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整个换热器又分为高温热管区和中温热管区和低温热管区。在低温区,工作温度限制在250℃以下,采用水(经化学处理后的)作为热管工质较理想;在中温区,工作温度限制在250~400℃范围内,采用萘作为热管工质,萘热管在400℃左右具有可靠的热稳定性和良好的传热性,且与碳钢有良好的相容性和安全性,预计有很长的使用寿命[3~5];在高温区,工作温度在600℃以上常采用液态金属热管,液态金属有良好的热稳定性和较低的饱和蒸气压,如钠在800℃时饱和蒸气压仅为0.047MPa,因此在高温条件下液态金属热管的壳体几乎不承受内压,而且常用的几种液态金属在高温下均具有较高的汽化潜热,如800℃时钠的汽化潜热为3977kJ/kg,因而高温热管能够传递很高的热量。
2 应用实例
2.1 喷雾干燥中的应用
2.1.1 十二醇硫酸钠喷雾干燥
十二醇硫酸钠是优良的阴离子表面活性剂,它是一种热敏感性多泡性物质,其干燥所需的高温热源(450~500℃)一般采用煤气直接燃烧产生的烟气。对于没有煤气或煤气价高的地方,热源成为一大难题,若使用液化气、轻柴油等其他热源,均会对十二醇硫酸钠产生污染而影响色泽。一般的板式、列管式和板翅式换热器所能提供的热源温度在400℃以下,且热效率低,而热管的各种特性适于解决这一难题。如图2所示,由煤燃烧炉产生的高温烟气(950~850℃)直接进入高温热管换热器的吸热段(热管的蒸发段)逐步经过高温热管区、中温热管区和低温热管区降至200℃以下排入烟囱。空气由常温20℃进入热管换热器的放热段,通过热管与烟气的逆流换热被加热至470~500℃去喷雾塔,干燥十二醇硫酸钠。
2.1.2 高岭土喷雾
干燥高岭土是化工、造纸和建材中一种重要的添加剂,其浓度高达63%~66%,料浆粘度为500~1200mPa?s。如此高浓度和粘度的料浆,喷雾干燥具有一定难度,其关键是要有温度达到500℃的热风,由于对高岭土的白度有较高的要求,因而在干燥过程中应该力求避免污染物混入料粉中。以燃烧烟道气为热源的高温热管式空气加热器可满足这种要求。如图3所示,常温空气由鼓风机自热管换热器的底部进入热管换热器低温段,经中温段及高温段加热达500℃后排出,进入喷雾塔作为干燥热风。自煤燃烧炉出口的烟气温度达900~1100℃,由换热器顶部向下流动与冷侧空气形成逆流换热,温度降到200℃以下由引风机排入烟囱。
2.2 小氮肥余热回收中的应用
江苏新苑集团公司化肥厂于1994年对其合成氨造气工段进行技术改造,采用高温热管蒸汽发生器(图4)回收半水煤气的余热,至今已安全运行8年。该工段煤气流量为135000m3/h,温度为950℃,通过高温热管蒸汽发生器将其温度降至250℃,每小时可生产4t蒸汽,蒸汽压力高达1.57MPa。全年运行时间为7200h,每吨蒸汽按40元价格计,则全年可回收价值115.2万元,氨年产量为20kt,则平均每吨氨可降低成本57.6元,扣除固定资产折旧、大修费用和运行成本,每吨氨可净降低成本39.78元,年收益为79.56万元。
高温热管技术在小氮肥余热回收中的应用获得了令人满意的效果。实际运行表明,高温热管蒸汽发生器达到的某些性能指标,是其他类型的换热器所达不到的。该项技术已在江苏、安徽、辽宁、广东、山西及青海等省十多个小氮肥“二改一”工程中得到推广应用。
3 应用前景
高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功,并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明,高温热管换热器达到的某些性能指标,是其他类型热风发生器所达不到的,因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的:
a.向各类干燥设备(喷雾于燥、沸腾干燥、气流干燥、隧道干燥及链板式干燥等)提供清洁的高温热风。
b.向气流焙炉提供800℃以上的高温热风,对物料直接进行气流焙烧。
c.向各类燃烧器提供助燃热风,改善燃烧状况,提高燃烧效率,节约燃料。据资料介绍,用普通换热器将助燃风加热到300~400℃可节约燃料15%~25%,用高温换热器可节约燃料40%以上。
d.高温预热煤气(或助燃气),使冶金工厂大量的低热值高炉煤气(其热值约为4187J)资源在加热炉上的利用成为可能。
e.回收利用六大耗能工业(冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷)的高温余热,使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。
由以上可以预见,高温热管热风发生器将具有广阔的推广应用前景,对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。
4 存在的问题
当前,高温热管换热器在传热方面还面临两大急需解决的问题:
a.结构庞大,成本昂贵,极大地阻碍了高温热管换热器工业化应用进程;
b.过渡段的衔接不合理,导致部分热管处于不工作和非正常工作状态。
要解决好上述问题的关键:
a.优化高温热管换热器结构有两个途径:一是对单根热管进行传热强化研究;二是合理预测壳程的流场与温度场的分布,二者的优化组合研究是今后热管换热器强化传热技术发展的方向。
b.过渡段的强化传热对优化高温热管换热器结构、安全衔接各区域热管换热器起着非常重要的作用。
5 结束语
高温热管技术在喷雾干燥中的应用研究取得成功,充分体现了高温热管技术的优越性。为加快高温热管换热器实现工业化进程,笔者认为应尽快提高高温热管换热器设计的合理性和经济性。
具体实施的方法;
a.采用数值模拟的方法模拟高温热管换热器内温度场和流场分布,以便实现高温热管换热器在线检测、故障分析和变工况分析。
b.采用强化换热技术,优化高温热管换热器结构,降低成本,提高设计经济性。加快高温热管换热器在工业中的应用进程。
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