工业节能技术 教学课件作者 吴金星 3 工业余热回收节能技术

2023/1/1213工业余热回收

节能技术主讲人：Dr.吴金星〔教授〕郑州大学节能技术研究中心2023/1/122内容提纲

气体余热回收利用技术2

液体余热回收利用技术3

固体余热回收利用技术4

余热资源概论1

余压回收利用技术52023/1/123余热资源概论12023/1/124余热余热：广义上，但凡高出环境温度的排气、排液和高温待冷却物料包含的热能，都属于余热。包括：燃料燃烧产物经利用后的排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、冷却水带走的显热。余热性质：属于二次能源，是一次能源〔煤炭、石油、天然气〕和可燃化石原料转换后的产物，也是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩余的热量。2023/1/125式中-表示余热品位的数值；

T0-表示环境温度；

T1-表示余热温度。

余热的品位：工业余热〔或废热〕按照温度等级大体分为三类：高温余热：>600℃中温余热：230～600℃低温余热：<230℃2023/1/126余热通常以固体、液态和气体显热的形式释放出来，其温度范围从液化天然气的-150℃潜热，到高炉炉渣的1400℃显热。余热的种类：2023/1/127〔1〕排气余热：温度范围差异很大，既有200-500℃的中温废气，也有700℃以上高温气体，如转炉炉气高达1600℃以上。〔2〕高温产品和炉渣的余热：工业成品或半成品及炉渣废料都有很高的温度，一般温度在500℃以上，如红焦炭、刚轧制成的热钢材、石油炼制中的汽油、柴油等。〔3〕冷却介质的余热：如高温炉窑和动力、电气、机械等用能设备的冷却水可达100℃左右。〔4〕化学反响余热：如硫铁矿焙烧。〔5〕废气、废液、废料余热：可作燃料，标态发热量可观。〔6〕废汽、废水余热：利用显热可达300℃。余热的种类：2023/1/128余热资源各种锅炉、冶炼炉窖、加热炉、燃气轮机、内燃机等排出的高温烟气余热；可燃废气、废液、废料的余热；高温产品和余渣的余热；需要冷却的设备中冷却介质带走的热量；各种热化学反响释放的热量；热电厂供热后的废气、废水的余热，等。2023/1/129余热利用的策略优先，考虑提高装置热效率，减少余热；其次，考虑回收余热能否返回到装置本身；最后，研究余热回收的其他利用方案。2023/1/1210根据余热资源的数量和品位及用户需求，尽量做到能级匹配，在符合技术经济原那么的条件下，选择适宜的系统和设备，使余热发挥最大效益。余热回收的难易程度及其回收的价值，与余热的温度上下、热量大小、物质形态有关。根据“先易后难，效益大者优先〞的原那么，按以下图的顺序进行回收。其中，以数量大的高温气体的热回收最为容易，效益也大。余热利用总的原那么2023/1/1211余热回收方案优先顺序★工业余热资源按照形态可分为：固体、液体和气体余热。2023/1/1212各种余热回收利用的根本方式2023/1/1213表1我国主要工业余能及其利用方法余能种类形态回收方式回收产物余热用途产品、炉渣的显热固体载热固－气换热器、固－水换热器热风、蒸汽、热水供热、干燥、采暖、发电、动力、制冷锅炉、窑炉、发动机的排气气体余热余热锅炉、空气预热器、热管换热器、热泵蒸汽、热风、热水内部循环、干燥、供热、发电、动力、采暖、制冷、海水淡化工艺过程冷却水液体余热换热器、热泵、蒸汽发生器热水、蒸汽锅炉给水、供热、采暖、制冷副产品可燃气化学潜热余热锅炉燃料、蒸汽、热水发电、动力、供热、采暖、制冷工艺过程的余压余压能水轮机、燃气轮机发电、动力2023/1/1214表2我国各类工业部门的余热来源工业部门余热来源余热约占部门燃料消耗量的比例（%）冶金工业高炉转炉平炉均热炉轧钢加热炉33化学工业高温气体化学反应可燃气体高温产品等15机械工业锻造加热炉冲天炉退火炉等15造纸工业造纸烘缸木材压机烘干机制浆黑液等15玻璃搪瓷工业玻璃熔窑坩埚窑搪瓷转窑搪瓷窑炉等17建材工业高温排烟窑顶冷却高温产品等402023/1/1215余热回收技术及设备1、高温余热回收利用技术及设备；2、中温余热回收利用技术及设备；3、低温余热回收利用技术及设备。2023/1/1216余热回收技术及设备1、高温余热回收利用技术及设备(1)高温废气，采用余热锅炉回收余热，生产蒸汽用于汽轮机发电；(2)回收高温〔>600℃〕气体余热，采用既能回收对流传热又能回收辐射传热的高温气体用换热器；(3)综合回收利用，先用余热锅炉生产蒸汽，再用换热器，加热其他物料，或生产生活用热水。2023/1/1217余热回收技术及设备2、中温余热回收利用技术及设备①蒸汽锅炉空气预热器②高温同流换热器③炼焦炉同流换热器④燃气轮机换热器⑤气体-液体热交换装置，即省煤器。

2023/1/1218余热回收技术及设备3、低温余热回收利用技术及设备⑴热管技术：防止余热回收过程中的设备腐蚀；⑵热泵技术：提供低温余热的品位；可能的热用户：1〕预热空气或煤气，2〕预热枯燥物料，3〕余热制冷。2023/1/1219一、低温余热的直接利用1〕预热空气或煤气2〕预热或枯燥物料3〕生产蒸汽或热水4〕余热驱动吸附式制冷二、高温余热的梯级利用：余热锅炉发电生产用汽生活用热水三、中低温余热的综合利用〔换热器、热泵〕余热回收利用途径2023/1/1220余热回收方案比较的根本原那么1〕回收效率尽可能高；2〕回收本钱尽可能低，或投资回收期尽可能短；3〕适应负荷变化的能力强。2023/1/1221

气体余热回收利用技术2——热风炉烟道废气余热回收

2023/1/12225.2.1热管式换热器

2023/1/1223热管为一封闭的管状元件，有一管状外壳，内有起毛细输送作用的管芯，管内抽空后充以工作液体，然后封闭起来即成热管。1、热管定义2023/1/1224绝热段蒸发段冷凝段液体蒸汽排热加热管壳管芯管芯管壳蒸汽通道毛细管式热管结构示意图2023/1/1225优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠；适用：尤其适用于某些等温性要求较高的场合。2、毛细管热管的工作原理2023/1/1226热管的工作原理把带有翅片的金属管密封抽成真空后，灌入热媒体〔工质〕，受热端置于热风炉烟道废气管路系统内，冷凝端置于助燃空气或煤气管路系统内。热媒体在受热端吸热蒸发，在压差作用下流向冷凝端，在冷凝端放出潜热传给管外的助燃空气或煤气，蒸汽又凝结成液体，在重力作用下又流回受热端。如此反复循环，热量不断地从受热端传入冷凝端，到达换热目的。2023/1/12273、重力热管的工作原理

别离式热管2023/1/1228重力式热管的结构和工作原理：翅片翅片2023/1/12294、热管的工作介质热管最大的特点是：在有引力和磨擦损耗的情况下，完全从热输入中得到液体和蒸气循环所必须的动力，不用使用外加的抽送系统。热管的传输效率比相同尺寸铜棒高500倍，比不锈钢棒高6300倍。2023/1/1230根据热管使用温度，热管可分为：低温热管〔cryogenicheatpipe〕，中温热管〔lowtemperatureheatpipe〕和高温热管〔hightemperatureheatpipe〕。其工作温度范围依次为-73℃以下，-73-277℃和277℃以上。其中，以中、高温热管在工业中的应用最为深入。根据热管工作原理，热管可分为：重力热管、毛细管式热管及旋转式热管。其中应用最广的是重力热管，它广泛应用于工业与热回收系统。5、热管分类2023/1/12316、热管主要特性〔1〕有效热导率非常高。热管传热主要靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量，且多数工质的潜热很大，因此不需要很大的蒸发量就能带走大量的热。〔2〕具有热流密度变换能力。热管中蒸发和冷凝的空间是分开的，因此可实现热流密度变换，蒸发段可用高热流密度输入，而冷凝段可用低热流密度输出，反之亦然。〔3〕具有低热阻的等温面。热管运行时，冷凝段外表的温度趋向于恒定不变。如果局部加上热负荷，那么有更多的蒸汽在该处冷凝，使温度又维持在原来的水平上；同样，蒸发段也存在等温面，热管工作时，管内蒸汽处于饱和状态，蒸汽流动和相变时的温差很小，而管壁和毛细芯比较薄，所以，热管的外表温度梯度很小，即外表的等温性好。2023/1/12327、整体式热管换热器

2023/1/1233整体式热管换热器工艺流程1-引风机；2-煤气换热器；3-助燃风机；4-空气换热器；5-热风炉；6-烟囱

1〕根本工艺流程2023/1/12342〕特点〔1〕可预热助燃空气和煤气，结构简单。〔2〕大直径的助燃空气管道和煤气管道往返较多，增加了投资。2023/1/12358、别离式热管换热器〔蒸发段〕2023/1/12361〕别离式热管换热器的工作原理受热端和冷凝端置于不同的换热器内，受热端和冷凝端之间用蒸汽连接管与液体连接管相连；热媒体在受热端被热风炉烟道废汽加热成蒸气，通过蒸汽连接管送到冷凝端；蒸气在冷凝端被煤气或助燃空气冷却后凝结成液体，冷凝液通过液体连接管返回到受热端。液体的返回是由受热端与冷凝端位置的高差实现的。2023/1/12372〕工艺流程2023/1/12383〕特点制造比较容易，易于大型化，占地面积小，布置灵活。4〕缺点受热端和冷凝端的别离距离和高差有一定限制。2023/1/12399、热管节能应用〔1〕CPU芯片散热器热管CPU芯片是计算机的核心局部，其性能的好外直接控制了计算机的性能。然而，CPU的散热问题制约了CPU性能的进一步提升，常规的散热技术有时已显得无能为力。而CPU芯片散热器热管那么可以大大提高CPU的散热性能，使CPU的性能得以进一步提升。2023/1/1240〔2〕反响器内热管反响器内热管的主要特点是：利用热管的等温性能，使反响器内触媒层轴向和径向温度分布均匀，从而使反响始终在最适宜的反响温度区间进行，使转化率提高，副反响减少，触媒利用率提高、寿命延长；热管还能及时补充化学反响热(对吸热反响)或导出化学反响热(对放热反响)。2023/1/1241〔3〕高温热管蒸汽发生器〔余热锅炉〕某化工厂回收半水煤气的余热，已平安运行了十几年。煤气流量为135000m3/h，温度为950℃，通过高温热管蒸汽发生器将其温度降至250℃，每小时可生产4t蒸汽，蒸汽压力高达。蒸汽可以供暖。按照全年运行时间为7200h，每吨蒸汽按40元计，那么全年可回收价值万元。2023/1/1242〔4〕空调用热管换热器空气预热热回收装置(热回收量到达346KW)2023/1/1243〔5〕热管应用于青藏铁路TSC89—7/2—Ⅱ型低温热管。这些热管等距离地排列在青藏铁路某段的两侧，5米长埋入地下，地表外露2米，能将地下永冻土层的温度〔热量〕传递到路面，保持冻土的恒温。2023/1/1244青藏公路上的热管2023/1/1245思考题CPU芯片散热器热管从CPU端依次可划分为

三个阶段。A.绝热段、蒸发段和冷凝段B.冷凝段、蒸发段和绝热段C.冷凝段、绝热段和蒸发段D.蒸发段、绝热段和冷凝段D2023/1/12465.2.2热媒式换热器

2023/1/1247一.工作原理热媒体在循环泵的强制驱动下流入烟气换热器中的钢管内而被热风炉烟道废气加热；冷却后的热风炉烟道废气通过烟囱排入大气；加热后的热媒体流入助燃空气换热器和煤气换热器的钢管内，将热量传递给助燃空气和煤气；冷却后的热媒体经过循环泵再次送入烟气换热器内加热，如此循环。

2023/1/1248热媒式换热器工艺流程1－烟囱；2－烟气换热器；3－循环泵；4－热媒体贮罐；5－供给泵；6－煤气换热器；7－助燃风机；8－助燃空气换热器；9－膨胀罐；10－外燃式热风炉二.工艺流程

2023/1/1249三.优点节省材料，占地面积小，布置紧凑，热效率高，气密性好，可以通过调节热媒体的流量来调节预热助燃空气和预热煤气之间的热量。四.缺点设备比较复杂、投资较高。2023/1/12502.烟气余热回收的途径3.低温露点腐蚀4.以烟气为热源的空气预热器1.工业烟气余热概况5.2.3工业锅炉烟气余热回收2023/1/12511.工业烟气余热概况燃煤火电厂大约41万个工业锅炉18万个工业炉窑。这三类燃煤大户分别占我国煤炭消耗量的30％、30％和20％。2023/1/1252

加热工艺介质余热锅炉发生蒸气预热炉用燃烧空气2.烟气余热回收的途径2023/1/1253空气预热器余热回收锅炉2023/1/12543.低温露点腐蚀

低温露点腐蚀机理关键是SO3的生成烟气带有大量的水蒸气燃料中硫燃烧后全部生成SO2，少量的SO2再与氧化合形成SO3。当烟气温度降到400℃以下时SO3将与水蒸气化合生成硫酸蒸气硫酸蒸气凝结到受热面上，发生低温硫酸腐蚀2023/1/1255防止低温露点腐蚀的措施提高空气预热器换热面的壁温提高空气预热器入口的空气温度，可以提高预热器冷端换热面的壁温，防止结露腐蚀。在管式空气预热器内将管子水平放置，使烟气在管外横流冲刷换热面，空气在管内纵向流动。这样设计的预热器，其壁温比立式管〔烟气走管内〕稍高，对减少低温腐蚀有利。假设将尾部换热面的壁温控制在稍高于烟气的露点温度，可以完全防止露点腐蚀的发生。一般取金属外表温度比露点温度高5℃～10℃。采用耐腐蚀材料。2023/1/12564.以烟气为热源的空气预热器空气预热器型式按传热方式分间壁换热式：管式和板式预热器蓄热换热式：回转式空气预热器按构造型式分管式预热器：钢管、玻璃管、热管、铸铁翅片管等板式预热器2023/1/1257回转式空气预热器工作原理和结构换热元件由转子带动回转，烟气和空气分别由上、下逆向流过。2023/1/1258回转式空气预热器工作原理和结构换热元件由转子带动回转，烟气和空气分别由上、下逆向流过。结构图2023/1/1259优缺点优点：换热外表上冷凝的酸液量和硫酸浓度不断变化，露点腐蚀比管式空气预热器轻。快速流动的空气可以起到一些吹灰作用，减少了积灰。因换热元件连续转动，只一个单孔摆动式吹灰器，就可吹到冷端截面上各个部位的积灰。便于对腐蚀后的元件进行更换或调换放置位置缺点：有转动部件，故漏风量较多，能耗大，制造要求较严格，造价较高。2023/1/1260单体图

钢管式空气预热器预热器型式立式：烟气走管程，空气走壳程。卧式：烟气走壳程，空气走管程。2023/1/1261单体图组合图

钢管式空气预热器立式和卧式空气预热器均可由几个单体所组成。组合图2023/1/1262优缺点结构简单、制造容易、价格廉价、无转动部件等。换热面密度小、当量直径大、所占地面或空间较多，特别是低温区受热面的露点腐蚀和积灰堵塞较严重，因而阻碍了加热炉热效率的进一步提高。安装把钢管式空气预热器直接放在对流室顶部。把预热器放置在炉侧地面的根底上或钢架上，将对流室的烟气引下来，通过空气预热器和引风机后再将烟气由烟囱排出。优点：缺点：上置式：下置式：2023/1/1263玻璃管空气预热器

当需要进一步提高加热炉热效率，降低排烟温度，而在采用金属预热器会遭受严重腐蚀的情况下，才考虑用玻璃管空气预热器。由于玻璃管空气预热器不能承受高温，适宜在烟气露点温度以下工作，它是作为一种防腐措施付诸应用的，所以一般都是和其他型式的预热器联合使用。结构型式

与钢管空气预热器不同之处：玻璃管与两端管板的连接；管箱中装有假设干支撑钢管；玻璃管空气预热器中间不能设置隔板；装有2～3排保护钢管；玻璃管的长度不易过长等等。2023/1/1264热管式空气预热器2023/1/1265热管结构两端密封的金属管具有较高的外表张力、密度、润湿能力和导热系数；较低的粘度和较好的化学稳定性。工质：吸液芯：

起毛细泵的作用，结构材料有织物、玻璃纤维、多孔金属和金属网等。气-气热管换热器热管换热器是由许多单根热管组成的，所有热管互不连通，外部有管箱，中间有隔板，冷、热流体分别由热管的两侧通过，到达换热的目的。壳体：2023/1/12662023/1/1267气-气热管换热器的特点:

管外气体的对流传热系数较低，管内工质冷凝时的对流传热系数很大，故在管外需加装翅片。管子可以排列成错列或直列两种形式。换热能力和压力降与管束排数、排列方式和管心距有关。直列管组的传热系数为错列管组的80%，而直列管组的压力降为错列管组的50%。热管式空气预热器的安装：根据安装位置的情况将热管倾斜或垂直放置。2023/1/12682023/1/1269热管与钢管联合预热空气当炉子排烟温度较高，在350℃以上时，可以考虑使用热管与钢管联合预热器。热管单独使用承受不了300℃以上的高温，而钢管式空气预热器又不耐低温腐蚀，因此，假设将两者结合使用，可以优势互补。为强化钢管预热器的传热过程，可采用扰流子翅片管。翅片增加了传热面积，扰流子使流体旋转，产生径向对流，促使边界层减薄，到达强化传热的目的。2023/1/1270热管与钢管预热空气串联余热回收系统1-加热炉2-扰流子翅片管空气预热器3-热管空气预热器4-鼓风机5-引风机6-烟囱2023/1/1271板式空气预热器由大量的平行的平板或各种冲压的波纹板组合而成，烟气和空气在板间错流而行进行热交换。板式空气预热器流向气-气换热板式预热器2023/1/1272传热性能好，同样流速的条件下其传热系数为钢管式预热器的～倍；压力降小，压力降仅为钢管式预热器的2/5～3/5；结构紧凑，单位体积能提供的传热面积大；节省金属，板厚和翅片相仿，仅1mm多；抗腐蚀性能好，板材外表易进行多种处理，如涂防腐涂料、渗铝以及“搪玻璃〞等，使其冷端抗硫酸腐蚀能力大大提高，国外已能用于烟气温度达65℃；清灰垢可用水冲洗；适合优化设计及工厂制造。板式空气预热器特点：2023/1/1273例1.工业烟道气余热利用节能应用1、问题背景介绍各种锅炉、窑炉均会产生烟道气，排放温度高达350~450℃，如果不进行废热回收，其能量浪费相当惊人，应采取措施回收烟道气中的余热。2、节能方法利用烟道气的余热，加热进入炉子的空气，回收烟道气的余热。其工作原理图见图3-54，需要增加三个设备，分别是空气预热器、引风风机、〔通风风机〕。2023/1/1274炉燃料空气预热器

引风风机通风风机方案图烟道气2023/1/12753、节能效果评价

表3-18三种不同方案的节能效果数据热交换器面积，m2热能回收价值，万元/年增加的投资，万元/年增加的年运转费万元/年静态资金回收期70001031163.61.17520082913180.96如果以5年静态的节能收益来看，三个方案的是收益分别381万、304万、239万，第一个方案为最正确，5年总收益最大。如果从单位投入资金5年回收率来看，三个方案的回收率分别为、、，第二个方案为最正确。具体选用哪一个方案，需视资金筹措情况而定。资金紧张时可选用第三个方案，资金充裕时可选第一个方案。2023/1/1276例2.炼铝矿热炉烟气余热回收节能1、问题概况在矿热炉冶炼过程中产生大量的高温含尘烟气，烟气的主要成份为SiO2，烟尘粒径大局部为～。因此，如果不采取有效的烟气净化装置，这种微小粒径的含尘烟气对室内外环境和人体健康危害很大，同时，烟尘回收也具有较高的利用价值。矿热炉的烟气量为90000Nm3/h，矿热炉出口烟气温度600～800℃，经夹套水冷后的出口温度300～400℃，夹套内水量可调，那么出口温度当然也随之而变。2023/1/1277

2023/1/12782、节能方案余热锅炉矿热炉水平刮板输灰机储存经管道至干燥室内干燥矿石布袋除尘器装袋过热蒸汽2023/1/12793、经济效益分析经过本工程的实施，每年可产蒸汽：吨/小时×24小时×300天＝43200吨，每吨蒸汽按80元计，合计约万元。整个投资约一年半左右可收回。2023/1/1280

液体余热回收利用技术5.32023/1/1281液态余热回收通常采用各种形式换热器。2023/1/1282特点：弓型折流板支撑，壳程流体横向冲刷管束。优点：结构简单、适应性强、选材范围广及本钱低。缺点：存在传热死区，传热效率较低，流动阻力大，易发生流体诱导振动。传统的折流板管壳式换热器2023/1/1283管壳式换热器结构开展高效强化管管束支撑管内插入物横纹管螺旋槽管缩放管螺纹管等

折流杆空心环整圆形孔板螺旋折流板扭带、螺旋扭片静态混合器、螺旋弹簧波带、丝网和多孔体等2023/1/1284特点：〔折流杆等支撑〕壳程流体呈纵向流动。优点：流阻小，高雷诺数时传热效率高。缺点：低雷诺数时传热效率低。纵流式换热器2023/1/1285杆、环式管束支撑2023/1/1286杆式支撑的开展专利技术2023/1/1287变截面导流筒纵流壳程换热器专利技术2023/1/1288整圆形孔板支撑2023/1/1289新型整圆形孔板——花瓣孔板专利技术汲取折流杆对管束的良好支撑功能及流通面积较大的优点，以及整圆形孔板阻挡无效泄漏流的功能，开孔度对壳程流体的调节作用，开发了一种新型“花瓣孔板〞。2023/1/1290花瓣孔板单元流道分析2023/1/1291实验装置2023/1/1292管束自支撑

螺旋肋片2023/1/1293各种管内插入物

2023/1/1294各种高效强化管2023/1/1295各种强化传热管管内强化管外强化2023/1/1296热泵节能技术1、热泵工作原理高温热源TH低温热源TLEnQHQ0热泵热泵热泵是一种能使热量从低温物体流向高温物体的热移动装置。2023/1/1297热泵工作的理论根底：1〕液体汽化需要吸收大量的汽化潜热，反之，蒸汽冷凝放出大量的汽化潜热。如1kg温度为100℃的水变成100℃的蒸汽，需要2256kJ的热量；1kg的水升高1℃吸收的热量是。相变潜热是显热的540倍。2〕液体的沸点与大气压力有关，当大气压增高时沸点随之升高，当气压下降时沸点也下降。如在高压锅炉中水的沸点可升至120℃，而气压为个大气压时，水的沸点只有90℃。2023/1/1298热量Q1做功W热量Q2节流阀冷凝器压气机蒸发器低温处取热T1高温处放热T2低压气高压气低压液高压液高压区低压区压缩式热泵工作原理Q1=Q2+W2023/1/12