高温烟气余热回收系统的开发研究开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

一、研究背景

能源是发展国民经济的重要物质基础,是人类赖以生存的必要条件。毫不夸张的说，人类的生存离不开能源。自英国第一次工业革命以来，能源的利用程度则是反映人类进步、文明的一个重要标志。而能源的生产、建设与消费,又将直接影响着国民经济的向前发展和人民物质文化生活水平的提高。因此,能源问题己成为当今世界普遍关注的重大问题[1]。与此同时以煤炭燃料为主的能源消费和燃料燃烧的废弃物排放又对与人类生存息息相关的自然环境造成了极大的威胁，因此合理利用能源[2]，创建环境友好型、资源节约型社会，实现可持续的能源发展战略，一直是我国政府所提倡的发展道路。

我国是个资源相对丰富的国家，我国目前的能源现状是煤炭资源丰富，而石油和天然气的储量相对较少。而由于我国人口基数很大，因此我国又是能源消耗大国，每年占世界总的能源消费比例迅速上升，截止到2008年中国就已经成为第二大能源消费国，仅次于世界第一能源消费国美国；如此大的能源消耗需求，而能源总量又是有限的，节约能源、提高利用率便显得当务之急。我国能源利用效率只有36.3%，比发达国家低了将近10%左右，产品消耗与国际先进水平差距较大，浪费惊人。尤其最近大范围出现的雾霾天气，使人们对目前能源利用的状况更为担忧。

二、研究目的和意义

目前很多工业排放的高温烟气中含有大量的热能，这些烟气大部分被直接排入大气中，只有少部分被加以利用。我们都知道烟气是气体和烟尘的混合物，是对大气造成污染的主要原因。烟气的成分十分复杂，气体中包括水蒸汽、SO2、N2、O2、CO、CO2碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等。因此烟气对环境的污染是是很多种化学物质的污染。烟尘对人体的危害性与它的颗粒的大小息息有关，最容易对人体产生危害的是直径小于10微米的微尘，特别是1-2.5微米的微尘危害性最大[3]。这些烟气排放到大气中会对环境产生不可逆转的伤害，比如说SO2，会导致酸雨的产生。因此，对这些高温烟气进行余热回收便显得至关重要。高温烟气的余热回收不仅可以充分利用排烟气体的显热和潜热，而且可以降低排烟温度从而充分提高能源的利用效率。所有本文针对目前这种现状，着力开发研究高温烟气的余热回收系统。

三、余热回收技术

烟气余热回收的原理，就是利用换热器从废烟气中提取热能并加以利用，用以产生热风、热水或蒸汽，从而实现节能目的。

四、烟气余热的回收利用装置

余热回收的核心装置便是热交换器。换热器是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用[6]。热交换器在工业生产中的应用极为普遍，例如锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中的蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业中的糖浆蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，热交换器也是不可缺少的重要部件。在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确设计与使用热交换器密不可分[7]。

五、热交换器的类型

目前适合于烟气余热回收的换热器有以下几种基本类型:

5.1套管式

套管式换热器将两根不同直径的管子套成的一个同心圆套管作为元件，然后把许多的元件连接起来从而形成热交换器。它可以采用不同的连接方法，可以使两种流体以纯顺流或纯逆流的方式流动。它的内管内径通常是39-56毫米范围内选取，而外管内径在76-108毫米范围内选取。

套管式换热器的优点是结构简单，适合于高温高压流体，对于小热容量的流体特别合适传热。但是它的缺点是流动阻力大，金属消耗多，并且占地面积大，所以用于传热面积不大的换热器[8]。套管式换热器如图2所示。

5.2管壳式

管壳式热交换器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量的交换。管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价低廉，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压[9]。总之，它仍处于主导低位。当然，如果我们为了提高流速，也可以在管箱内安装分程隔板，让进入的流体每次只流过一部分管子，然后流过另一部分管子，这样也就把管内空间分成了多程。管壳式换热器如图3所示。

5.3回转式

回转式空气换热器又称蓄热式空气换热器，它指的换热器的内部设有旋转部件，利用旋转的方式使烟气与空气相互交替流经换热面的一种空气热交换器。回转式空气换热器有两个类别，分别是受热面旋转的换热器和风罩旋转的换热器。回转式空气换热器的优点是结构紧凑、占地面积小、制造成本低，空气与烟气不同时接触受热面，低温腐蚀的可能性较小，回转式空气换热器的受热面即使出现较大的磨损，但是在这种情况下还可以进行正常的工作。同时回转式空气换热器主要缺点是回转式空气换热器的内部结构相当复杂，对制作的工艺水平有很高的要求[10]。

5.4中间载热体式

当排气系统离进气系统较远时,采用这类热回收系统给设计和安装都带来方便,流阻低不存在相互污染问题。其缺点是换热系数低,维护费、造价较高[11]。

六、用于余热回收的热管式换热器

上一节讲述了各种各样类型的换热器，我们发现每个换热器都有其优点和缺点，那

么通过我们查阅资料发现在这么多种换热器中最适合高温烟气余热回收的便是热管换

热器。

6.1热管工作原理

热管的工作原理如图4所示，热管由管壳、吸液芯和端盖组成。使用热管时，我们将管内抽成负压后，然后填充适量的工作液体，让贴紧管壁的吸液芯毛细多孔材料充满液体以密封。热管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），我们一般根据需要会在两端中间安装绝热段。热管的一端受热时毛细芯中的液体会蒸发汽化，蒸汽在微小的压差的作用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。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在这个热量转移的过程中，有以下六个紧密联系的过程[12]：

（1）热量从热源经过热管的管壁与吸液芯传递到液-汽分界面

（2）液体在蒸发段内的（液－汽）分界面上蒸发

（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段

（4）蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结

（5）热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源

（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段

6.2热管的基本特性

（1）高导热性

热管内部就是依靠工作液体的相变转化来传热，因此热阻很小，所以有很高的导热性。在这点上，常见的银、铜、铝等金属是无法与之相比的。当然，虽然有很高的导热能力，但是热管的传热能力总会受到各种因素的限制，存在一些传热极限[13]。

（2）等温性好

热管内部的蒸汽是处于饱和状态的，我们都知道饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段这个过程中所产生的压降很小，根据热力学定律可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性[14]。

（3）热流密度可变性

我们可以让热管独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，意思就是以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题[15]。

（4）功率稳定性

热管传热功率比较稳定,对于同一支试验热管在相同试验条件下,测定其传热功率,一年前与一年后测试结果几乎不变。

（5)安装方式较为随便

热管倾斜安装是降低热管换热器整体高度的有效措施之一。标准的热管因为安装角度对其性能影响不大，因此可以横放、斜放和竖放。倾斜安装会使重力热管的某些性能发生变化。当重力式热管的倾斜角度(热管轴线与水平线的夹角)从45度变至75度时,我们发现其传热性能并没有发生明显的改变，同时倾角的正负对翅片流动阻力的影响相同。最后流动阻力随着倾角的减小而增加[16]。

6.3热管技术

与常规的换热技术相比较，热管技术之所以能不断受到工程界的欢迎，是因为它具有如下几种重要的特点：

（1）热管换热设备比其它换热设备安全的多，并且可以长期运行，这对冶金、化工、动力等部门有着重要的意义。我们平时所见的常规换热设备一般来说是间壁式换热，冷热流体从换热壁的两侧通过。而热管组成的换热设备则是二次间壁换热[17]。所谓二次间壁换热就是说热流的热量要传递给冷流体必须通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能实现。之所以热管换热设备运行可靠性高，原因在于热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏。这点对余热回收有着重要的意义，可以大大提高余热回收利用的效率。

（2）对于余热回收来说，热管管壁的温度可以调节是相当重要的。因为如果可以条件热管管壁的温度，就可以将其调整在流体的露点以上，从而可以防止露点腐蚀，维护设备的长期运行。比如说电站锅炉尾部的热管空气预热器，因为我们可以调节管壁温度，所有我们不但可以防止烟气结露，而且还可以避免烟灰在管壁上的粘结，这样不仅保证了锅炉的长期运行，还提高了锅炉效率[18]。

（3）热管换热器的冷、热段结构和位置布置灵活。热管换热设备由于体型较其他换热设备小，因此布置位置可以相当灵活，可以适合各种复杂的场合。尤其适合工程改造地和地面空间狭小和设备拥挤的场合，而且维修量较其他换热设备也小很多[19]。

（4）热管换热设备效率高，节能效果显著。

6.4热管换热器应用

由前几节可知，热管是目前最有效的传热元件之一，通过热管我们可以将大量的热量传递很长的距离而不需要外加动力，并且截面积还很小，热管换热设备的热效率高，节能效果十分显著[20]。

热管的应用是基于蒸发冷凝的循环，热管中的工质在热输入端通过工业废热加热，由液体变成气体并且吸收了大量的热量，流动的蒸汽带着汽化潜热到达冷端，在重新冷凝成液体的同时放出大量的汽化潜热，冷凝的液体则又一次回到加热段被加热，就这样不断重复上述的过程，热管通过汽化潜热来传递能量，即使传递的热量非常大的时候，热端和冷端的温差也不至于过大[21]，因此热管是一种导热能力很强的导热体，它具有热回收效率高、结构紧凑、无运动部件、重量轻、经济性好、无需外接电源、气密性好和介质之间无交叉污染等诸多特点[22]，在实践中得到了广泛的应用。

在锅炉烟气余热回收的应用中，热管换热器的一般有两种形式：烟气空气热管换热器和烟气水热管换热器这两种形式，考虑到热管式换热器的特点，它比较适用于气气之间的换热，这是因为在换热器的冷、热段均可以加装翅片来扩展换热面积，增强换热[23]；我国目前煤炭资源丰富，发电主要以燃煤为主，因此工业锅炉数量众多。但是由于工业锅炉的容量较小，参数低，因此运行的热效率也低，一般为60%左右，节能的潜力巨大，因此热管式换热器在锅炉尾部烟气的余热回收中有显著效果[24]。

七、国内外对烟气余热回收系统的研究

由于烟气余热回收具有相当重要的节能意义，不仅可以降低排烟温度，提高燃烧效率，而且还可以节省燃料。

南京工业大学的杨峻，王明军，张红等人针对电炉炼钢过程中会产生的大量的高温

烟气，而这些高温烟气又是非常的不稳定。因此他们通过采用价格经济的水-碳钢热管式蒸汽发生装置及系统进行余热回收,并且他们研究合理的多单元模块式结构与冲击波强力清灰方式,解决了其灰堵、磨损、腐蚀、热应力等问题,有效地将烟气温度从900℃降至180℃以下进入后续除尘设备并达标排放,这个装置不仅达到了余热利用，而且还节约了能源[25]。

攀钢集团研究院的秦洁，刘功国，吴秋廷，查笑乐等人对转底炉的余热回收进行了系统的研究，他们对目前转底炉高温烟气余热回收利用情况进行了分析,而且针对攀钢资源利用的现场情况,提出了几种转底炉废气余热回收方案,并对可以实行的方案进行了详细介绍。应用此方案可充分回收利用转底炉高温烟气余热,回收利用率高达50%,此举正好与目前社会节能减排的号召相吻合,具有很好的经济和社会效益[26]。

山西省冶金设计院的邓建军对回转窑的余热回收做了系统的研究，白云石锻烧技术是硅热法生产金属镁的主要环节之一,但是能耗却占到总能耗的35%左右。白云石煅烧设备有回转窑、竖窑、隧道窑和沸腾炉等,金属镁厂应用最广的煅烧技术是采用回转窑煅烧白云石,但普遍存在能耗高、污染大、热效率低等问题[27]。因此针对该问题,邓建军等人对回转窑节能降耗及高温烟气余热利用途径进行了分析,提出了回转窑余热利用的必要性。

北京科技大学的陶务纯，杨波，朱宝晶，王宝等人对电弧炉炼钢过程中的余热回收进行了研究，他们把电弧炉炼钢过程烟气余热的回收利用和烟气净化除尘当作研究重点,以热管换热器为换热元件,合理控制烟气流速,有效的解决高温烟气的沉降和蒸发器热管灰堵以及烟气温度十分不稳定的这个问题,完成了50t电弧炉烟气余热回收净化系统设计与施工[28]。他们对电弧炉炼钢过程中所产生的高温烟气直接进行余热回收,实现了高温烟气余热回收利用，对大气的治理做出了重要的贡献,为国内电弧炉节能减排和保护环境起到了示范性的作用。

当然国内还有很多研究余热回收并且有突出贡献的学者、研究人员，比如刘春洋[29]、邓静[30]等人，他们都针对目前各类高温烟气的余热回收进行了大量的调查研究工作，通过实验加理论的研究方法为我国节能减排作出了突出的贡献。

国外方面，DanielaGewald[31]等人，他们以雅典的Liosia电厂为研究对象，对其附近的垃圾填埋厂所产生的高温烟气进行分析，从热力学定律等方面提出了朗肯循环和水/蒸汽循环，通过对烟气的余热回收从而大大提高了电厂的发电效率。华盛顿大学的BohuslavKilkovsky[32]等人对热交换器与余热回收进行了数值实验模拟，利用有限元来进行分析，大大提高了能源的利用率。B.Orr，B.Singh,L.Tan[33]等人在热电和热管方面研究颇丰，他们对发动机的排气余热进行回收，从而提高了燃气缸的燃烧效率，也减轻了环境污染。

美国DON化学公司米德兰化工厂在一座大型加热炉上使用热管空气预热器回收余热,使烟气出口温度从380℃降到165℃以下,而且空气进口温度也随之提高到240℃,回收余热十分惊人,使加热炉的天然气消耗量减少15%[34]。

总之，在我们所处的星球上,每天能源的消耗量非常庞大，同时被烟气带走的热量其数量之巨大也是令人相当吃惊的。因此我们若对所有的烟气的热量都进行回收,其经济效益是非常可观的。

八、参考文献

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题为理论研究型课题，针对目前高温烟气的各种污染排放，不仅影响了环境，而且大大降低了能源的节约利用率，因此通过理论加实验计算的结合来探讨高温烟气的余热回收系统，利用传热学、工程热力学、换热器原理与设计等知识尽量设计出最适合目前工业应用的开发系统。

根据课题要求，完成如下目标：

（1）分析高温烟气余热的特点，探讨对其进行回收的必要性及可选方案；

（2）对采用热管换热器回收高温烟气余热的可行性进行理论分析，并与其他方案进行比较；

（3）建立整套余热回收系统集成方案，提出相关工艺参数的优化目标；提出适用于高温烟气余热回收的热管换热器设计方法；

（4）对高温热管换热器进行设计方法的优化，从而提高效率，降低成本；

（5）以具体参数为算例分析高温热管换热器用于高温烟气余热回收的热性能及经济性。

最后，通过撰写毕业论文及绘制零件装配图来更好得完成这次的毕业设计。

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日