熱管技術在化工余熱回收中的應用

熱管技術是一種密閉腔內的相變傳熱技術^[1]。我國熱管的工業應用研究開發始于1976年，經過三年的開發研究，首先解決了工業制造技術。即：碳鋼－水相容性技術；高真空下的管子充液技術；管子封口技術；冷熱氣流分隔等技術。1980年，我國第一臺熱管換熱器在南京投入工業試運行，同年12月通過江蘇省科委鑒定；1982年7月，我國第一臺碳鋼－水熱管余熱鍋爐在如東化肥廠運行成功并通過鑒定；同年，我國第一臺用于高爐熱風爐余熱回收的碳鋼－水空氣預熱器在馬鞍山第一煉鐵廠運行成功，至此奠定了熱管技術在我國工業應用中的基礎^[2]。

時至今日，熱管技術工業化應用及研究發展迅速，可謂遍地開花，航天、核電、新能源的開發、民用節能、電子器件冷卻、化工、動力、冶金、陶瓷等行業都能找到其蹤影，可參見近幾屆的全國熱管會議論文集及文獻[3]。

熱管技術的應用分為兩大類：一是以熱管為單元構成的換熱器，二是按熱管工作原理運行的整體設備。在化工行業中的應用的最為成功，也最具代表性當屬碳鋼（不銹鋼）－水重力式熱管換熱器，有整體式和分離式兩種主要結構型式，其詳細結構型式及設計計算可參見文獻[2]。本文將重點介紹熱管技術及設備在余熱回收方面應用。

1在煙氣回收中的應用

在化工工業中，很多余熱是蘊含在煙氣中排放的，以合成氨和制酸行業產生的廢煙氣為最?；厥掌涞蜏赜酂峥捎脕恚侯A熱助燃空氣、預熱鍋爐給水、或生產低壓蒸汽作為生產原料；回收高溫余熱產生中壓蒸汽作原料蒸汽補充，或生產高壓蒸汽作為生產的動力源。圖1為熱管式換熱器在廢氣余熱回收中的典型流程。

圖1 煙氣余熱回收流程

在制酸行業中，由于爐氣中含有較高濃度的SO₂、SO₃，或HCl，或NO₂氣體，一旦與水或水蒸氣接觸便具有強烈的腐蝕性。這便對設備提出了特殊的要求, 其必須具有高度的可靠性、安全性和防止低溫露點腐蝕的能力。熱管式換熱器因具有傳熱效率高、結構緊湊，不會發生漏風現象，抗露點腐蝕等優點，正逐漸替代傳統的列管式和回轉式換熱器。這也是熱管式換熱器在該領域內應用廣泛的一個主要原因。

1.1空氣預熱器

一段轉化爐是30萬噸/年大型合成氨廠的關鍵設備。其排出煙氣溫度大多在300℃左右。煙氣量達140000 ~ 240000 Nm³/h。如果將其降溫到140℃排空，則回收的熱量可達8400 ~ 15000 kW?；厥者@部分熱量最合理的用途是加熱助燃空氣。資料表明^[4]：回轉式空氣預熱器改為熱管式空氣預熱器后有如下優點：免去了回轉式電機的動力消耗；熱回收效率提高了18.3%；減少了維修工作量。

圖2為某廠的熱管空氣預熱器，a為換熱器內部簡圖，b為實物照片，采用的是分離式結構型式，連接管線達50m，實現遠程傳熱。此外該型式換熱器還可實現煙氣同時與多種氣體進行熱交換，除了加熱空氣外，還可加熱其他工藝氣體，從而實現廢熱利用的最大化。

2分離式熱管空氣預熱器

1.2水預熱熱器圖

熱管水預熱器，或稱熱管省煤器，多用于回收低溫煙氣余熱來預熱除氧器給水，或鍋爐給水。水側通常采用套管聯箱結構型式，可以承受較高的工作壓力，如圖3a所示。圖3b是為某硫酸廠設計的熱管省煤器，配備于年產15萬噸硫酸裝置，用于鍋爐給水預熱。煙氣流量為37000 Nm³/h，進出口溫度340/160^oC,加熱水量為25噸/小時，回收熱量2600kW。該換熱器傾斜安裝，煙氣自上而下沖刷熱管，從而避免積灰現象，同時也不影響熱管工作。還一種常用熱管省煤器為水平夾套式結構，如圖3c所示，采用的是徑向偏心熱管，其詳細結構及應用可參見文獻[5]。

圖3 熱管省煤器

1.3蒸汽發生器

熱管蒸汽發生器，又稱熱管余熱鍋爐，兼有水管鍋爐和火管鍋爐的優點，啟動迅速。其結構可以是熱管冷端直接插入汽包，也可以是前面介紹的夾套聯箱與汽包連通的結構型式，如圖4a所示。年產10萬噸硫酸的某硫酸廠，采用了一臺熱管式蒸汽發生器用以回收SO₂爐氣余熱，產生2.5MPa，9.50 噸/小時飽和蒸汽，回收熱量6497.5kW，如圖4b所示。爐氣經過熱管蒸汽發生器后降為355℃進入電除塵室。圖4a中隔板的下部為熱管的吸熱段，焊有螺旋翅片。上部為熱管的放熱段，采用水夾套結構，經集箱集汽后經上升管與汽包連接。冷熱側由隔板完全分開, 即使出現有個別熱管磨損破壞，也只會是熱管內部少量工作流體流入煙道，不會影響正常生產，避免了大量爐水向煙道泄漏而導致停產。各熱管通過控制加熱段傳熱面積使管壁溫度>230℃，可有效地防止露點腐蝕。如每噸蒸汽按60元計，年運行7200小時效益可達430余萬元，設備投資可在一年內收回。

圖4熱管式蒸汽發生器

影響前面提及的熱管換熱器性能和壽命的因素有：低溫酸露點腐蝕、積灰、磨損，以及熱管內部產生不凝性氣體，低溫酸露點腐蝕和產生不凝性氣體往往是造成熱管換熱器失效的主要原因。因此，在熱管換熱器制造和使用中應注意如下問題：

1) 在高溫條件下，碳鋼－水熱管內部Fe與H₂O反應會產生不凝性氫氣，直接導致熱管性能降低。在無防范條件下，通常熱管換熱器工作一兩年后，其性能要下降30％－50%。為此可采?。簾峁軆缺砻婊瘜W處理形成鈍化膜；水中加入緩蝕劑；熱管頂部加裝排氣裝置，定期排氣；熱管內頂部懸掛H₂吸收劑等改善措施；

2) 減少煙氣中酸性氣體的含量，降低酸露點溫度；

3) 提高排煙溫度，避開酸露點溫度，實踐經驗表明，排煙溫度以高于140^oC為宜；

4) 對煙氣除塵；安排合理的煙氣流速，流速太低容易積灰，太高又會對熱管產生磨損，以10m/s 為宜；

5) 煙氣盡量自上而下流動，對于水平流向，應對裝置定期除灰，以減少積灰現象；

6) 對熱管換熱器進行定期評估，方法可參見文獻[6]。

2廢液/汽余熱回收

由于廢液及廢汽量小、不集中以及熱值低等因素，目前在化工企業中通常不回收此類低品位能源。此外，傳統的管殼式換熱器，由于傳熱溫差較小，效率低下，而無用武之地。

密閉腔式換熱器是熱管技術衍生的一種新型管殼式換熱器，如圖5所示，其他結構型式參見文獻[7]。密閉腔由兩端孔板與筒體殼體組成，內沒有多余的部件，故而結構簡單；同時冷熱流體均走管內，可以承受高壓而不至于增加殼體厚度，達到節約成本的目的；真空密閉腔內為相變傳熱，因而冷、熱流體管束外側具有較高的傳熱系數，通過合理對管箱分程設置冷、熱流體的流速，或者采取管子內側強化傳熱措施，即可實現整體換熱器的高效傳熱；即使熱流體溫度在三、四十度，也會使密閉腔內的介質汽化進行工作。工作時，密閉腔內工作介質處于飽和狀態，并維持一個穩定的壓力和溫度，當調整冷熱流體任一方的參數，腔內的工作介質的溫度和壓力回迅速進行相應調整，從而方便控制另一側的出口溫度?？偟恼f來，該換熱器具有結構簡單、成本低、熱相應快、熱控方便、易于清洗、傳熱效率高，節能效果顯著等優點。

 

圖5密閉腔式換熱器

該換熱器結構可大可小，對于小流量廢液或廢汽，可將其作為小型管道設備來使用，直接加熱附近的其他低溫流體介質，或者加熱水作為伴熱用于管道或設備的保溫，以及其他用途。對于用于廢汽回收，熱流體管道可以加粗，內部放置導流片，來增加蒸汽的湍流效果。

該型式換熱器還未在工程實踐中應用，處于試驗和規范設計計算階段。除了用于廢液/汽余熱回收外，還可用于：化工單元操作中的的液－液換熱設備；管式反應器，可以精確地控制反應管內的工作溫度；電加熱器，以電為熱源加熱液體介質。

3結論

通過具體的實例介紹了多種熱管換熱器在化工廢氣余熱回收中的經典應用，并詳細介紹了密閉腔式換熱器及其回收廢液和廢汽中低品位熱量的可行性。

在整個社會倡導節能降耗減排的今天，為熱管技術及設備的推廣應用鋪平了道路。在化工領域中，除了應用于余熱回收，熱管技術還將滲透到化工單元操作中換熱、攪拌、反應、分離等多個環節，從根本上提高能源利用率，改善產品質量。

參 考 文 獻

[1] Cotter T P. Theory of heat pipes[R]. Los Alamos Scientific Lab. Report No. LA-3246-MS. 1965

[2] 莊駿, 張紅. 熱管技術及其工程應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2000. 2-4

[3] 馬永錫, 張紅. 電子器件發熱與冷卻技術[J]. 化工進展, 2006, 25(6): 670-674.

[4] 李綱, 陳式榮. 熱管式空氣預熱器在我廠的應用[D]. 西南大化肥第5屆年會,1994.10

[5] 牟楷, 王虹. 硫磺制酸中的中、低溫余熱的利用-徑向熱管省煤器的研究、開發和應用[J]. 磷肥與復肥, 2003, 18(6):39-42.

[6] 馬永錫, 儲小燕, 張紅. 在役熱管有效性模糊評估技術的研究[J]. 石油化工設備, 2005, 34(4): 6-9.

[7] 馬永錫, 密閉腔式換熱器[P], 中國, CN200710039328.4, 2008.8.