基本信息
- 项目名称：
- 一种具有超大扩展表面的烟气余热回收装置--弹性金属蜂巢余热回收装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品为一种气-气热交换装置，功能旨在回收工业炉窑高温烟气携带的大量余热，用以预热炉窑的助燃空气或者煤气。装置将一种新型扩展表面（弹性金属蜂巢）嵌入传统金属管换热器中，且是同时嵌入到金属管管内和管束之间，同时强化空气（煤气）侧和烟气侧的换热能力，从而使装置具有极高的换热性能。装置保留金属管换热器气密性好，结构简单，安装方便等优点；相比蓄热式换热器，克服了其循环换热和因容积效应造成的能源损失等不足。
- 详细介绍：
- 加热炉窑是工业生产过程中普遍应用的热工设备。各类加热炉窑排出的烟气温度都较高，带走了大量余热，如果不加以有效利用，将造成极大的能源损失。本作品的用途即是利用各类炉窑的高温烟气的余热预热助燃空气（或煤气），提高炉窑的能源利用效率，实现节能降耗。 作品设计开发的基本思路为，将一种具有极大比表面积（100~2000㎡/m³）的金属制扩展表面——弹性金属蜂巢——嵌入传统的金属管换热器中，且是同时嵌入到金属管管内和管排之间，达到同时强化烟气侧和空气侧（煤气侧）的换热能力的目的，从而极大地提高了传统金属管换热器的换热性能。利用FLUENT软件对管内嵌入有弹性金属蜂巢后的强化传热过程进行了模拟，结果表面其强化换热效果极好。 作品的核心部件为扩展表面弹性金属蜂巢，其实质是一种金属质三维空间多孔体，是将耐热金属螺旋体采用编制的方法制作得到的。弹性金属蜂巢特殊的空间结构能强化介质的对流换热和辐射换热；其良好弹性，一方面使弹性金属蜂巢扩展表面能与换热间壁充分接触，减小接触热阻，另一方面使其安装和更换都比较容易实现。 总的来说，弹性金属蜂巢热回收装置具有连续工作，结构紧凑可靠，适用性广等优点。经理论和工程实际应用表明，本作品热回收效率能达到75%以上。在化石能源日益匮乏的今天，装置的经济和环境效益明显。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：加热炉窑是工业生产过程中普遍应用的热工设备，然而绝大部分加热炉窑排出的烟气温度都很高，带走了大量余热，如果不加以利用，将造成极大的能源损失。本作品旨在回收利用各类炉窑高温烟气的余热，用以预热助燃空气（或煤气），提高炉窑的能源利用效率，实现节能降耗。 基本思路：本作品是对传统金属管换热器进行重大改进的产品。弹性金属蜂巢余热回收装置和金属管换热器的基本工作原理相同：烟气和空气（或煤气）进行间接叉流热交换，采用二程（或四程）顺流换热或逆流换热，烟气走管外管排间，空气（或煤气）走管内。 创新点：将一种具有极大比表面积（100~2000m2/m3）的金属制扩展表面——弹性金属蜂巢——嵌入传统的金属管换热器中，且是同时嵌入到金属管管内和管排之间，达到同时强化烟气侧和空气侧（煤气侧）换热能力的目的，从而极大地提高了传统金属管换热器的换热性能。金属蜂巢良好的弹性一方面使弹性金属蜂巢扩展表面能与换热间壁充分接触，减小接触热阻，另一方面使其安装和更换都比较容易实现。 技术关键：本作品的核心部件为扩展表面弹性金属蜂巢，其实质是一种金属质三维空间多孔体，是将耐热金属螺旋体采用编制的方法制作得到的。具体应用时，应根据需要编制得到不同形状和结构参数的弹性金属蜂巢，以达到最佳的强化换热效果。 主要技术指标：烟气进口温度<1000℃，烟气出口温度100~130℃，空气加热温度与烟气进口温度温差200℃；弹性金属蜂巢比表面积100~2000 ㎡/m³；装置热回收效率大于75%。
科学性、先进性
- 对于间壁式热交换装置，设法提高换热能力较弱一侧的换热性能才能提高整个装置的换热能力。弹性金属蜂巢余热回收装置两侧均为气体介质，因此将一种具有极大比表面积的金属制扩展表面同时嵌入到金属管换热器的管内和管排之间，以同时强化烟气侧和空气侧（煤气侧）换热能力，极大地提了高传统金属管换热器的换热性能。 此外，由于弹性金属蜂巢是由耐热金属螺旋体编制而成的、具有特殊结构的空间多孔体，将其嵌入换热装置气体介质侧时，能对穿过的气体产生充分的扰动作用，不断破坏气体边界层，从而较大幅度地提高气体侧的对流换热系数。嵌入烟气侧时，弹性金属蜂巢特殊的空间立体结构在一定程度上类似人工黑体辐射模型，即强化了烟气与金属螺旋体间的辐射换热，间接强化了烟气与换热间壁的换热。 弹性金属蜂巢热回收装置是对传统金属管换热器进行重要改进的产品，因此保留了后者气密性好，结构简单可靠，安装方便等优点；同时由于嵌入了高比表面积的扩展表面，实现了蓄热式换热器大换热面积的优点，并克服了蓄热式换热器周期换热和容积效应造成的能量损失等不足。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年9月开始，授权唐山雷浩能源技术装备有限公司对本作品进行生产销售，用户包括：唐山国义特钢有限公司轧钢加热炉系统、浙江天马轴承股份有限公司锻造炉系统、北京天立环保股份有限公司电石炉系统、福建龙岩高岭土有限公司焙烧系统，获得公司的生产应用证书（内容见附件材料）。 2010年10月开始在承德新新钒钛有限公司新钒厂V205工程的两台钒渣焙烧炉上投产运行，获得厂商的生产应用证书（内容见附件材料）。 2010年12月获学校“摇篮杯”课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 生产应用阶段
技术转让方式
- 专利技术合作或专利技术使用权转让或专利转让
作品可展示的形式
- 模型、图纸、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品使用说明：将本装置安装在工业炉窑的烟道内，让高温烟气走管外管排间，空气（或煤气）走管内，两种换热介质间接叉流换热。 作品的技术特点及优势：本装置具有气密性好，结构简单紧凑，连续工作及热回收效率高等优点。气密性好使装置应用范围更广，安全且不会造成能量损失；结构紧凑，同负荷下体积相比金属管换热器减少了20~60%，安装方便；连续工作、热回收效率高使得加热炉窑能比较容易地实现烟气余热的最大回收，同时将助燃空气预热到500℃以上，炉窑的能源节约率可达25~35%。 适用范围及市场分析：在工业生产过程中，各种加热炉窑（如冶金加热炉，各种有色金属（铜、铝、铅等）炉窑）都会产生大量的高温烟气，烟气带走的热量占总能量的30~60%，回收潜力巨大。此外，由于本作品节能简单可靠，安装方便，可以直接对已有的炉窑进行改进，且相比蓄热式燃烧技术，减少了炉窑所需的烧嘴数量，初投资明显较少。随着能源的日益紧张，本作品的应用前景广阔。截至目前，本作品已经在数座炉窑中得到应用，热回收效果极好。
同类课题研究水平概述
- 本作品的主要功能是用于回收工业炉窑高温烟气的余热。与此相同的、应用较为广泛产品种类并不多，主要分为两种：金属管换热器和蓄热式换热器。 传统的金属管换热器有结构简单可靠，建造运行费用低等优点，因此在上世纪后半页应用极广。但它也有比较明显的不足，即换热效率较低，这也是制约其发展的最主要的因素。金属管换热器换热效率低最主要的原因是其换热面积不够大，或者说要想实现较高效率的传热，换热器的体积会过大，不便于安装使用。虽然在金属管换热器的发展过程中，一直在设法提高其换热面积，如在管内外添加翅片，但效果一直不是很理想，致使在新建的炉窑中应用越来越少。 蓄热式燃烧技术很好的解决了金属管换热器换热面积不足的缺点，因此最近这些年的发展和应用都比较好，在新建炉窑中基本取代了金属管换热器的地位。蓄热式燃烧采用两个蓄热室切换运行，交替回收高温烟气的余热。蓄热室中安放有比表面积很大（数百到数千 m2/m3）的陶瓷小球体或者蜂窝体，耐高温的同时，很大限度的回收烟气余热。但是，蓄热式燃烧回收烟气余热的方式也有比较明显的缺点：第一、蓄热室周期工作，加入了运动部件气体换向阀。气体换向阀的切换频率较高（30~200秒一换），且处于温度较高的环境下，系统发生故障概率提高，且易发生换热介质间的相互渗透，造成能量的浪费；第二、蓄热室和管道有一定的体积，在蓄热室切换时，前一阶段残留在蓄热室和管道中的热空气（热煤气）会被烟气带走（容积效应），也会造成较为严重的能量损失；第三、对于蓄热式燃烧技术，一个烧嘴配合一个蓄热室工作，所以当蓄热室用于排烟时，配合的烧嘴不能工作。这使得整个炉窑的烧嘴数量增加，即增加了初投资。 此外，扩展表面常用的实施方法是添加翅片以获得更大的传热面积。现有的翅片材料大多为金属或高热导率非金属陶瓷，常见的形状有矩形型、波纹型、穿孔型等，与换热装置的连接方式多为焊接、浸镀或胀管。虽然这些传统的翅片都在一定程度上强化了热交换装置气体侧的换热性能，提高了装置的热交换效果，但它们也都存在一些不同程度的缺陷，如比表面积不够大、不容易制作加工或者与换热间壁接触差等。
