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热一、中小型锅炉使用现状及对策

1、中小锅炉运行水平的现状

据了解，其中中、小型企业使用的锅炉一般为20t/h以下的快装锅炉，较大型企业使用的锅炉为35t/h以上的循环流化床锅炉。小型企业锅炉使用中存在以下问题：1、排烟温度较高，一般在200-230℃之间，其热损失较大。2、助燃空气为冷风，炉膛燃烧温度较低，灰渣含碳量较高。大型企业使用的锅炉存在问题如下：1、尾部受热面（省煤器、空气预热器）磨损较为严重，平均两到三年需更换。2、排烟温度为150℃左右，仍有较大的回收潜力。

2、原因分析

我国工业锅炉的设计热效率一般是比较高的，通常可达75~80%。各种产品的鉴定热效率也较高，一般可以达到和超过设计热效率。但是，锅炉的运行热效率却普遍较低，根据大量测试统计，通常要比设计热效率低8~10%以上。热效率降低的主要原因是由于锅炉排烟温度升高，过量空气系数过大以及灰渣含碳量过高所引起，也就是主要是由锅炉排烟损失和机械不完全燃烧热损失增加所引起。

我国工业锅炉设计的炉膛受热面一般较多，即炉膛的水冷程度较大，使炉膛温度相对较低，在煤种变次的条件下，引起不完全燃烧损失增加。同时由于链条炉里煤的燃烧是在炉排向前运动的过程中，由煤层表层逐渐向深部燃烧。由于煤的导热性差，在鼓冷风的条件下，煤层温度较低，如煤层厚度调整不当，会使灰渣含碳量大大增加。

根据工业锅炉运行经验，在调整得当的条件下，链条炉的灰渣含碳量可在10%以下，而目前实际运行的锅炉，灰渣含碳量平均在20%左右，差的情况则达到30%以上。一般，灰渣含碳量增加2.2%，约使机械不完全燃烧损失增加1%。因此，由于灰渣含碳量增加，通常使工业锅炉的运行热效率降低约4~5%。

在许多锅炉中，由于燃烧情报况欠佳，司炉往往加大风量，加上锅炉配风特性较差及锅炉密封不好，引起漏风增大，使锅炉排烟过量空气系数增加很多。在正常条件下，链条炉的排烟过量空气系数约为1.6~1.7%左右，而实际锅炉的排烟过量空气数经常在2以上，有的甚至达到3以上，因而使排烟热损失增加很多。一般，过量空气系数增加0.1，约使排烟损失增加0.7%。因而，在实际锅炉中，由于过量空气系数增加，往往使排烟热损失增加2~3%以上。

在锅炉运行中，由于受热面积灰等原因，往往使锅炉排烟温度增加，使锅炉排烟热损失增大。在带有省煤器的锅炉中，由于许多用户采用间断给水方式，省煤器不能有效运行，损坏严重，造成排烟温度进一步升高。通常，排烟温度每升高15℃，排烟热损失约增加1%。如排烟温度升高30~50℃，则排热损失将增加2~3%。

此外，由于炉膛温度较低，化学不完全燃烧损失通常比设计值增加约1~2%。因此，在实际运行的锅炉中，由于上各因素的影响使锅炉运行热效率往往比设计值降低约3~10%以上。

3、提高工业锅炉运行热效率的关键

由上述分析可见，提高工业锅炉运行热效率的关键是提高炉膛和煤层温度，同时能充分利用锅炉排烟的余热。因此，在锅炉尾部加装空气预热器或水预热器是一个非常有效的措施。根据上海市在4吨/时快装锅炉上加装管式空气预热器的经验，将风温提高到60℃，即可使炉膛温度从1000℃提高到1250℃，灰渣含碳量小于15%，锅炉效率提高约7%，锅炉出力普遍由原来不到3吨/时提高到4吨/时。无锡市近百台小型快装锅炉加装空气预热器后，当风温比室温提高60℃时，炉膛火焰温度可达到1250~1300℃，使燃料着火明显改善，煤种适应性增强，锅炉效率显著提高。南京友谊服装厂2吨/时快装锅炉上加装热管空气预热器后，灰渣可燃物降低约7%，排烟热损失降低约6%，锅炉热效率提高约10%。南京锅炉厂在4吨/时快装锅炉上加装热管空气预热器后，炉膛温度提高100℃，灰渣含碳量降低6%，飞灰含碳量降低15%，锅炉效率提高6%以上。由以上例子说明，在小型工业锅炉中加装空气预热器，采用热风助燃，可以取得明显的效果，是一项重要的节能措施。

一般，根据理论计算，当空气温度由20℃提高到100℃时，炉膛理论燃烧温度约可提高60℃左右。在实际锅炉中，由于采用热风助燃后，可使锅炉出力提高，因而炉膛温度的提高往往超过100℃。同时采用热风助燃时，由于热风通过整个煤层，使煤层温度提高，所以，采用热风燃烧对降低机械和化学不完全燃烧损失将十分有效。由于锅炉燃烧得到改善，炉膛过量空气系数可以减少，加上空气预热器吸收锅炉排烟余热，使排烟温度降低，因而排烟热损失可显著减小，这样就使锅炉热效率得到很大的改善。

二、热管技术及热管换热器简述

1、热管技术应用的概况

热管是一种新型的传热元件，它的传热能力可超过同样尺寸的铜、银金属制品的数百倍。热管的原理是在1944年由美国的高格勒（Gaugler，R·S）首先提出，由于当时的传热问题用常规的传热方法和传热装置都可以解决，因而他的发明未能得到引用和发展。

1964年，美国洛斯—阿拉英斯（IOS AIamos）科学室验室的格罗弗（GroVer，G、M）等人独立地重新提出了这种新型传热元件，并且取名称之“热管”。从此，热在传热技术领域里产生了很大和影响，世界上许多国家，特别是美过、前西德、英国、前苏联、日本等国的研究机构、大学和许多公司进行了大量的实验和理论研究工作，使热管技术在能源工程、电子设备、航天、化工、低温、生物、医疗、环保等领域得到了大量应用，并产生了显著的经济成效。

九十年代末以后，随着经济的高速发展，我国已成为世界第二大能源消耗国。由于我国煤在一次能源中所占的比例高达70%，所以对工业用换热设备的技术要求更高，这促使了热管技术在工业余热回收方面的进一步发展。

2、热管原理及热管换热器的构造

以热管作为传热元件的换热器称为热管换热器，与常规换热器比较具有以下的优点：热回收效率高，流动阻力小，可调节换热管壁温，结构紧凑，安装方便，布置灵活，热管元件可单件更换，维修简便，工作可靠，寿命长，抗腐蚀能力强。

热管换热器有气－气换热、气－液换热、气—汽换热三种形式，可用于燃煤、燃油和燃气的各种工业炉窑的余热回收。据一般的经验，热管换热器的投资回收期在一年以内，对于一些效果较为显著的情况，回收期还可缩短到3～6个月。而热管的使用寿命可为5年以上。

由热管作为传热元件组成的热管换热器分上、下流体通道，下通道为烟气流通道、热管的蒸发段处于其间，上通道为空气或水流通道，热管的凝结段处于其间；热管安装座插入带有若干个圆孔的钢隔板、隔板将上、下通道分开，冷流体和烟气之间不能互相串流。

锅炉的排烟流过下通道时，烟气的热量传给热管，热管内的工作介质受热汽化成蒸汽，蒸汽上升到上通道一端。在上通道端，热管内蒸汽受到冷流体冷却凝结成液体，释放出汽化潜热，这部分热量由热管管壳和翅片传出，使流过的冷流体被加热。热管上端内冷凝的的液体在重力的作用下，沿管壁流回到下端，再重复上述的工作过程。这种工作过程不断地循环，烟气的热量就被回收利用。

从上述热管传热过程知道，热管内的传热是利用工质受热汽化吸收汽化潜热和冷凝释放出汽化潜热来进行的，传递的热量是工质的汽化潜热。物质的汽化潜热比它的显热大得多，例如：在1个大气压力的条件下，1克水温度变化1℃只能吸收（或放出）1卡的热量，而1克水变成蒸汽则而吸收539.6卡的热量，可见热管的传热能力是很强的。

三、热管换热器与传统空预器及省煤器的对比

除了小型工业锅炉没有尾部受热面外，大多数工业锅炉尾部装有铸铁或钢管省煤器，中型工业锅炉尾部装有钢管省煤器及钢管空气预热器。下面将热管式省煤器、热管式空预器和铸铁式省煤器、列管式空预器做一对比。

铸铁省煤器的优点：耐用、承压（给水泵可装在省煤器入口），价格低；

缺点：重量大、外形尺寸较大、容易堵灰、结构复杂（由肋片管及铸铁弯头连接而成）。

热管省煤器的优点：耐低温腐蚀性能好，在同样烟气温度条件下壁温较高，结构紧凑、体积小、重量轻，烟气侧阻力可以设计得较小；

缺点：价格略高，通常水侧为常压。

传统的工业锅炉采用管式空气预热器来预热空气。

管式空气预热器的优点是：价格低、制作简单、已形成系列化产品。

缺点是：传热系数低，结构庞大，维护工作量大。此外在排烟温度较低时，在烟管内容易发生低温腐蚀和堵灰的问题，造成管式空气预热器工作失败，破坏锅炉正常工作。

热管式空气预热器的优点是：换热效率高、结构紧凑，而且管壁温度较高，对防止低温腐蚀和粘结性积灰有利，维修方便。

缺点是：价格比列管式略高，产品系列化程度有待提高。

四、热管式换热器防止低温腐蚀与积灰的机理

管式空气预热器和省煤器烟管内发生低温腐蚀与堵灰的问题一直是影响锅炉安全与经济运行的重要因素，尤其是在燃烧高硫燃料时，问题更为突出。采用热管式换热器，由于管壁温度较高，而且烟气侧壁温可以通过设计进行调节，对防止烟气侧低温腐蚀和堵灰更为有利。因而，热管换热器在工业锅炉中发展具有更好的前景。

低温腐蚀与积灰机理

燃料中的硫分在燃烧时与氧化合形成SO2，其中有小部分再被氧化，生成SO3。烟气中水蒸汽的露点温度是不高的，根据水蒸汽含量的多少，一般约为40~60℃，但如果烟气中含有SO3，则与水蒸汽形成硫酸蒸汽，使烟气的露点温度大大提高，称为酸露点。烟气中SO2氧化为SO3的转换率与燃烧方式及燃料种类有关。一般链条炉的转换率为2~3%，煤粉炉的转换率为0.5~0.8%。

图1示出链条炉与煤粉炉中烟气露点温度与燃料折算含硫量的关系。

当锅炉受热面的壁温低于烟气的酸露点温度时，烟气中的硫酸蒸汽就开始凝结，在锅炉受热面上形成酸膜。引起受热面腐蚀。同时，凝结的酸膜粘附飞灰，并与受热面上的积灰起化学反应，引起积灰硬化，形成以硫酸钙为基质的水泥状物质，严重的积灰又使管壁温度降低，凝结的酸液更多，这样就使受热面的积灰与腐蚀越加严重，直到管子堵塞，造成严重的腐蚀与堵灰，对锅炉工作的影响很大。

受热面的腐蚀速度与壁温的关系如图2所示。

由图可见，随壁温降低，受热面腐蚀速度呈波浪形曲线变化。这是由于腐蚀速度与硫酸凝结量，硫酸浓度及管壁温度等多种因素有关。硫酸凝结量愈多，腐蚀愈严重，壁温愈高，腐蚀速度愈大，而腐蚀速度与硫酸浓度的关系不成正比，当硫酸浓度降低到56%左右时，腐蚀最为严重。因此，随受热面壁温降低，当达到酸露点a时，由于硫酸蒸汽凝结而使腐蚀速度增加，到b点时达到最大。之后，由于壁温降低，使腐蚀速度减小，到C点时由于凝结的酸液浓度降低到56%，达到最大腐蚀速度区的浓度而使腐蚀速度增加。到d点时，达到水蒸汽露点大量水蒸汽开始凝结，此时，不仅烟气中的SO3溶于水中，而且烟气中的大量SO2也能直接溶于水中，形成亚硫酸溶液（H2SO3），同时烟气中HCL等也溶于水中，因而使腐蚀速度剧烈增加。由此可见，随受热面壁温降低，存在两个腐蚀强烈区，一个是在低于酸露点约20~30℃区域，一个是在水蒸汽露点以后，在两个腐蚀区之间，大致从水露点以上20℃到105℃之间，存在一个腐蚀轻微区，其腐蚀速度通常小于0.2mm/年。这样的腐蚀速度在工作中是允许的。

由以上腐蚀过程的分析可见，在设计空气预热器时，如果保持受热面的最低壁温大于酸露点温度，则受热面不会发生腐蚀，也不会引起粘结性积灰，因而工作十分可靠。但是，要满足这样的条件，锅炉排烟温度将过高，使锅炉效率降低，影响锅炉经济性。为此，通常将锅炉最低壁温设计在轻微腐蚀区，大致保持在80℃以上，使低温段的腐蚀不致十分严重。可是，在管式空气预热器中，实际运行时，在锅炉启动、停炉及低负荷运行时，由于烟气流速降低，且分布不均匀，使部分烟管积灰，同时烟温降低，常使受热面壁温度降到水露点温度以下，从而引起严重的腐蚀与积灰，逐步将管子堵死和烂穿，严生影响锅炉的正常工作。

热管空气预热器壁温的提高

在管式空气预热器中，烟气侧管壁温度可由下式求出

式中αy、αk—分别为烟气侧和空气侧放热系数；

Hy、Hk—分别为烟气侧和空气侧受热面；

θy、tk—分别为烟气和空气温度；

Tb —烟气侧受热面壁温；

Δt —金属管壁温差。

这样可得：

五、全自动声波清灰器在热管式换热器上的应用

常规吹灰器

常规吹灰器清扫受热面灰尘的基本原理是利用过热蒸汽或空气直接喷射到受热面上吹落灰尘。当热器受热面大、排数多时，介质直接吹扫受热面的面积有限，不可能做到全方位。因此，常规吹灰器的吹扫面积受到限制，吹灰效果不理想。而且由于机械或电机故障等因素，吹灰器很容易损坏。

声波吹灰器原理

声波吹灰器清除灰尘不是依靠介质（过热蒸汽或空气）直接接触受热面吹扫灰尘，而是利用介质通过声波吹灰器产生的声能，振动灰尘粒子使之脱离受热表面，达到清灰的目的。由于声波可以全方位传播能量, 因此声波吹灰器真正实现了全方位清灰作用，包括涡流区内的灰尘都可以清扫干净，清灰除焦效果好。

我公司生产的ZSB-70共振哨声波吹灰器，利用流体动力学理论，将压缩流体的能量通过高速气流及声学共振原理，最终转换为频率约1000赫兹，声强达145分贝，和其他声波吹灰器每一台所发出的声强能量相同。而这种吹灰器的最大优点是：

●结构简单，没有膜片、电机等易损零件，不易损坏，基本上不需要维修，寿命长，安装使用方便，声能强度高，吹灰效果好；

●价格低廉；

●在同一吹灰断面上可以布置多台吹灰器，因为这种吹灰器不是布置在炉墙壁面上, 而是直接布置在烟道内的受热面旁。吹灰总管插入到烟道内需要吹灰处受热面的断面旁，吹灰器可以根据需要布置任意数量，每个吹灰器利用螺纹可以方便地旋到吹灰总管道上，因此可以确保所有受热面都能具有足够的声能强度进行吹灰；

●由于烟道保温，隔音效果好，杆式共振哨声波吹灰器工作时对外部工作环境基本上没有影响；

●可以利用过热蒸汽吹灰，也可以利用压缩空气吹灰。目前，ZSB-70共振哨声波吹灰器已在电厂中使用，吹灰效果很好。

ZSB-70共振哨声波吹灰器不但可以用于低温段换热器的吹灰，而且可以用于高温段各换热器的吹灰(如过热器、再热器、省煤器等)，最高使用温度为1000℃。

主要技术参数

1）空气参数：（也可以使用氮气）

压力: 0.3～0.4 Mpa （声波吹灰器连接管处表压力）

温度: 常温

耗气量:1.0～1.2 m3/（min.台）

2）蒸汽参数：

压力： 0.8～1.0 Mpa （声波吹灰器连接管处表压力）

温度： 200～300℃(必须使用过热蒸汽)

耗汽量：6.0～8.0 Kg/（min.台）

3）声波参数:

声波频率: 1000赫兹左右

声压（1米处）:140分贝以上

各种声波清灰器比较

●目前声波吹灰器有次声波及声波两种。次声波对人体有害不推荐使用。声波吹灰器有膜片喇叭式，电动低频脉冲式和杆式共振哨等类型。瑞典科康声力公司推出的是膜片喇叭式次声波及声波吹灰器，这种吹灰器从资料介绍看效果应该是好的。缺点是膜片很容易损坏，而且这种吹灰器只能布置在炉墙上(喇叭口指向炉内)，布置数量受到限制。对于大型炉子来说，由于受热面很大，而吹灰器布置的数量又太少，产生的声能不足以吹扫大面积受热面上的灰尘，吹灰效果受到影响。同时这种吹灰器只能布置在炉墙外，噪声对周围环境影响大，造价也很贵。

●电动低频脉冲式声波吹灰器是利用电动机旋转周期喷出介质产生低频脉冲声波，达到吹灰效果。对于小面积受热面的吹灰效果是好的。缺点是长期工作在高温区时，电机容易烧坏。另外，这种吹灰器和膜片喇叭式一样，只能布置在炉墙上，产生的声能不足以吹扫大面积受热面上的灰尘，吹灰效果受到影响。

●使用空气或氮气吹灰时，不需要加装疏水器。

●在受热面旁如何布置吹灰器以及吹灰器所需布置的数量，需要根据具体情况决定。

六、热管式换热器在造纸行业锅炉上应用的技术方案

1、热管换热器在造纸行业锅炉上的应用方案

近年来，随着热管技术的发展，其工作可靠性已得到较好的保证，而与管式空气预热器相比，其结构紧凑，而且管壁温度较高，对防止低温腐蚀和粘结性积灰有利，因而有更好的发展前景。铸铁省煤器与热管省煤器各有优缺点，如果原来是没有省煤器的锅炉，我们主张安装热管省煤器；如果原来是已有铸铁省煤器的锅炉，如果排烟温度大于180℃我们主张安装热管换热器（空气预热器或省煤器），与已有铸铁省煤器匹配使用，而不拆除铸铁省煤器，具体应用形式根据实际情况确定。我们特别推荐将热管空气预热器安装在铸铁省煤器之后，它适合用于具有铸铁省煤器的小型工业锅炉改造。

对于4t／h以上的工业锅炉，尾部已装有钢管省煤器及钢管空气预热器，如果排烟温度大于160℃时可以在其后加装热管换热器。

在工业锅炉中，余热回收时往往采用组合装置。我们在推广中最为常用的方式是同时加热空气和水的方式，它具有明显的优点：采用热空气助燃对改善锅炉燃着火及燃烧有很大的好处，热空气温度不必过高，大于50℃即可见效果；此外，热水进锅炉或是热水供生活应用也是工厂所迫切要求的。应用组合式换热器是很好的方案，大体上一半热管用于加热空气，另一半热管用于加热热水，气—气与气—水的组合有并联及串联两种。

2、系统安装示意图

3、组合式热管预热器安装示意图

七、应用实例