余热回收用热管及热管式换热器的研究

点击：2380 日期：[ 2014-04-26 22:14:08 ]

余热回收用热管及热管式换热器的研究董其伍王丹刘敏珊 (郑州大学化学工程学院，河南郑州450002) 摘要：简要介绍了热管及热管式换热器的工作原理，热管式换热器在工业余热回收中的应用，以及热管式换热器运行过程中防止积灰和低温腐蚀等问题的有效措施。关键词：热管；热管式换热器；余热回收中图分类号：TK172．4 文献标识码：A 文章编号：1002—1639(2007)04·0037·04 能源是发展国民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件，能源的开发和利用程度直接影响着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的提高，余热回收是合理利用能源、节约能源、提高能源利用率等方面不可忽视的问题。热管是一种具有高效传热性能的元件，它可利用很小的截面积远距离传输大量热量而无需外加动力。热管式换热器具有输热能力大、均温性能优良、传热方向可逆、热流密度可变、适应环境能力较强、阻力损失较小等优点，所以热管式换热器能较大限度的回收利用低品位余热。 1 热管及热管式换热器的发展 1．1 热管工作原理及特点热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的元件，一般由管壳、吸液芯、工质组成，结构如图1所示。管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由多孔性物质构成的管芯(若为重力式热管则无管芯)，管内抽真空后注入某种工质，然后密封。热管可分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分，当热源在蒸发段对其供热时，工质自热源吸热汽化变为蒸汽，蒸汽在压差的作用下沿中间通道高速流向另一端，蒸汽在冷凝段向冷源放出潜热后冷凝成液体；工质在蒸发段蒸发时，其气液交界面下凹，形成许多弯月形液面，产生毛细压力，液态工质在管芯毛细压力和重力等的回流动力作用下又返回蒸发段，继续吸热蒸发，如此循环往复，工质的蒸发和冷凝便把热量不断地从热端传递到冷端。由于热管是利用工质的相变换热来传递热量，因此热管具有很大的传热能力和传热效率。另外，热管还具有优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性、恒温特性以及对环境的广泛适应性等一系列优点。 1．2 热管分类热管按其工作温度可分为：低温、中温及高温热管，选用热管时必须根据热管的工作温度来选用管内的工质。低温热管的工质有丙酮、氨、氟里昂等；中温热管的常用工质有：水、萘等，水的工作温度为90～ 250 oC，萘的工作温度为280～ 400℃；高温热管的常用工质有：钠、钾等液态金属，工作温度一般在450℃以上。热管按工质回流的动力可分为：吸液芯热管、重力热管或两相闭式热虹吸管、重力辅助热管、旋转式热管、分离型热管、电流体动力学热管、电渗透热管等。根据热管翅片与管壳的连接方式可分为：穿片式热管、镍铬合金钎焊热管、高频绕焊热管3种形式。 1．3 热管式换热器结构及分类由于单根热管传热量有限，于是把单根热管集中起来，形成一束置于冷、热源之间，使热源中的热量通过热管束源源不断地传至冷源，这就是热管式换热器。热管式换热器中的热管元件可以呈错列三角形排列，也可以呈顺列矩形排列。热管式换热器由热管、箱体和中间隔板组成，隔板将箱体分为两部分，形成冷、热介质的流道，隔板保证两侧流体互不混淆，热管横穿隔板，一端与热流体接触，一端与冷流体接触，冷热两端可按需加装翅片以增大传热面积。热管式换热器的基本结构如图2所示。热管式换热器按照流体的不同种类可分为：气一气型热管式换热器，气一液型热管式换热器，液一液型热管式换热器；按照热管式换热器的结构型式可分为：整体式、分离式、回转式和组合式。 1．4 热管式换热器的特性热管式换热器本身是依靠内部工作液体相变来实现传热的，而且可以在两流体侧实现翅化，增大了换热面积，减小了两侧的对流热阻，动力消耗小。另外，热管式换热器可以实现流体管外垂直外掠流动和冷热流体的纯逆流流动，在不改变冷热流体入口温度的条件下，增大了冷热流体换热的平均温压；因此热管式换热器的传热性能好于常规管壳式换热器。热管式换热器中热管元件的蒸发段和冷凝段的长度形式可以按实际工况需要合理布置，根据两侧冷热流体的温度、流量、性质、传热量等因素独立确定，两种流体被隔板隔开，彼此互不掺混。热管式换热器的这种特点可以适用于温度、流量及清洁程度相差悬殊的两种流体间的换热。在热管式换热器中，当热管元件的某一端局部损坏时，仅仅是该热管元件失效而停止传热，并且单根热管元件损坏后更换方便，不会影响换热器整体。因此，热管式换热器结构形式好于常规管壳式换热器。 2 热管技术在工业余热回收中的应用 20世纪60～ 70年代世界上爆发的能源危机，导致燃料短缺、燃料费用上涨，严重地威协着生产的发展和人民生活的需要，于是迫切要求人们开发新能源和节约现有能源。在工业生产的各个部门中，有大量的加热炉、窑炉、工业锅炉等，其排烟温度在200～ 500℃之间，排烟余热未获得充分利用，造成能源的严重浪费，因此，发展有效的余热回收装置是能源得以合理利用的有效方式。由于余热的低品位性及存在的普遍性，要求余热回收装置能在小传热温压下传递大热流量，热回收率高，阻力小，还要求结构简单、紧凑、经济，并能妥善处理低温腐蚀问题。常规形式的换热器由于传热温压小、体积庞大、投资费用昂贵，或是由于换热流程长、阻力大，驱动功耗剧增，运行费用高，或是由于制造复杂、难以维护，或是由于腐蚀、结垢、危急设备寿命等原因，其在余热回收中的应用受到限制。而热管式换热器以其优良的性能可较好地解决上述问题，满足余热回收的要求。目前余热回收系统中的热管式换热器主要有以下三种形式：热管式空气预热器、热管式省煤器和热管式余热锅炉。热管式空气预热器是常见的气一气型热管式换热器，它是利用排烟余热，预热进入炉子的助燃空气，不仅可以节约燃料，提高燃料的利用率，还可以减轻对环境的污染。热管式省煤器属于气一液型热管式换热器，在工业锅炉或工业窑炉中，采用热管式省煤器利用烟气的热量预热锅炉给水或是提供生活用热水。热管式余热锅炉通常称为热管蒸汽发生器，热管式余热锅炉在热管冷侧外表面通过的流体是由进入的给水产生蒸汽，可以说是气一气型热管式换热器，也可以说是气一液型热管式换热器。以下简要介绍一下热管式换热器在我国几种主要行业中的应用。 2．1 热管式换热器在电站锅炉中的应用福建省永安发电厂2 130 t／h型燃用加福无烟煤锅炉，1987年加装前置式热管空气预热器，低温段空气预热器人口风温由30～ 40℃升高到85～ 90℃，排烟温度由151℃降低到133℃，锅炉效率提高了2．68％。四川成都热电厂5 煤粉炉，1987年利用热管式空气预热器代替卧式玻璃管空气预热器，排烟温度降低了21．5℃。滦河发电厂2 煤粉炉，1991年利用热管式空气预热器代替回转式空气预热器，年经济效益250万元。由于热管式换热器具有小温差下传递大热量的特点，在一般电站锅炉中作为前置式的空气预热器，将会回收利用大量能源。 2．2 热管式换热器在钢铁工业中的应用上海第八钢铁厂在四车问轧钢加热炉上采用气-气型热管式换热器，将助燃空气从20℃预热到80～ 90℃，废气从280℃下降到190℃，每小时回收废气余热为419 MJ。另外在其三车间轧钢加热炉上安装了一台气-液型热管式换热器作余热锅炉用，轧钢加热炉废气由350℃下降到300℃以下，每小时回收热量为47．7 MJ，年回收热量折合标准煤11．59 t，经济效益显著。马钢、宝钢二期工程采用热管式余热锅炉回收环冷机300～400℃排风废热，产生蒸汽用于预热烧结混合料或生活取暖等。马钢第一炼铁厂7 高炉投人运行热管式空气预热器，使废气由290～ 370℃降至150℃，助燃空气温度由常温预热到200℃，装置每小时回收热量3．39 GJ，节约燃烧煤气40％。 2．3 热管式换热器在氮肥工业中的应用化肥厂造气工段的余热回收是合成氨降耗的主要环节，造气工段的工艺余热包括：上行煤气显热、下行煤气显热、吹风气显热、以及燃烧热，占合成氨工艺余热的40％以上，这部分工艺余热热位较高，利用价值较大。中、小型氮肥厂利用热管式换热器对半水煤气和吹风气进行余热回收，半水煤气通过热管蒸发器放出热量，降温后送至洗气塔，吹风气降温后放空，同时产生的中压饱和蒸汽由蒸汽管道送至除氧器或进人蒸汽管网进行下一步利用。大型化肥厂一段转化炉的排烟温度一般在250～ 300℃之间，利用热管式换热器回收这部分烟气的余热，用于加热助燃空气，每小时回收热量折合燃料轻柴油约1．027 t 。 2．4 热管式换热器在硫酸工业中的应用在硫酸生产工艺中，SO：通过接触器氧化为SO 时放出大量热，使SO 干气体的温度高达200～300℃，此时气体需冷却后再进人吸收工段，这部分热量往往被浪费，此时采用气-液型热管式换热器将SO 气体的热量回收加热热水供化碱工艺用，每小时余热回收量为892 MJ，设备每年按7 000工作小时算，余热回收节约的燃料折合标准煤214．5 t 。另外硫酸工业中硫铁矿沸腾炉与工艺静电除尘之间和硫磺焚烧炉与转化工段之间，可以利用热管式余热锅炉回收950℃以上的工艺气的高温余热产生中压蒸汽用于发电或工艺过程。 2．5 热管式换热器在石油化工企业中的应用安庆石化炼油厂减压炉于1995年运用热管式空气预热器回收烟气余热，烟气从365℃降至165℃，空气从进口温度20℃升至220℃，每小时回收热量8．82 GJ，此热管式空气预热器的成功运用说明热管式换热器完全可以用于石化行业中一些燃用高含硫燃料的恶劣工况。石油化工企业中的许多加热炉和裂解炉，例如制造乙烯用的石脑油裂解炉，排烟温度一般在200～ 400℃之问，并且燃烧后的废气往往不利于排空，采用热管式空气预热器利用这部分废气预热助燃空气，可以达到很好的节能效果。国内外许多加热炉采用了两种或三种热管式换热器相结合的流程来回收烟气的高温佘热。即首先将高温烟气通过余热锅炉降至500～600℃，产生1．9～3 MPa的蒸汽，降温后的烟气通过空气预热器将空气预热至250℃，烟气温度降至300℃ 以下进人热管省煤器，将105℃的脱氧水加热至250℃左右，烟气温度降至300℃ 以下，经引风机送至烟囱排放。这种流程具有很大的经济优越性。 3 积灰和低温腐蚀问题热管式换热器与管壳式换热器相比具有传热效率高、压力损失小、工作可靠、结构紧凑、冷热流体不混杂、应用范围广、维修费用少等优点，但是也存在着酸露点的低温腐蚀、水侧除垢、气侧清灰等实际问题。各类烟气不论是燃用固体燃料、液体或气体燃料，都不同程度地存在飞灰和烟尘。含尘烟气流经换热面造成的积灰问题，轻则增加受热面的热阻，降低换热器的性能和效率，使烟道通流截面积减小，流动阻力增加，增加引风机的电耗；重则导致烟道阻塞，换热器失效，被迫停炉撤出运行，严重影响了锅炉运行的安全性和经济性。当燃料中含有硫时，硫燃烧后形成二氧化硫，其中一部分会进一步氧化成三氧化硫，三氧化硫与烟气中水蒸汽结合成硫酸蒸汽，烟气中硫酸蒸汽的凝结温度称为酸露点，它比水露点要高很多。烟气中三氧化硫含量愈多，酸露点就愈高。烟气中硫酸蒸汽本身对受热面的工作影响不大，但当它在壁温低于酸露点的受热面上凝结下来时，就会对受热面金属产生严重腐蚀作用，这种由于金属壁低于酸露点而引起的腐蚀称为低温腐蚀“ 。积灰与低温腐蚀相互影响，严重时将造成换热器的爆管损坏，以至报废，因此积灰和腐蚀问题曾一度成为热管式换热器正常运行的一大威胁和隐患。 3．1 解决积灰问题的措施影响热管式换热器应用的因素主要有：热管工质选择和热管换热器的结构参数。热管工质的选择，必须根据实际应用环境温度来选择工质，现在还没有一种适合各种工作温度的工质。在对热管式换热器进行设计的时候，应该根据使用场合和具体条件，采用最优化设计方法，合理选择热管直径、热管长度、翅片的结构参数(间距、翅片长度、翅片厚度)和翅化比，根据烟气的含尘情况采用合适的翅片间距和管间距等。在进行热管式换热器的设计时，对于高粉尘流体需采用较大的翅片间距，翅片间距可以取到12～20 mm，另外需选择合适的翅片形式，热管式换热器大多选用穿片或螺旋型缠绕片，对于高灰分的情况可以采用轴对称单列纵向直肋翅片和钉头管。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法，这种方法的不足就是随着设备内温度的下降，出口处的密度、动力黏度、导热系数有明显变化，从而引起出口处流体的速度大幅下降，其结果是换热系数和自清灰能力下降，造成换热设备积灰。解决该问题可采用变截面设计法，以等体积流速法代替等质量流速法，如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化，随着烟气温度的降低，将换热设备的流通面积减小，以保证进出口具有相同的自清灰能力“除了通过改变热管式换热器的结构形式来减小热管式换热器的积灰问题外，在防止或减少积灰问题时可以采取以下措施：(1)在烟气风道允许的阻力降范围内适当的提高烟气流速，增强烟气横掠热管元件外壁时的扰动性，使气流产生自清灰作用；(2)适当提高管壁温度，管壁壁温高，管外始终呈干燥状态，因此，也就不会结焦不易粘附烟灰，减少灰分凝聚；(3)将热管式换热器采取一定的倾斜度放置，减少翅片表面的积灰能力；(4)选择合适的吹灰装置定期吹灰，防止堵灰“ 。另外，近年来研制的回转式热管换热器，改善了传热送风性能，有效解决了积灰问题。 3．2 解决低温腐蚀问题的措施在抗低温腐蚀方面可以通过调整热管式换热器冷、热段热管面积来提高热管式换热器的最低壁温，控制管壁温度在露点以上；或在低温区通过改变热管管材，采用耐腐蚀钢如ND钢制造等；另外，需要控制排烟温度，使排烟温度高于露点温度2O～3O℃，保证热管长期安全运行。对于热管式空气预热器可以采用空气旁路技术，即在空气预热器空气进口和出口间设置一根冷风管道，管道中设置调节阀门，通过控制阀门开度就可以控制旁路的空气量，从而控制排烟温度，避免露点腐蚀。该技术不增加动力消耗，旁路控制阀门为常温阀门，技术要求低，操作简单，使用效果十分理想。随着热管式换热器的进一步研究和发展，热管式换热器用于工业余热回收系统中将会有较高的防积灰堵灰和抗低温腐蚀能力，从而在满足节能降耗的前提下，更好地发挥其节能作用。 4 总结随着热管技术日趋发展成熟，热管式换热器在电站、钢铁、冶金、石油、化工、建材、轻工、制冷空调、电子等领域的节能应用中发挥着越来越重要的作用。热管技术的应用将推进我国节能工作的进程，同时降低对环境的热污染，是一项很有发展前途的技术。参考文献：【1】靳明聪，陈远国．热管及热管换热器【M】．重庆：重庆大学出版社，1986 【2】孙世梅．高温热管换热器强化传热及结构优化模拟研究【D】．南京：南京工业大学．2004．【3】庄骏，张红著．热管技术及其工程应用【M】．北京：化学工业出版社，2000．【4】何玉善，刘志敏，王礼．电站锅炉热管式空气预热器的发展和应用【J】．山西电力技术，1995，(2)：25—29．【5】韩春福．气一气热管换热器在电站余热回收中的应用【J】．沈阳电力高等专科学校学报，2002，4(1)：45—47．【6】赵斌，王子兵．热管及其换热器在钢铁工业余热回收中的应用【J】．冶金动力，2005，(3)：34—36．【7】程福元．合成氨造气工段余热回收效果测定【J】．江苏化工， 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