高温热管换热器的结构以及案例应用

近几年来,随着高温热管技术研究的不断成熟和深入,高温热管换热器的应用领域逐渐扩大,目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中,常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要,采用高温热管空气加热器可以轻易地达到这一要求,并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。本文通过高温热管换热器成功应用实例,阐述了高温热管换热器广阔的应用前景以及对工业生产和节能技术的发展所产生重大的影响,同时简要分析了高温热管换热器目前存在的问题,提出几点建议供设计者参考。

1 结构特点

高温热管换热器是由管内充有不同工质的热管组成的组合式热管换热器,主要由热管、隔板和壳体3部分组成(图1)。冷、热流体通道之间用隔板绝对隔开,热管作为传热元件实现冷、热流体间的热量传递。

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。