高效三工质热管空气预热器在燃气炉节能领域的应用

高效三工质热管空气预热器在燃气炉节能领域的应用

曾洪骏 闫永勤 贺礼兵 沈志斌 吕洪伟

北京时代科仪新能源科技有限公司，北京 100085

摘要：针对工、商业在使用燃气炉的过程中普遍存在的能耗高、氮氧化物高的问题，介绍高效三工质热管空气预热器，实现烟气余热的高效利用、排烟温度充分下降、氮氧化物降低的有益效果。本技术采用三种不同沸点的工质，实现三级不同温区的空气预热效果，具有节能环保的特点，符合碳达峰、碳中和的政策要求。

关键词：碳达峰 碳中和 节能 环保 燃气炉 空气预热器

1 引言

实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局，着眼建设制造强国、推动高质量发展作出的重大战略决策。为了推动重点工、商业节能降碳和绿色转型，必须在重点领域推广有效的节能低碳技术。

天然气作为主要的能源物质之一，用量及占比逐年上升。在工、商业中普遍采用的燃气炉常出现排烟温度高、热量损失严重、氮氧化物含量偏高等问题，通过高效三工质热管空气预热器能够实现很好的改进效果。

2 现状及主要问题

天然气（或者混合燃气）普遍应用于工业企业的蒸汽锅炉、一段炉、裂解炉、焚烧炉等，同时应用于商业楼宇的直燃机、热水锅炉、供暖系统等。以化工的一段炉为例，该燃气炉的基本形式（示例）如下：

图1 化工一段炉的基本形式（示例）图

该燃气炉的初始排烟温度达300℃，需要配置空气预热器，采用烟气余热对进风进行预热，降低热量损失。空气预热器通常采用热管作为传热部件，但是通常的热管采用普通的水作为介质，而水在标准大气压下的沸点为100℃，因此在较低温度情况下热管内部的饱和蒸汽压强较低，低于标准大气压，其传热能力大幅降低，使得普通热管的传热性能较低，最终烟气保持的温度较高，最低也在125℃以上，通常的温度范围在160~180℃，热量散失较为严重。同时，由于烟气温度较高，容易在烟道内形成二次氧化，提高了排烟的氮氧化物浓度。

上述问题的本质原因在于：普通的热管空气预热器基本上是沿用燃煤炉的参数，通常燃煤炉的烟气温度不宜低于160℃，以免二氧化硫形成酸性凝露。但是由于天然气的价格高、含硫量低、燃烧耗氧量大、烟气露点低，因此需要一种适合天然气炉使用的新型空预器，实现较低的烟气温度、较高的空气预热温度，同时期望烟气温度的降低带来更低的氮氧化物含量。针对上述需求，笔者设计了高效三工质空气预热器，并应用于实践。

3 技术原理

高效三工质空气预热器主要采用三个温区，分别对应烟气的温度范围是：320~140℃、140~90℃、90℃~50℃，在不允许凝露的情况下最终可将烟气温度降低至80~85℃，在需要进行烟气后续脱白的情况下可以降低至60℃以下。通过上述配置，排烟温度低、热量散失少，空气温度可以被预热至更高的范围，实现节能效果。

该种空气预热器的三个温区分别采用水及两种有机工质作为介质，分别工作在不同的沸点范围，实现高效换热效果。其结构形式如图所示：

图2 高效三工质空气预热器的结构示意图

4 使用案例

该技术使用于尿素工业一段炉，实现烟气温度显著下降、预热温度明显提高的效果，并且由于气密性好，能够精确控制残余含氧量，使得残余含氧量显著降低。

表1 使用效果对比（大气温度30℃条件下）

通过高效空气预热器的使用，对燃料气的节省率在3~4%范围，对于该型一段炉的燃气节省量可达550Nm³/h以上。

5 未来应用方向

天然气是低碳燃料，随着天然气的进一步广泛应用，未来燃气炉的需求量会不断上升。针对燃气炉专门设计的新型高效空气预热器的应用前景十分广阔，能够为节能低碳做出应有的贡献。

参考文献：

[1]国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、市场监管总局、国家能源局，国家发展改革委等部门关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见，发改产业〔2021〕1464号，2021年10月18日

[2]兰州石化机械研究所，换热器，第二版，中国石化出版社，2012年10月

[3]慕星华，热管空气预热器在锅炉中的应用，广东化工，2010年第5期

[4]刘光启，化学化工物性数据手册，化学工业出版社，2002年1月