技术介绍 / Technical introduction

两相流高效防腐换热器(HFX)专利技术（专利号：ZL 2021 2 1679395.4）是锅炉、工业窑炉、加热炉等尾部低温余热高效回收和利用（新型热传导）的装置，特别适用于锅炉排烟温度的余热回收，已经在国内电力、石油、化工、钢铁等数十家企业大中型锅炉上安装应用多年，具有大幅度回收余热能力，同时保证锅炉不受低温腐蚀，使锅炉节能1.5% ~ 5%。该技术装置在保证金属受热面不结露的前提下，可有效地降低排烟温度和提高锅炉热效率。两相流高效防腐换热器最低壁面温度可控可调，并视作通常“热管技术”的有效延伸和深化发展。两相流高效防腐换热器通过改变锅炉尾部烟气温度和最低壁面温度的函数关系，巧妙地化解了降低锅炉排烟温度与酸露点腐蚀的矛盾，解决了锅炉排烟温度难以降低的世界性难题，为充分利用锅炉余热提供了新的广阔空间，开创了科学可靠的世界性锅炉节能技改新领域。

适用对象 / Applicable objects

● 排烟温度偏高有余热利用空间可以节能降耗的锅炉；

● 采用其它降低排烟温度的方法效果均不显著的锅炉；

● 冶金、钢铁、电力、石油等行业有低温热源可利用的工业窑炉、加热炉等;

● 有一定的布置空间。

产品发明背景

● 锅炉的热损失

众所周知，锅炉的热损失主要体现在排烟损失、飞灰损失、保温散热损失、燃料未完全燃烧损失等等，但排烟损失是最主要的，约占全部热损失的70~80%，所以排烟温度高是锅炉热损失最主要的指标之一。一般来说，利用锅炉烟气余热，每降低排烟温度15℃，可提高锅炉热效率1%，如果能将锅炉排烟温度降低30℃~50℃，锅炉的热效率则可以提高2%-3%以上。那么，对于大型锅炉而言可谓是中低温热源的一次世界性突破。

● 排烟热损失

● 排烟温度是指烟囱出口烟气排放温度？

还是指末级空气预热器出口烟气温度？

锅炉烟气的排烟温度是指：烟气经过锅炉的最后一节换热器（通常为空气预热器），其能量（显热）已经无法继续使用时的

烟气温度，它是衡量锅炉热效率的“标志性”参数。

● 排烟温度高：

优点——避免设备低温酸露腐蚀

缺点——浪费能源

● 排烟温度低：

优点——节能减排

缺点——易造成设备低温酸露腐蚀、结露性堵灰

如果锅炉尾部换热器（空气预热器）的最低壁面温度低于烟气的酸露点（露点温度），那么，将发生酸露腐蚀和结露性堵灰，影响锅炉的安全运行。

适当的提高锅炉设计排烟温度，来保证换热器受热面最低壁面温度高于烟气酸露点温度，是目前锅炉设计的通行做法，所以排烟温度不能够设计的很低，因此也造成了很大的热能损失。

空气预热器壁面温度过低引起堵灰	空预器壁面温度过低引起酸露腐蚀	运用HFX技术改造后的省煤气， 由于其最低壁面温度被自动控制 在酸露点以上，从而有效避免了 酸露腐蚀，大大延长了设备使用寿命。

● 传统锅炉尾部受热面设计出存在的缺陷

新锅炉设计时，排烟温度通常并不算很高（当然，如果与按照杨氏设计理念预设的排烟温度仍显偏高）。但是，运行一段时间以后，排烟温度往往会发生两种看似相反趋势的变化：

是升高，是虚低，这种排烟温度或高或低的变化——其原因何在呢？

按照传统的锅炉设计理念，排烟温度只作为“校核参数”处理，无法被调节与控制，其与设备最低壁面温度之间呈“倍数”函数关系。为了避免尾部受热面发生较为强烈的低温酸露腐蚀，排烟温度不应该被设计的很低。但是，为了追求锅炉具有足够高的热效率，即使明知要出现酸露腐蚀以及积灰（结露性）、漏风等危害锅炉安全运行的问题，也不会把排烟温度设计得很高，否则，会丧失市场竞争力。

因此，无论是小型工业锅炉，还是大型电站锅炉，传统锅炉设计中的排烟温度只好在两难之间做出无奈的选择——排烟温度不允许设计得很高，但最低壁面温度通常又无法控制在烟气酸露点以上，最终导致低温酸露腐蚀现象在所难免。

随着运行时间的推移，低温酸露腐蚀与积灰（结露性）程度同步增加，相互作用及影响并恶性循环。

积灰——导致受热面换热能力下降排烟温度上升，积灰后受热面壁温度降低易结酸露，而且在350℃以下被黏结的积灰易吸附三氧化硫使腐蚀加剧，若腐蚀引起漏风，将使烟温进一步降低，从而加剧腐蚀与积灰的程度并将恶性循环。

漏风——使大量冷空气漏入烟道，既增大风机电耗，又造成炉膛缺风，使燃烧恶化。积灰严重时将形成堵灰，不仅影响传热，而且可能因烟道阻力剧增而限制锅炉出力，甚至被迫停炉。

这就是为什么新锅炉设计时排烟温度不算高，但运行一段时间后会逐渐升高，最后又会给人以“排烟温度虚低”的假象，并使锅炉真实运行工况出现急剧恶化的根本原因。总之：在锅炉最低壁面温度无法实现可控可调、不可能保证其始终高于酸露点温度时，如果人们没有意识到排烟温度普遍存在“虚低”现象的物理本质时，往往还会产生“锅炉效率还可以”的错觉。这样，它比锅炉正常运行时真实排烟温度较高的状况具有更大的危害性，因为空预器运行状态急剧恶化，大量冷空气流入炉膛，不仅使锅炉本身的真实热效率大幅度降低，还引起锅炉动力消耗的等量幅度增加，完全偏离锅炉的最初设计工况。

传统空预器的温度曲线	热管换热器的温度曲线

两相流高效防腐换热器基本原理与核心内涵

● 设计理念的创新

在换热器设计理念上进行创新，首次提出以最低壁面温度作为第一设计参数，改变了排烟温度和金属壁面温度之间的函数关系，在世界上首次将换热器的金属壁面温度处于可控可调状态，从根本上解决了低温腐蚀难题，大幅度回收了锅炉余热，实现了安全可靠、便捷高效的节能目标。

“相变段”的概念是将原来热管换热器中一根根相互独立的热管，构造成整体热管，保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降；同时，利用“相变段”将被加热介质（如空气、水）温度适当提高；被预热的空气可保证下级空预器的安全，解决了低温腐蚀问题；被加热介质回收烟气余热，实现节能目的。

HFX通过对“相变段”水量的调节，对受热面最低壁面温度实行闭环控制，实现了壁面温度的恒定和调高调低，使换热器金属受热面最低壁面温度始终处于可控可调状态，在相当大幅度内适应锅炉传热负荷的变化，使排烟温度和壁温保持相对稳定；保持金属受热面壁面温度较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现；HFX的最低壁温不仅设计时可以任意选取，且在锅炉运行时可通过自控设备非常容易的保持一个恒量。例如70%负荷时，如希望最低壁温保持不变（仍为105℃）则通过自动控制，排烟温度会自动由105℃升至110℃，而使最低壁温仍保持在110℃- 5℃=105℃的水平上。

两相流高效防腐换热器的温度曲线图

● 两相流高效防腐换热器技术优势

1、在常规热管换热器的基础上进一步大幅度降低热流体（烟气）的排烟温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；

2、在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁温处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，大幅度降低设备的维护成本；

3、在世界范围内首次提出并实现了金属受热面最低壁面温度始终处于可控可调状态，能够在相当大幅度内，适应各类锅炉以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁温保持相对稳定；

4、在保留热管换热器具有的高效传热的同时，克服了常规热管换热器在使用一段时间后容易产生不凝气体，从而逐渐老化以至失效的致命弱点，大大延长了设备的使用寿命。

●  与传统热管换热器比较

	两相流高效防腐换热器	热管换热器
高传热性能高传热效率相同，工作压力范围不同，因此可靠性不同	两相流换热器是并联的多根联通的管排束且具备高传热性能高传热效率的传热组件，在密闭的常压以上的压力范围内，工质软化水相变潜热传递热量。由于在正压下工作，可及时排放不凝气体，克服了热管真空逐渐老化以至失效的致命弱点，在保留热管换热器具有的高效传热的同时，即使因泄露及时自控补水，传热也不会失效，从而大大延长了设备的使用寿命。如按照操作规程进行，几乎没有运行维护成本。	热管是一组相互独立的单管组成的高传热性能高传热效率的传热元件，在密闭真空管壳内，工质软化水相变潜热传递热量。由于热管各单管生产过程中的制造差异，容易产生不凝气体，只要其中部分热管的不凝气超出许可极限，热管换热器整体换热效率就会下降，传热效率急剧下降，加之真空泄漏无法补救，热管换热器必将容易失效。热管因使用长时间后而失效，热管的替换和更新费用巨大。
防止露点腐蚀原理一样，但壁温可控能力不一样。	通过调整两相流高效换热器热端冷凝速率，即连续调节吸收热端热量的冷却风量（如连续调节风或水旁路系统开度），使得两相流高效换热器并联的所有管壁内工质的饱和水压力得到改变，从而影响了饱和水温度，以及和其平衡的壁温。随着煤种中硫份和水份的变化，排烟露点是变化的，连续调节吸收热端热量的冷却风量，将使壁温始终动态跟踪在酸露点之上，排烟温度可以降到很低，仅高于露点温度10- 1 5℃。	通过调整热管数量或热管冷热端的传热面积比，使热管壁温一次性设计在某一露点以上。但随着煤种中硫份和水份的变化，排烟露点是变化的，一次性设计的露点如高于实际酸露点，则排烟热损失增大；一次性设计的露点如低于实际酸露点，则很容易发生腐蚀。为避免酸露腐蚀的壁温，出现，排烟温度必须高于露点温度的一倍以上，不能降太低。
因整体壁温控制能力的不同，抗腐蚀和堵灰情况也不一样	两相流高效换热器由多根并联的密闭管排束整体构件组成，最低壁面温度整体均匀，可控可调，能够始终控制在酸露点温度以上，从机理上根本解决设备腐蚀。同时由于最低壁面温度在酸露点温度以上，所以不会产生结露性堵灰。吹灰器只作预案。	热管由数百根相对独立的密闭单根构件组成，壁面温度与排烟温度之间为倍数关系，整体又不均匀，存在一定幅度的温差。当实际酸露点高于一次性设计的露点时，就无法根本消除设备腐蚀。一旦产生结露性堵灰，即使增加吹灰器或冲洗装置，也很难处理，除非进行拆除。

● 两相流高效防腐换热器技术与低压省煤器技术的差异比较

	两相流高效防腐换热器	低压省煤器
最低壁面温度	1、能够保证最低壁面温度与排烟温度的温差≤15℃；即当排烟温度降至120℃     时，最低壁面温度可以控制在105℃，保证了受热面安全。 2、最低壁面温度可根据锅炉负荷和燃料变化进行调整，调整范围为设计值的±7℃； 3、在相同的排烟温度情况下，两相流高效防腐换热器的最低壁面温度比低压省煤器的最低壁面温度高近20-30℃，因而设备更安全。 4、两相流高效防腐换热器壁面温度的可调节范围更大。控制简单，只需通过调节进水流量即可。	1、当排烟温度132℃时，最低壁面温度只能控制在90℃以下； 2、在壁面温度确定后，尽管可以实现可控可调，但受到进、出水温的限制，调节幅度有限; 3、由于实际运行中监测点较多，控制复杂，安全余量小，可能会带来隐患。
排烟温度	1、在进口烟气温度变化时能够保持排烟温度不变，如进口烟温在160±20℃时排烟温度可降至设定的115℃。 2、在保证受热面不受低温腐蚀的情况下，两相流高效防腐换热器的可将排烟温度降到更低。	1、排烟温度最低只能降低到132℃
受热面及烟气阻力	1、为了保证设备安全运行，两相流高效防腐换热器维持较高的壁面温度； 2、在烟气降温相同的情况下，设备受热面积与设备的表面温度成反比。尽管受热面比其他换热器大，但经过优化设计，能够保证烟气降温≤380Pa。	1、受热面小以壁面温度降低为代价； 2、烟气压降大，一旦发生堵灰则更加明显。
节能效益	1、可以实现最大烟气温降幅度；用户可根据设备投用后的情况逐步找到最佳运行温度，使设备的投资效益最大化。 2、当排烟温度降低至115℃时，两相流高效防腐换热器的节能效益更显著。	1、设备能够调整的进口和出口烟温变化范围小，故降低排烟温度和抬高最低壁面温度之间的矛盾无法解决。 2、需要循环泵、损耗大、运行费用高。

● 两相流换热器的节能效果

将使锅炉执效率提高1.5%-10%；大大减少了设备更新费用和锅炉检修停机损失；在节省燃料的同时，相应减少了热污染和烯烧尾气的排放量，改善了环境，具有良好的社会综合效益。

● 节能效益估算表

1.假设锅炉的原排烟温度为135℃-170℃；2.燃煤热值为5000大卡/公斤；3.受热面最低壁面温度≥100℃；4.锅炉年运行时间为300天。

● 两相流换热器的四大亮点

节能——能使锅炉热效率稳定提高1.5%~10% （降低能耗、提高吨煤产汽率、增加锅炉出力）

节水——降低排烟温度可节约大量脱硫工艺用水

防腐——从机理上根本解决设备腐蚀、堵灰问题

环保——节能是最大的减排

● 两相流高效防腐换热器技术与低压省煤器技术的差异比较

选例一：加热除盐水或凝水 适用场合：以供热（汽）为主，热电联 产企业。 基本原理：提高进除氧器水的温度，减少了汽机的抽汽，提高了供热能力。	选例二：提高空气预热器进口风温，同时加热除盐水 适用场合：上级空气预热器出口烟温不高，尾部有可能结露，加热除盐水量受限制。 基本原理：从降低排烟温度回收的余热中，一部分用来加热送风，提高上级空气预热器的进口风温，使其尾部最低壁面温度高于酸露点，防止结露腐蚀；另一部分加热除盐水，综合提高热效率。
选例三：内部循环方式 适用场合：系统对加热除盐水没有用场。 基本原理：一方面，在省煤器后适当增加“复合气水段”、“复合气段”受热面，用以加热锅炉给水降低排烟温度提高锅炉热效率。另一面，利用相变段整体壁温可调可控不结露的特点，加热送风，确保空预器避免低温结露腐蚀。	选例四：余热锅炉（中、低压） 适用场合：系统给水温度和热风温度较高，用户需要一定量的中、低压蒸汽。 基本原理：一方面，在转向室增设中、低压蒸发段，生产中、低压蒸汽，用以降低排烟温度提高锅炉热效率；另一方面，利用相变段整体壁温可控可调不结露的特点，加热送风，提高空预器壁面温度，确保空预器避免低温结露腐蚀、1-自动调节阀  2-低压蒸汽汽包  3-低压蒸汽汽包安全阀  4-低压蒸汽汽包液位计  5-低压蒸汽上升管  6-低压蒸汽下降管  7-低压蒸发段  8-原省煤器  9-原空预器  10-烟道  11-两相流换热器下段  12-壁温测试仪  13-两相流换热器上段  14-风道  15-自控装置  16-低压给水泵。