空心环管壳式换热器工业化应用回顾

　　自1990年第一台空心环管壳式换热器在广东乐昌市磷肥厂投运以来,近10年间,空心环管壳式换热器已在20多套硫酸生产系统中投入工业化应用,生产规模从年产25 kt、30 kt、40 kt、60kt、80 kt、160 kt直至400 kt ;单台换热面积从最小的115 m2至最大的4 100 m2。1995年国家科委将此项目列入“九五”国家级科技成果重点推广计划项目(编号:96010301A) ,10年间该项目已为硫酸企业节能降耗及超产增效创造了巨大的经济效益,深受硫酸工业用户的欢迎。1996年11月在广东鹤山市磷肥厂由中国硫酸工业协会主持的空心环管壳式换热器工业应用技术鉴定结果表明,该种换热器具有国际领先水平。

　　从传热强化的特色上讲,该种换热器一是采用双面强化传热的缩放型传热管,对管内外两侧气体均有促进界面湍流、强化对流传热的作用,换热器总传热系数最高可达30 W/ (m2·K) ,与传统换热器相比,可节省传热面积40 %～50 %;二是采用空心环管间支承结构,该支承方式轴向流道空隙率大,可达80 % ,故对轴向冲刷的流体形体阻力非常小,可使绝大部分壳程流体的压降作用在强化传热管的粗糙传热界面上,用以促进界面上的对流传热,可充分发挥强化管的传热强化作用,在低流阻条件下获得高的传热性能。对两转两吸转化系统而言,系统4台换热器(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与Ⅳ)可替代传统6台换热器(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa +Ⅲb、Ⅳa+Ⅳb) ,气体总压降仅7 000 Pa左右,而且可长期维持低压降运行,不易堵塞。与传统换热器相比,系统风机风压可减少20 %～30 % ,一则在新系统中可选用风压较低、投资较少的风机设备,二则在系统操作费用上可大幅降低风机电耗,减少硫酸的生产成本。

　　从设备投资费用上讲,与传统换热器相比,空心环管壳式换热器具有很强的竞争力。以40 kt/a硫铁矿制酸、两转两吸流程换热器投资为例:入口φ( SO2 )为815 % ,传统换热器所需面积约2 000 m2 ,换热器重量约100 t ,按7 000元/ t计,总投资约70万元。而空心环管壳式换热器仅需传热面积约1 000 m2 ,换热器重量约50 t ,按10 500元/ t计,总投资仅5215万元,可节省1715万元,占总投资的25 %。随着强化管加工技术的成熟与完善、市场的扩大与产量的增加,强化管的价格在近年已逐步下降,适合了广大硫酸企业的生产需求,也为加快我国硫酸工业换热设备的更新换代提供了有利的条件。

　　从设备的抗垢、抗酸蚀及抗氧化方面看,由于换热器采用了壳程环状进出气夹套结构,避免了传统换热器壳程入口段传热管湿壁结垢,而缩放管均采用抗高温氧化的20g管,故比传统换热器具有较好的抗垢与抗酸蚀性能,同时也能长期耐高温氧化,减少氧化脱皮。从理论上讲,为何换热器采用了壳程环状进出气夹套结构后,可避免壳程入口段管束的湿壁结垢?这需从管子内外两侧的气体对流传热膜系数的变化上分析。由于传统换热器的壳程入口气速很高,管外传热膜系数远高于管内(光滑管)的传热膜系数,故使得入口段第一、二排管壁的金属温度贴近管外的冷气体温度(一般60℃左右) ,远低于在常压下水汽的蒸发温度(100℃) ,故当转化系统入口气体含酸雾较多时,就会形成湿壁现象,酸泥粘在管壁上不易脱离,而且愈积愈多,在不太长的时间内就会出现入口堵塞、气阻上升的现象,这是硫酸行业中普遍存在的棘手问题,也是造成管子酸蚀破坏的主要原因之一。而改用环套进出气结构之后,壳程入口气体经夹套沿壳程的周向环形进气,气速很低,管外的传热膜系数与管内(缩放管)的传热膜系数两者相差不多,故可使气体入口段管壁的金属温度居内外气体温度之中值,例如管外入口气温为60℃,管内出口气温为180℃,则两者之中值为120℃,管壁金属温度高于100℃,酸雾打在管壁上很快就被蒸干,故不会出现入口管子的湿壁现象,酸泥也难于在管壁上粘附,很容易就被气流带走,因此空心环管壳式换热器可长期维持低压降操作,不受酸泥堵塞的影响,同时抗酸蚀的能力也大大提高,换热器寿命得以延长。这一长期低压降操作的现象,在广东的乐昌、鹤山磷肥厂及其它各硫酸生产系统中都可直接观察到。而从抗高温氧化方面看,由于缩放管是采用优质的20 g管,抗高温氧化性能较好,经冷轧加工后仍能保持良好的抗高温氧化性能,1991年在广东乐昌磷肥厂硫酸两转两吸转化系统投运的Ⅰ、Ⅱ换热器,采用20 g缩放管,至今仍在正常运行,而且依然维持低压降运行,这表明换热管并未因高温氧化脱皮而造成堵塞。而该厂1990年以前使用的Ⅰ、Ⅱ换热器曾有严重的高温氧化脱皮现象(仅使用2～3年) ,造成换热器气阻很高(达3 500 Pa)。

　　关于换热器及缩放管的制造问题,这是企业在选择方案时最关心的问题之一。空心环管壳式换热器采用空心环网板(见图1)替代传统的弓形折流板支承传热管束,从表面上看不易制作,但实际上当制作者掌握了加工的方法,其制作的难度并不高于普通弓形折流板,制作工时还不到折流板的一半。由于空心环管壳式换热器是壳程轴流型的换热器,壳程气体从纵向冲刷管束,不存在弓形折流板对管孔与板周边严格密封的问题,故制作起来周边空隙可以适当放宽,容易制作。而且全部制作均为板金工制作,可依靠管板作模具,程序简单且易于掌握。多家硫酸企业均自己制作这种换热器,他们都感到制作并不困难,只是在做第一块网板时需花点时间学习掌握一下加工方法,以后的加工速度就很快,也很顺利,并没有哪家企业认为这是一个制作难题。由于空心环支承物与传热管壁之间均留有大于1 mm的空隙,故在换热器的组装过程中穿管很容易,比传统的折流板更易于组装,许多企业加工后都有此体会。为什么选用空心环网板?这里有两方面的原因:a1空心环网板在壳程周向流道的空隙率非常大,可达80 % ,故形体阻力非常小,这是选用它与强化管配合的主要原因; b1空心环的短管节的长度为30mm ,对ª51 mm×315 mm缩放管的凹面可以全部覆盖,无论在壳程哪一轴向位置支承,都可与缩放管的凸肋面相接触,故在机械支承强度上可保证绝对安全。对于缩放管,有人担心轧制后管壁会减薄,影响传热管寿命,实际上,这种管经轧制后内外凹凸曲面是完全对称分布的(见图2) ,在厚度上没有减薄,加工后的管件经剖开后作厚度测量,剖面上看不出有任何减薄,几乎每一家用户在应用前都提出这一问题,而实测的结果都使他们感到满意。

　　空心环管壳式换热器技术作为国内创造的专利技术在技术性能上在国内外居领先地位,经10年来在硫酸工业的推广应用已为企业与社会创造了巨大的经济与社会效益,在节能、节材、增产与环保方面都作出了有益的贡献。随着该项技术的软件设计与硬件制作不断改进与完善,为企业增添的经济效益也愈加显著。而这一新技术的普及应用,有赖于硫酸行业技术人员对此技术的认识与了解,使之变为提高硫酸生产效率的有效手段。