省煤器的总重量不到铸铁省煤器的1/2。

综上所述，热管省煤器无论在技术先进性还是在工作可靠性、使用寿命等方面都明显优于传统的铸铁省煤器[12-17]。

3.热管省煤器在运行中存在的几个问题

省煤器在实际运行中, 由于具体运行条件的变化, 实际运行效果往往达不到设计要求, 甚至影响锅炉出力, 主要存在以下问题：

（1）省煤器的漏风

省煤器的漏风由以下两个因素造成：

1）省煤器内外部之间存在一定的负压；

2）省煤器与烟道连接处、省煤器墙板、方法兰、扒灰口等处由于密封不严, 存在一定缝隙,使空气和烟气之间有一个相互流通的通道。负压越大、缝隙越宽, 漏风量就越大。

漏风必然会对省煤器经济运行造成较大影响, 主要表现在：

1）由于省煤器中大量冷风漏人, 造成烟气体积增加, 引风机风量增大。

2）由于漏风的吸热, 造成排烟温度进一步降低, 锅炉给水与烟气温差变小, 传热效果恶化。

3）省煤器漏风易造成设备低温腐蚀烟气在流经省煤器及其后设备中, 由于大量漏风, 造成烟温急剧降低。燃烧过程中产生的三氧化硫和烟气中水蒸汽化合成硫酸蒸汽。烟温降到酸露点后, 硫酸蒸汽凝结成液态附着在管壁上，造成低温腐蚀[18]。

预防措施

G B /T 1531 7一94 《工业锅炉节能监测方法》中规定, 工业锅炉正常运行时过剩空气系数合格指标为a≤2.4 , 但在实际监测时Q往往高于此值，多为3.0以上, 高的甚至达到4.0～5.0[19]。此时通过观察炉膛火焰颜色，并非风量过大时明亮刺眼的特征, 火焰往往呈现麦黄色, 调小鼓引风, 使空气系数降到合格指标, 火焰呈现暗黄色或暗红色, 炉渣含碳量明显增大, 这往往是炉膛烟道及省煤器漏风所致。可用点燃的蜡烛靠近省煤器，看火焰是否有偏斜来判断漏风地方。防止漏风的措施是加强密封, 可用石棉绳在漏风处堵好嵌实[20]。值得一提的是, 在安装省煤器时, 省煤器肋片管方法兰四周槽内应严格按图纸要求嵌人石棉绳, 保证法兰之间的密封, 省煤器墙板应焊接良好, 不得泄漏[21]。

（2）省煤器间断上水问题

许多安装省煤器的1Ot/h 以下小型锅炉多采用间断上水方式。造成间断上水原因如下:

1）由于锅炉给水泵的选型是按锅炉额定出力的大小, 并附加1.1 一1.2 的系数选定的。锅炉经过长期运行后, 由于受热面积灰、煤种变化、用汽负荷限制等原因, 往往达不到额定出力, 甚至远低于额定出力。如1 台4t/h 锅炉, 蒸发量仅一吨多。这样就造成泵流量大于蒸发量不得不间断上水, 负荷越低上水时间越短;

2）几台锅炉共用一台给水泵, 由于用汽负荷限制仅烧一台锅炉, 也造成间断上水。

锅炉实际运行中, 由于上水时间短, 仅为运行时间的1/4一1/3 , 省煤器漏风大, 造成烟气余热利用率降低。在非上水时间内，由于省煤器内给水不流动，被烟气不断加热后, 由于省煤器内给水不流动, 被烟气不断加热后, 温度升高.烟气给水温差更小, 传热效果更差。由于不流动, 给水容易汽化, 产生汽水分层.再次上水时,流动阻力增大, 而且易产生水击和爆管事故。由于小锅炉无除氧设备, 给水温度升高后，氧气从水中析出附着在管壁上, 易造成有氧腐蚀。由于间断上水, 给水温差变化大, 省煤器管忽冷忽热易产生裂纹。针对以上弊端, 为了冷却省煤器, 有的单位就采用省煤器和水箱组成的循环系统。因锅炉负荷低, 给水流经省煤器后仅少部分进锅炉, 大部分又回到水箱进行循环。该方法其实亦不可取。此循环中, 给水吸收的烟气热量又被送回水箱, 通过不断散热, 水箱只起到一个” 散热器” 作用, 热量并没更多被利用，而且又水箱多消耗了电能[22-23]。

解决省煤器间断上水问题比较困难, 可采取以下几个措施：

1）使用给水泵流量应和锅炉额定蒸发量匹配, 严禁小炉配大泵；

2）购置新炉时，应按照用户用汽负荷选择额定蒸发量与其匹配锅炉, 严禁大马拉小车；

3）尽量提高现用锅炉的负荷率, 尽量增加上水时间, 上水次数要勤, 每次时间要短[24]。

（3）省煤器堵灰问题

飞灰粒径很小, 约10一30μm。但相对其表面积较大, 在和管壁接触时, 很容易被吸附，因此带有灰粒的烟气流经省煤器时, 总有部分灰粒会沉积下来形成积灰, 造成的危害有:

1）由于灰垢的导热系数远小于铸铁, 且小于水垢约一个数量级, 因此省煤器积灰后, 会严重影响传热效果;

2）积灰造成烟气流通面积减小。特别是漏风造成低温腐蚀后，凝结的硫酸会粘结烟气中的灰粒, 使其沉淀在潮湿的受热面上, 不仅腐蚀设备, 并且造成堵灰。堵灰会使引风机过载, 降低锅炉出力, 甚至被迫停炉[25-28]。

烟气中带有灰粒, 会造成省煤器积灰, 但堵灰是可以预防的。因积灰属干燥松散灰, 其积聚程度与烟速有关，可通过提高烟气流速减少积灰，也可定期进行吹灰。堵灰由设备低温腐蚀造成，可通过减少漏风，控制排烟温度避免堵灰[29]。

4.结束语

热管省煤器在制造成本和使用寿命上具有传统省煤器无法比拟的优越性,可使企业获得显著的经济效益。热管设备以其投资少、见效快、抗腐蚀、使用寿命长等特点越来越受到广大消费者的青睐,热管省煤器在余热回收领域有着广阔的前景[30]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、课题内容和要求

25t/h重油炉热管省煤器的设计

设计一台热管式省煤器，用于回收25t/h重油炉的废气余热，加热锅炉给水，达到节能减排的目的。燃料为180#重油，废气温度335℃，降温至～160℃，燃料消耗量925kg/h，水平走向。进水温度60℃，进水流量25t/h，进水工作压力0.6mpa。