热管技术发展及其在工业和生活余热回收中的应用

2.1热管技术在工业余热回收中的利用

热管及热管换热器近年来在石油化工中的应用已愈来愈受到人们的重视。它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一端破坏不会引起两种换热流体互混等优点。不仅提高了设备的热效率而其可靠性也大为增加，减少了停车次数。这些特点使得热管换热器在余热回收利用方面具有广阔的前景，然而作为热管本身的其他方面的特点如均温性、热流密度可变性、可变导性、可异性化等特点更加引人注意。早在70年代，国外一些研究者就已经开始注意到热管的这些特点可以在化学反应设备和原子反应堆工程中发挥重要作用，并设计出一系列的热管式反应器，这些设计的特点是：利用热管的等温性均化床层温度得到较高的转化率和收率，利用热管的可变热导特性控制反应床温度不使超温或过冷，利用热管的源汇分隔特性提高设备使用的可靠性，利用热管热流体密度可调的特点改善和强化反应设备的传热条件。应当指出的是，热管化学反应器的开发研究远比热管换热器的研究困难的多，因为涉及原料的组成、催化剂活性、停留时间等一系列因素，这就使得开发速度进展缓慢。但由于这种开发前景诱人，广大研究者始终埋头于这方面的研究并取得了良好的进展。

2.1.1石油化工中加热炉余热回收

石油化工生产中的各种类型加热炉面广量大，提高这些加热炉的热效率意义重大。回收加热炉排烟余热，用以加热加热炉的助燃空气，是提高加热炉加热效率的重要手段。加热炉的排烟温度一般在260℃～350℃左右。如将烟气温度降低到160℃，则可将助燃空气从常温提高到120℃以上，加热炉的效率可以提高6%～10%。热管换热器体积紧凑、压力降小、布置灵活、可控制露点腐蚀，因此特别适合于加热炉的余热回收。早在二十世纪七十年代我国就有研究人员开始进行了用热管回收炼油厂加热炉余热工作的研究开发。

1980年我国第一台小型工业试验气-气热管换热器在南京某厂加热炉的烟气余热回收试验中试运转成功。该热管换热器的试运转成功，为大型工业运行奠定了基础。

目前我国石油化工的大型加热炉烟气余热回收绝大部分都采用了热管换热器，并取得了很好的效果。值得注意的是，近年来许多加热炉的燃料改用重油或渣油，由于油品的含硫量不一，对热管换热器的设计带来了困难。此外，不同地区的气候条件也是设计中应该注意的问题。目前工业上加热炉烟气余热回收使用的热管空气预热器主要有两种布置方式：一种是将热管换热器置于加热炉顶称为置顶式，其优点是只用一台空气鼓风机，烟气凭烟囱抽力通过热管换热器，可以省去一台引风机。缺点是热管换热器的阻力必须设计在烟囱抽力允许的范围以内。另一方面热管换热器放置在炉顶增加了炉体支架的荷载。这两点限制了热管换热器的管排数和重量，可能影响回收的热量。另一种形式是将热管换热器布置在地面上成为落地式。这种设计方式的优点是热管换热器的体积、重量、烟气侧的阻力限制都不十分严格。地面的维修也方便。缺点是需要增加一台引风机，增加了动力消耗。此外，其管线也比置顶式复杂一些。从换热效果来看，落地式布置有利于充分回收热量，但是主要取决于现成改造的条件。将置顶式安放类型的一例热管换热器在相同原始参数条件下改为落地式，由于增加了引风机，因此可使烟气流速大大提高，这不仅提高了烟气侧传热系数，而且对消除热管束的积灰有利。实践证明引风机的电耗在整个效益的平衡中所占份额是非常有限的。

下面举出一个在石油化工生产中使用热管技术节能的典型实例如下。

某厂针对某石化企业的原蒸馏常减压炉空气预热器系统存在设备老化、泄露点多、检修困难、热效率低等问题，特别是目前加工进口高含硫原油需要进行配套改造，采用了分离式热管油-气换热器。其结构布置如图2-2所示。

不同管线、不同温度和压力的常二线、常三线油分别流经分离式热管换热器的加热段，其加热段结构形式类似于固定管板式换热器热流体油走壳程，管程为热管工质，分离式热管换热器的冷凝段为翅片管束换热器，需要加热的空气流经管外，管内通过上升管与下降管与下部换热器的管程相连，形成工质循环回路。当管内具有一定真空度后，在位差的作用下，热管内部的工质不断吸收热流体油所放出的热量，通过蒸发至冷凝段冷凝，源源不断的把热量传至冷凝段加热翅片管外的空气。其最大的特点是加热段与冷凝段可以相互独立。这样在运行过程中，即使某一单元发生意外泄漏，也只是这一小单元作为热管传热失效，不影响其他单元的换热，一般情况下也无需停车检修。以往大部分的分离式热管换热器都是采用一种热流体同时加热两种或两种以上的冷流体，冷、热流体间多为气-气换热形式，然而，将两种或两种以上的不同热流体（液体）来加热冷流体（气体），目前尚不多见。迄今为止该装置已连续运转十余年，目前仍在运行中。

近年来，随着对能源利用率的要求不断提高，要求加热炉的排烟温度进一步降低，将以往设定的160℃排烟温度降低到120℃，加热炉的热效率可提高到90%以上。

利用常规热管换热器将排烟温度降低到160℃，是比较容易实现的，但要求将排烟温度再由160℃降低到120℃以下，回首这部分热量的主要问题在于解决设备和热管的露点腐蚀问题。对于热管换热器的壳体防腐可以采用内衬耐酸浇注防护；对于热管要合理的回收热量，显然，基管采用耐酸合金钢是不经济的，既要保证热管传热性能又要经济合理的回收热量，由此，开发出了耐腐蚀搪瓷热管，搪瓷热管是在普通碳钢（翅片管）外涂一层耐酸搪瓷。由于搪瓷层很薄，一般厚度为0.2mm，且与碳钢结合紧密，对传热效果影响很小，与碳钢管相比，相对降低约6%~10%；且搪瓷表面光滑，不易结垢和积灰，又耐磨损、抗腐蚀；投资费用较选用耐酸不锈钢有明显的降低。

搪瓷热管作为抗腐蚀传热元件以其防腐和价格优势可用于许多领域，特别对抗硫酸露点腐蚀有很大的优越性。在碳钢上涂敷烧镀搪瓷制造热管其制造成本较不锈钢低，抗腐蚀性能比不锈钢高得多，特别是在缠绕翅片的碳钢管上成功烧镀搪瓷，为热管在低温腐蚀性环境中的热量回收提供了有利的保障。

2.1.2盐酸工业中盐酸合成炉余热回收

盐酸合成炉是用作氯气和氢气混合燃烧反应的设备，氯气和氢气经过适当的配比在炉内燃烧反应得到HCl气体。燃烧的温度可达1000℃以上，高温HCl气体有强烈的腐蚀性。工业实践表明，高温HCl气体对设备的腐蚀主要来自游离氯，游离氯越多，腐蚀性越强。试验表明，干燥氯气240℃时，对碳钢的腐蚀速度为零。当达到285℃时，对碳钢的腐蚀速度陡增至10195g/(m3•h)，理论上如果使HCl中游离氯含量为零，并保持设备表面温度为240℃，则既可回收热量，又可延长设备使用寿命，但实际上工业操作条件经常受到各种外界影响，不可能绝对保证这种最佳条件。然而热管组成的设备却可相当程度地接近这种条件。图2-3示出一种热管盐酸合成炉的设计方案。

该设备外壳为直筒形，避免火焰对锥体的冲刷及高温腐蚀，根据国内操作经验认为这种炉型是最好的炉型。在直管的内壁布有40根独立的热管，每根热管上有180°轴向翅片两片，热管及翅片表面均镀有搪瓷以防氯气腐蚀。热管和翅片构成了一个受热管筒，它接受来自燃烧气体的辐射热，将热量通过热管的蒸发段传至上部汽化器内热管的冷凝段。由汽包来的饱和水进入汽化室接受热管冷凝段放出的热量产生蒸汽。氯气和氢气分别由炉底两侧进入炉体。燃烧后的炉气自炉体上方侧面去吸收塔。炉体的顶部为防爆膜片。其特点是：

①利用热管内部工作液体蒸汽温度的可控性，通过设计调整尽可能接近240℃；②每根热管是独立的，个别热管损坏不影响设备运行，可在大修中更换。

2.1.3合成氨工业中上、下行煤气的余热回收

合成氨是一项基础化学工业，在化学工业中占有很重要的地位。合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程。合理的利用和控制合成氨生产过程中放出的热量，不仅可以节约生产中的能源消耗，降低生产成本，而且可以提高CO变换率及氨的合成率，前者属于余热利用，而后者属于化学反应的热控制，热管技术在这两方面都存在很大的开发潜力。

根据我国工业发展的特殊情况，我国的合成氨工业从生产规模上可分为小合成氨、中合成氨和大合成氨生产。生产的原料路线有煤、油及天然气。由于原料路线不同因而生产工艺路线及采用的设备也不尽相同。针对不同工艺路线设计的特点，热管技术在合成氨工业生产中有以下几种应用类型。

①回收低温余热预热助燃空气，或生产低压蒸汽作为生产原料；②回收高温余热生产中压蒸汽作为原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；③控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反应温度曲线无限逼近，从而提高CO变换反应器的CO变换率及合成氨塔内氨的合成率。

以上三种类型在不同的生产规模及不同的原料工艺路线中应用的方式及设计思路均不同，必须针对不同的实际条件采用不同的结构设计才能收到良好的效果。

上、下行煤气是指以煤或煤球为原料的生产路线中煤造气炉所产生的上吹半水煤气及下吹半水煤气。由于生产原料不同，上、下行煤气气体中所含尘粒及温度也不相同。

2.1.3.1小合成氨上、下行煤气余热回收

小合成氨生产大都使用煤球为原料造气。其特点是出煤造气炉的上、下行煤气的温度较低，气体成分复杂含有大量粉尘及水蒸气，容易引起低温腐蚀及灰尘堵塞等一系列问题。在设计此类设备中应重点考虑以下重点问题：