1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

改革开放以来，中国发生了翻天覆地的变化，面对持续快速增长的中国经济，对能源的需求，特别是对一次能源的需求不断增长，产生了很多的问题。煤炭开采的安全、利用率、深加工的研发，石油对国外进口的依赖所带来的安全问题，煤层气等个别气体产业化建设问题等等都在制约着中国经济平稳快速发展。中国的能源发展在20年里也取得了很大的成就，实现 GDP翻两番，能源消费翻一番，完成了中国经济增长所需能源一半靠开发、一半靠节约的目标 ^[1]。

1、中国能源的现状和存在问题、解决策略

随着经济建设的推进，资源储量的勘探也越来越清楚。中国地大物博，能源资源丰富，据 2006年中国统计年鉴的数据，全国主要能源的基础储量为：石油 248972.1万t、天然气 28185.4亿m³、煤炭 3326.4亿t；但若以人均拥有量来衡量，中国却是资源贫瘠国，2006年人均石油储量只有 1.9t，人均天然气储量2168m³，人均煤炭储量 256t，分别为世界平均值的 11.1% 、4.3%和55.4%，中国的人均资源储量远远低于世界水平。

中国能源结构不合理，能源消费以煤占主导地位，偏离了世界能源结构以油气为发展趋势的主流。落后的用煤方式、生产设备、管理方式产生了严重的污染，中国经济现代化正面临能源的严峻挑战：能源供需矛盾尖锐、转换方式落后、能耗高、效率低、生态环境破坏严重、经济损失巨大。

1.1 人均能源资源少，供需有差距

中国人口众多，占世界人口的 21%，能源矿产人均探明储量相对较少，煤炭资源可以满足较长期需求，而石油和天然气资源则需要以国外资源作为重要补充，才能满足当前和长远的需求。中国是世界能源大国，一次能源的生产和消费均居世界前列，但人均能源消费水平还很低。

1.2 能耗强度高，效率低

由于我国产业结构的不合理性与管理技术上的落后，尽管在能源消耗上有了很大的改善，但是与发达国家比还是存在很大的差距。中国产业生产和居民生活中大量使用高耗能的落后技术和产品，现有的近400亿m²建筑中，99%属于高能耗建筑。中国发电、冶金、建材、化工等产业消耗全部一次能源的80%左右，单位产品能耗平均高于国际先进水平20%~30%^[2]。

1.3 结构不良,污染严重

能源资源决定了中国能源长期以来是以煤为主的能源结构，不论是火力发电还是工业用煤，都会造成大量污染排放。SO₂ 和 CO₂ 排放量分别居世界第1位和第2位，必须在发展的同时，下大力控制排放，开发新能源。

1.4 解决能源问题的基本战略

面对飞速发展的经济，必须要有一个强有力的能源供应来保证现代化建设，因此我国现阶段能源中存在的问题，要加快研发低能耗或者无污染的新能源的同时大力节能，减少能源的损耗，合理控制污染能源的使用量，增加绿色能源的使用。将”高资源消耗、高污染排放、低经济效益”的”两高一低”发展模式转变为”资源消耗少、环境污染小、经济效益高”的”两低一高”模式。其次，改善能源结构，提高能源利用率，对煤等能源加大洁净化技术的推广。要以保护环境为首位，杜绝先污染后治理的政策。适当调整好能源结构，实现结构多元化，加大对风能、地热能、太阳能等新能源的利用^[3]。

2、目前锅炉省煤器存在的问题

酸腐蚀和磨损造成省煤器受热面管子过早泄露，大量的维修费用也降低了省煤器应用的普遍性^[4]。另外烟气中常带有大量灰粒，特别是采用固体燃料时，大量的灰粒冲击和切削省煤器受热面管子产生磨损^[5]。当燃用发热量低而灰分高的燃料时更易发生磨损。在管壁温度低于烟气露点时，烟气中的二氧化硫、三氧化硫与水蒸气结合形成弱酸或中强酸，对传热元件表面进行酸腐蚀^[6]。磨损和酸腐蚀导致钢管式、铸铁式省煤器的使用寿命很短，甚至不到一个月。热管省煤器与钢管式、铸铁式省煤器相比管壁温度有所提高，但在磨损和腐蚀严重的场合，普通热管省煤器可相对延长使用寿命。为了减小磨损，迎风面可增加防磨护瓦，但这样会增加传热阻力。含硫燃料燃烧后形成的酸腐蚀更加难以防护。在这样的情形下，径向热管也就应运而生^[7-9]。

3、热管和热管换热器简介

热管是一种具有极高传热性能的元件，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离传输而无需外加动力，其工作温度区从～-273℃#8212;-1000℃，基本覆盖了工业炉余热资源的整个温度范围，尤其是对于300℃以下数量极大的低温余热资源，热管技术更能体现其优越性^[10]。因此，在钢铁企业中推广使用热管换热器是节能的有效途径之一。

3.1 热管的工作原理和特性

热管的工作原理如图1所示^[11]。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。热管主要具有有效热导高、热流密度变换能力、低热阻的等温面等特性。

图1 热管工作原理示意图

3.2 热管换热器简介

按照热管换热器中热、冷流体的状态，热管换热器可分为气#8212;#8212;气式、气#8212;#8212;液式、液#8212;#8212;液式、液#8212;#8212;气式。

热管换热器从结构型式又可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微星热管、平板热管、径向热管等^[12]。

热管换热器与其他结构型式的换热器相比较，具有许多的优点，最本质和最独特的优点为：（1）传热性能好；（2）冷、热流体两侧的传热面可以自由布置；（3）传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不掺混，杜绝流体间的掺混现象；（4）具有较高的防积灰堵灰能力；（5）具有较高的抗低温腐蚀的能力^[13]。

3.3 径向热管省煤器

径向热管是部分充填适量工作介质(简称工质)、部分真空的高效传热元件。其结构简图见图2。径向热管在结构上分为外管、翅片、内管和抽真空接头。在外管和内管的环隙抽真空后充填适量工质。烟气热量由外管翅片和外管壁传给工质，工质受热后蒸发沿环隙径向流动，与内管外壁热交换后冷凝，冷凝液由重力作用返回外管内壁，如此反复循环，通过工质的相变实现热量的高效传递^[14-18]。

图2 径向热管结构

径向热管省煤器是由径向热管按一定的排列形式组合而成，其基本结构形式见图 3，图4为外观图^[19-21]。

图3 径向热管省煤器结构简图

图4 径向热管省煤器外观图

和热管一样，径向热管具有以下基本特性：

（1）高导热性。径向热管靠工质的汽、液相变传热，热阻小。与金属相比，基管采用相同材质的径向热管是金属棒的几百倍。

（2） 优良的等温性。径向热管的环隙内的饱和蒸汽压力取决于饱和温度，外管表面温度基本相等。

（3）热流密度的可变性。可改变内外管管径以达到改变蒸发段和冷凝段面积从而改变输入输出热量。

（4）环境的适应性。随着热源和冷源的条件变化，径向热管的外形可作相应改变。与普通热管相比，径向热管抗腐蚀性较强。在相同的环境下，普通热管的蒸发段与冷凝段是分开的，有一定的温度梯度。径向热管的蒸发、冷凝段均布于径向热管环隙的壁面，温度梯度极小，管壁温度相对有所提高。径向热管两端部分外管置于保温层内，与烟气接触的仅是外管翅片段，如图5所示。当翅片基管受到破损时，普通热管立即失效，而对于径向热管来说只是传热效率降低，可继续使用。如果大面积翅片基管均被损坏，这时再考虑更换^[22-27]。

图5 三流程径向热管省煤器主视图

烟气与软化水逆向流动，充分利用温差提高传热效率。普通卧式热管省煤器中的热管需与水平面成5 ^#176;~ 15^#176;夹角，以便冷凝工质迅速返回热管的蒸发段。这样会增大设备体积，特别是热管元件较长的场合。另外，普通热管省煤器的冷侧圆筒需开排孔，组焊后焊接应力大，易产生应力腐蚀形成泄露。并且冷侧圆筒压力相对较高，均属压力容器范畴，制造检验难度相应提高，制造成本也相应提高。而径向热管省煤器的热管元件水平放置，结构紧凑，支撑简单，易于为用户所接受^[28-30]。

4、结束语

由热管元件组成的省煤器具有冷、热流体分开，安装方便，结构简单，占地面积小，不需维修等特点。使用寿命 5～7 年，投资回收期一般在一年之内，提高余热利用率约 30%，节约能源约10%，对其它设备无影响，可减少大气污染^[27]。故热管技术是当今取代铸铁省煤器的更新换代产品，先进的热管技术及其热管节能产品在热回收领域里有着十分广阔的应用前景^[25]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题是30T/H柴油炉热管省煤器的设计。要求设计一台热管式省煤器，用于回收30T/H柴油炉的废气余热。柴油炉燃料为0#柴油，废气温度350℃，降温至不超过125℃，废气量34500Nm3/H，水平走向。回收烟气的热量加热锅炉给水，达到节能减排的目的。进水温度40℃，进水流量30T/H，进水工作压力2.0MPa。要求废气的压力降～400Pa。考虑防腐蚀，传热管的最低壁面温度高于90℃。选用经济合理的技术方案。

根据课题内容，拟采用翅片管式省煤器和径向热管式省煤器相结合的组合式省煤器结构：高温段，由于不存在低温露点腐蚀的问题，为了节约成本，采用翅片管式省煤器的结构；低温段，由于存在低温露点腐蚀的问题，采用径向热管式省煤器的结构。两者间的烟气温度和水温的确定是2个较为关键的数据。为提高受热面的管壁温度，高、低温段均为顺流布置的流程。