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我國(guó)的能源利用效率僅為33％，相比發(fā)達(dá)國(guó)家低約10％，單位產(chǎn)品的能耗與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較大差距。冶金、建材、化工等流程工業(yè)能耗大， 約占我國(guó)工業(yè)總能耗的70％，全球同業(yè)能耗的46％；且所含余能大，約占我國(guó)工業(yè)總能耗的48％。在這些流程工業(yè)中，煙氣余熱占其整體所含余能的35％，相當(dāng)于3.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但我國(guó)工業(yè)煙氣余熱回收率僅為29%，比國(guó)外平均水平低15％~ 20％。
從鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)流程生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，幾乎每一道流程都涉及到高溫加熱的過(guò)程，每道工序都排放大量的高溫?zé)煔猓貏e是后面的加熱部分，都會(huì)涉及大量的高溫?zé)煔馀欧牛绻軌虬堰@部分高溫?zé)煔獾挠酂峄厥者^(guò)來(lái)，可以有效的降低鋼鐵行業(yè)整個(gè)長(zhǎng)流程的能耗。
三維蜂巢連續(xù)蓄換熱余熱回收技術(shù)主要有三個(gè)特點(diǎn)：
（1）超大的比表面積，可實(shí)現(xiàn)極限的余熱回收，排煙溫度理論上可以達(dá)到五六十度。一般工程上煙氣里含有水分和硫氧化物、氮氧化物等污染物，如果排煙溫度低于露點(diǎn)，可能會(huì)把這些污染物凝結(jié)下來(lái)從而腐蝕設(shè)備，所以一般排煙溫度保持在140~150℃左右。三維蜂巢蓄換熱器極限余熱回收特性取決于蜂巢體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用不銹鋼金屬絲纖維纏成具有三維通孔的類(lèi)黑體結(jié)構(gòu)，比表面積能夠達(dá)到1800~2000㎡/m3左右，比常規(guī)的蓄熱式換熱器比表面積提高60% ~ 70%。
（2）通過(guò)對(duì)流和輻射的耦合實(shí)現(xiàn)連續(xù)換熱。常規(guī)的蓄熱式換熱器相當(dāng)于是格子磚，雖然比表面積能達(dá)到700~800㎡/m3，但它的傳熱過(guò)程以對(duì)流為主，因?yàn)楦褡哟u周?chē)际菈Ρ冢M(jìn)去的熱量不能通過(guò)輻射的形式傳給換熱壁面，而是被鎖在墻壁里面，只能通過(guò)對(duì)流的方式來(lái)進(jìn)行換熱。而三維蜂巢蓄換熱器是具有三維通孔的金屬蜂巢結(jié)構(gòu)，它在三個(gè)方向都有很大的換熱面，從而具有超高的比表面積。煙氣和蜂巢之間先進(jìn)行很強(qiáng)的對(duì)流換熱，蜂巢吸收到高溫?zé)煔獾臒崃恐笥滞ㄟ^(guò)三維通孔以輻射的形式把這個(gè)熱量馬上輻射到了換熱表面上去。所以通過(guò)對(duì)流和輻射的偶合就可以實(shí)現(xiàn)高效的煙氣余熱回收。
圖一：三維蜂巢蓄換熱器連續(xù)續(xù)蓄換熱的機(jī)理
另外在對(duì)流和輻射耦合的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)連續(xù)的蓄換熱，它的連續(xù)續(xù)蓄換熱功能主要應(yīng)用于像轉(zhuǎn)爐或者其他經(jīng)常波動(dòng)的場(chǎng)景，也適用于連續(xù)式的加熱爐溫度波動(dòng)較大的場(chǎng)景。溫度熱負(fù)荷波動(dòng)的來(lái)流通過(guò)三維蜂巢蓄換熱器之后，因?yàn)樗哂羞B續(xù)蓄換熱和穩(wěn)溫的作用，所以回收的余熱可以連續(xù)的輸出，而且波動(dòng)會(huì)非常的小。為有效的提高這部分余熱的再利用率，將疏松的蜂巢層集成到換熱管外面，高溫?zé)煔庾吖芡猓淞黧w走管內(nèi)，把熱負(fù)荷波動(dòng)的煙氣余熱變成連續(xù)的、波動(dòng)小的、穩(wěn)定的余熱輸出。
（3）換熱器外表可集成一個(gè)不銹鋼金屬濾布來(lái)實(shí)現(xiàn)除塵和換熱的一體化。實(shí)際工程當(dāng)中煙氣的成分是比較復(fù)雜的，不可避免的會(huì)含有粉塵，如果粉塵進(jìn)到蜂巢里面會(huì)影響整個(gè)換熱器的傳熱過(guò)程，堵塞之后會(huì)降低它的傳熱效率。在蜂巢換熱器外表面加上一層致密的蜂巢層，就是非常薄的一個(gè)不銹鋼纖維濾布，它起到一個(gè)過(guò)濾的作用，把粉塵給擋在外面，不讓粉塵進(jìn)到里面去污染蜂巢體。它的一個(gè)好處是只要不是特別黏的普通粉塵，它都具有自清灰的作用。傳統(tǒng)的布袋除塵器是需要進(jìn)行反吹的，因?yàn)椴即闹饕煞志褪枪杷徜X、二氧化硅或者三氧化二鋁，跟粉塵的成分都是氧化物，這些相似相溶的氧化物容易相互吸引在一起，需要外力將其分開(kāi)除掉。三維蜂巢蓄換熱器采用不銹鋼纖維絲制作而成，其實(shí)質(zhì)就是金屬鐵單質(zhì)，跟粉塵氧化物之間既不相似，也不相溶，所以從機(jī)理上來(lái)說(shuō)它就不會(huì)粘結(jié)粉塵。不銹鋼濾布相當(dāng)是一個(gè)低表面能的一種結(jié)構(gòu)，如果粉塵集聚到不銹鋼濾布上多了之后，它會(huì)在重力的作用下整塊整塊的往下掉。所以在一定程度上只要粉塵不是特別的黏，它是具有自清灰作用的，不需要像布袋除塵器那樣進(jìn)行反吹。
另外，對(duì)于三維蜂巢換熱器的阻力，主要包含兩部分：外層的不銹鋼纖維和內(nèi)層的蜂巢阻力。外層的不銹鋼纖維內(nèi)部雖然非常的細(xì)密，但因?yàn)樗浅５谋。运淖枇Ψ浅Ｐ。诙磷笥遥粌?nèi)層的蜂巢是根據(jù)換熱能力來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，比如來(lái)流的煙氣量大，熱負(fù)荷大就需要設(shè)計(jì)的厚一點(diǎn)，它的阻力會(huì)大一點(diǎn)。如果設(shè)計(jì)的薄一點(diǎn)，阻力會(huì)小一點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)的每單位米的蜂巢的阻力也就100帕左右。
實(shí)驗(yàn)室研究成果：要回收高溫?zé)煔獾挠酂幔绻鋮s介質(zhì)用的是氣體介質(zhì)，換熱管內(nèi)外都加三維蜂巢，蜂巢相當(dāng)于是一個(gè)強(qiáng)化氣體側(cè)傳熱的元件，如果用水或者是用其他液體作為冷卻介質(zhì)，換熱管里面就不用加三維蜂巢，只需在氣體測(cè)加三維蜂巢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種集成的管件（如圖三所示）跟普通光管相比，三維蜂巢管件煙氣出口溫度成反指數(shù)急劇下降，出口溫度可急劇下降到100℃以下，比常規(guī)光管的換熱能力強(qiáng)化了5~8倍左右。對(duì)于除塵效果來(lái)說(shuō)，出口的粉塵濃度可以降到10mg/m3以下，達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，粉塵的凈化效率高達(dá)99%以上。三維蜂巢管件的壓降大概是在3000帕左右。
圖二：三維蜂巢集成管件
中試實(shí)驗(yàn)成果：在中試實(shí)驗(yàn)裝置（如圖四所示）上自制高溫?zé)煔猓肟跓煔鉁囟却蟾?/span>700多度，為保證水蒸氣和污染物不析出，煙氣出口溫度控制在150℃左右。中試實(shí)驗(yàn)裝置煙氣余熱回收效率達(dá)到72%以上，回收效率相對(duì)比較高，在國(guó)內(nèi)達(dá)到領(lǐng)先的水平。
圖三：超大三維拓展表面蓄\\換熱耦合式煙氣凈化高效余熱回收中試裝置
圖四：中試實(shí)驗(yàn)余熱回收率和除塵率
第三方測(cè)試的實(shí)驗(yàn)成果：入口的煙氣溫度平均800.7℃，煙氣含塵濃度約2086~12459mg每立方米。經(jīng)過(guò)三維蜂巢除塵換熱之后，出口煙氣的粉塵濃度降到30mg以下，約 5~27mg/m3，余熱回收效率是72%，粉塵凈化率是99%。
圖五：第三方測(cè)試報(bào)告及專(zhuān)家審查意見(jiàn)
工程示范成果：山西太原太鋼建設(shè)一套三維蜂巢除塵換熱一體化示范性裝置，針對(duì)精煉爐的高溫高含塵煙氣進(jìn)行余熱回收。精煉爐熱負(fù)荷波動(dòng)很大，周期性運(yùn)行，煙氣最高溫度為890℃，最高含塵量為74.7g/m3。經(jīng)過(guò)示范性裝置的除塵蓄換熱和穩(wěn)溫作用后，出口煙氣的粉塵濃度降到10mg/m3以下，凈化后煙氣平均含塵量為4.82mg/m3，總壓降的變化為2000帕以下，余熱回收效率為70%。
冶金，建材、化工等都屬于高耗能、高排放的行業(yè)，在能源密集型的高溫生產(chǎn)過(guò)程中燃料燃燒產(chǎn)生的絕大部分余熱都是通過(guò)煙氣所排放出去的。煙氣所排放的余熱相當(dāng)于整個(gè)工業(yè)能耗的大約17%~20%左右，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為3.4億噸/年，具有極大的回收價(jià)值。三維蜂巢換熱器具有極限化余熱回收、可連續(xù)蓄換熱和除塵一體化的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵、建材、化工等各類(lèi)加熱爐、豎爐、回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)爐等典型窯爐高溫高含塵煙氣的余熱回收，在工業(yè)煙氣余熱回收領(lǐng)域具有巨大的潛力。