張浩波，夏金方，朱立國(guó)，黃匯林，劉建路

(山東?；瘓F(tuán)有限公司，山東 濰坊 262737)

1 前言

能源短缺、環(huán)境污染已發(fā)展為世界范圍的問題[1-3]，節(jié)能減排、降低能耗、提高能源的綜合利用率是解決能源問題的根本途徑。我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗量約占全國(guó)能源消耗總量的70%[4]。除了生產(chǎn)工藝相對(duì)落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低，能源沒有得到充分綜合利用是造成單位GDP能耗高的重要原因。隨著能源危機(jī)的壓力不斷加大和人們追求循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)性發(fā)展的要求越來越高，如何合理地利用工業(yè)余熱，成為節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。

熱交換技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器又稱熱交換器，是一種將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可或缺的設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各種不同結(jié)構(gòu)和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。

2 余熱的特點(diǎn)

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所過剩的熱量，但是這些看似低品位的能量仍有被利用的可能和價(jià)值。按照溫度高低分類，工業(yè)余熱一般分為600 ℃以上的高溫余熱，230 ℃～600 ℃的中溫余熱和230 ℃以下的低溫余熱3種；按照來源，工業(yè)余熱又可被分為煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、化學(xué)反應(yīng)熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱以及可燃廢氣、廢料余熱[5-6]。

余熱資源來源廣泛、溫度范圍廣、存在形式多樣，余熱的回收量與工藝生產(chǎn)過程、環(huán)境條件的變化密切相關(guān)，余熱的回收利用受施工環(huán)境的限制，對(duì)余熱回收設(shè)備要求較高。工業(yè)余熱資源的利用對(duì)設(shè)備有如下要求：具有較寬且穩(wěn)定的運(yùn)行范圍；能適用多變的生產(chǎn)工藝的要求；設(shè)備部件可靠性高，布局合理；能夠綜合利用能量，以提高余熱利用率。

3 換熱器簡(jiǎn)介

換熱器又稱熱交換器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱器按傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法可分三種類型換熱器：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類。

混合式?；旌鲜綋Q熱器是通過冷、熱流體直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。

蓄熱式。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器。

間壁式。隨間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。

間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式和板面式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等。

4 板式換熱器的特點(diǎn)

(1)傳熱系數(shù)高。

由于不同的波紋板相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，使流體在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，能在較低的雷諾數(shù)(一般Re=50～200)下產(chǎn)生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認(rèn)為是管殼式的3倍～5倍。

(2)對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小。

在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流流動(dòng)，對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)小，而板式換熱器多是并流或逆流流動(dòng)方式，其修正系數(shù)也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面、無旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對(duì)水換熱可低于1 ℃，而管殼式換熱器一般為5 ℃。

(3)占地面積小。

板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式的2倍～5倍，也不像管殼式那樣要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)所，因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱量，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5～1/10。

(4)容易改變換熱面積或流程組合。

只要增加或減少幾張板，即可達(dá)到增加或減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達(dá)到所要求的流程組合，適應(yīng)新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加。

(5)重量輕。

板式換熱器的板片厚度僅為0.4 mm～0.8 mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.0 mm～2.5 mm，管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。

(6)價(jià)格低。

采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價(jià)格比管殼式約低40%～60%。

(7)制作方便。

板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，并可大批生產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作。

(8)容易清洗。

框架式板式換熱器只要松動(dòng)壓緊螺栓，即可松開板束，卸下板片進(jìn)行機(jī)械清洗，這對(duì)需要經(jīng)常清洗設(shè)備的換熱過程十分方便。

(9)熱損失小。

板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計(jì)，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。

(10)容量較小。

容量是管殼式換熱器的10%～20%。

(11)單位長(zhǎng)度的壓力損失大。

由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。

(12)不易結(jié)垢。

由于內(nèi)部充分湍動(dòng)，所以不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/3～1/10。

(13)工作壓力不宜過大，介質(zhì)溫度不宜過高，有可能泄露。

板式換熱器采用密封墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5 MPa，介質(zhì)溫度應(yīng)在低于250 ℃以下，否則有可能泄露。

(14)易堵塞。

由于板片間通道很窄，一般只有2 mm～5 mm，當(dāng)換熱介質(zhì)含有較大顆?；蚶w維物質(zhì)時(shí)，容易堵塞板間通道[7-8]。

5 板式換熱器的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外板式換熱器的發(fā)展是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)80年代起開始競(jìng)相開發(fā)、研制各種型式的板式換熱器。其中具有代表性的為法國(guó)Packinox公司，該公司于20世紀(jì)80年代首次在催化重整裝置中用一臺(tái)大型板式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20世紀(jì)90年代末期，Packinox公司又將大型板式換熱器用于加氫裝置。該公司的產(chǎn)品得到UOP(美國(guó)聯(lián)合油)的認(rèn)證，其產(chǎn)品主要用于的催化重整、芳烴及加氫裝置。而板式換熱器在中國(guó)的起步比較晚。1999年蘭州石油機(jī)械研究所研制成功大型板式換熱器，該產(chǎn)品(專利號(hào)(ZL98249056.9)具有國(guó)際先進(jìn)水平、首創(chuàng)獨(dú)特結(jié)構(gòu)的全焊式板式換熱器，并已在煉油廠重整裝置，化肥廠水解解吸裝置及集中供熱換熱站等場(chǎng)合得到應(yīng)用。

作為一個(gè)高效緊湊式換熱器，在加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收過程中，除了高溫、高壓和特殊介質(zhì)條件外，板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經(jīng)試驗(yàn)證明在板式換熱器適用范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工況下，用不銹鋼板式換熱器比一般碳鋼換熱器投資低，而且可以預(yù)見板式換熱器與管殼式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。

隨著科技的進(jìn)步，板式換熱器也有了飛速發(fā)展。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，常規(guī)對(duì)稱形、非對(duì)稱形，高NTU型(淺密波紋型)、免粘型、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器等國(guó)外已有的可拆卸板式換熱器均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并成功應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

可拆式板式換熱器已成為板式換熱器的潮流，它將朝著大規(guī)格、多品種、系列化、高性能、高可靠性、低成本以及生產(chǎn)企業(yè)的專業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。未來，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的良好機(jī)遇，以及進(jìn)口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預(yù)示著我國(guó)板式換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景[9-10]。

6 板式換熱器在高爐沖渣水熱量回收中的應(yīng)用

板式換熱器在煉鐵行業(yè)高爐沖渣水熱量回收中有較為突出的進(jìn)步。

高爐沖渣水是高爐煉鐵熔渣經(jīng)水淬后產(chǎn)生，其溫度60 ℃～95 ℃蘊(yùn)含了巨大熱量，但其中含有大量固體顆粒和礦物纖維，并具有腐蝕性，很難利用其熱量。

在高爐爐渣水余熱回收及結(jié)合具體鋼鐵生產(chǎn)工藝精細(xì)節(jié)能方面國(guó)內(nèi)外沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，致使該領(lǐng)域的能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。但是其作為一種低溫廢熱源，具有溫度穩(wěn)定、流量大的特點(diǎn)，如何讓沖渣水發(fā)揮余熱利用，在鋼鐵行業(yè)具有重大意義。

國(guó)內(nèi)板式換熱器制造公司與煉鋼企業(yè)投入技術(shù)力量，聯(lián)合開發(fā)了高爐沖渣水專用板式換熱器，解決了沖渣水硬度高，容易結(jié)垢，水質(zhì)成分復(fù)雜，容易腐蝕等問題，高爐沖渣水專用板式換熱器采用獨(dú)特的板型及流道設(shè)計(jì)，有效防止換熱板片磨損穿孔。使用該換熱器后，不但沖渣水側(cè)不會(huì)結(jié)垢、堵塞和磨損，而且對(duì)凈水側(cè)的水質(zhì)無要求，可以使用工業(yè)新水(自來水)中水等作為循環(huán)水。新型換熱器的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了高爐沖渣水余熱回收，沖渣水不需沉淀過濾裝置即可直接進(jìn)入“沖渣水換熱器”與介質(zhì)水進(jìn)行換熱，投入工業(yè)生產(chǎn)中，效果較好，已在行業(yè)中逐步推廣。

7 板式換熱器在蒸氨廢液余熱回收中的應(yīng)用前景

氨堿法純堿生產(chǎn)占有重要地位，能耗大、廢熱排放多。其中蒸氨是氨堿法制堿的一道重要工序，也是純堿廠降低能耗的一個(gè)重點(diǎn)，蒸氨能耗約占全部生產(chǎn)總能耗的30%以上，而蒸氨工序消耗的能量中進(jìn)塔蒸汽的熱量約占90%。進(jìn)入蒸氨塔的能量除一部分用于過程所需的反應(yīng)熱外，很大一部分由蒸氨廢液帶出，對(duì)于大型純堿廠來說，廢液帶出熱量的回收效益可觀，目前國(guó)內(nèi)外最切實(shí)可行的方法是在廢液排放前利用廢液噴射閃發(fā)裝置回收廢液閃發(fā)出的蒸汽。蒸氨廢液經(jīng)閃發(fā)蒸汽后溫度降至約90 ℃，進(jìn)一步閃發(fā)受到動(dòng)力和成本的限制，其熱量一直未得到充分利用，高溫廢液直接排放到渣場(chǎng)，造成極大的資源浪費(fèi)，國(guó)內(nèi)外同行業(yè)中均未對(duì)其進(jìn)行熱量回收，目前該部分蒸氨廢液的熱量回收成為氨堿法純堿生產(chǎn)的行業(yè)性難題[11]。

蒸氨廢液具有高鹽度、高腐蝕性、高固含量、易結(jié)垢、易堵塞等特殊性質(zhì)，同時(shí)蘊(yùn)含有巨大熱量，與煉鐵行業(yè)中的高爐沖渣水有很大相似性。國(guó)內(nèi)板式換熱器廠商在高爐沖渣水余熱回收中的成功經(jīng)驗(yàn)，可為蒸氨廢液熱量回收提供良好的借鑒，同時(shí)該技術(shù)開發(fā)成功后具有較大的行業(yè)意義。

8 結(jié)語

余熱是工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中，由各種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備、用能設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)設(shè)備中產(chǎn)生而未被用盡的能量資源。其數(shù)量是十分可觀的。

氨堿法純堿生產(chǎn)行業(yè)是一個(gè)高耗能大戶，產(chǎn)品耗能主要是蒸汽、電和燃料，其中蒸汽耗能量占產(chǎn)品綜合能耗的75%左右，在單位產(chǎn)品綜合能耗中占有主導(dǎo)地位。同時(shí)氨堿法每生產(chǎn)1 t純堿約產(chǎn)生10 m3溫度約90 ℃的蒸氨廢液，因此氨堿法純堿生產(chǎn)既是熱量消耗大戶又是熱量排放大戶。

隨著氨堿工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)不斷對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，向著規(guī)?；⒓谢?、現(xiàn)代化、節(jié)能化模式發(fā)展，節(jié)能減排成為企業(yè)發(fā)展的重中之重。

換熱器開發(fā)日臻成熟，應(yīng)用于蒸氨廢液余熱回收的專用換熱技術(shù)開發(fā)已具備條件，該技術(shù)的成功研發(fā)將給純堿行業(yè)帶來進(jìn)一步的技術(shù)革新，在創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的現(xiàn)代化工行業(yè)起到很好的典范作用。