热管技术在化工余热回收中的应用

热管技术是一种密闭腔内的相变传热技术^[1]。我国热管的工业应用研究开发始于1976年，经过三年的开发研究，首先解决了工业制造技术。即：碳钢－水相容性技术；高真空下的管子充液技术；管子封口技术；冷热气流分隔等技术。1980年，我国第一台热管换热器在南京投入工业试运行，同年12月通过江苏省科委鉴定；1982年7月，我国第一台碳钢－水热管余热锅炉在如东化肥厂运行成功并通过鉴定；同年，我国第一台用于高炉热风炉余热回收的碳钢－水空气预热器在马鞍山第一炼铁厂运行成功，至此奠定了热管技术在我国工业应用中的基础^[2]。

时至今日，热管技术工业化应用及研究发展迅速，可谓遍地开花，航天、核电、新能源的开发、民用节能、电子器件冷却、化工、动力、冶金、陶瓷等行业都能找到其踪影，可参见近几届的全国热管会议论文集及文献[3]。

热管技术的应用分为两大类：一是以热管为单元构成的换热器，二是按热管工作原理运行的整体设备。在化工行业中的应用的最为成功，也最具代表性当属碳钢（不锈钢）－水重力式热管换热器，有整体式和分离式两种主要结构型式，其详细结构型式及设计计算可参见文献[2]。本文将重点介绍热管技术及设备在余热回收方面应用。

1在烟气回收中的应用

在化工工业中，很多余热是蕴含在烟气中排放的，以合成氨和制酸行业产生的废烟气为最。回收其低温余热可用来：预热助燃空气、预热锅炉给水、或生产低压蒸汽作为生产原料；回收高温余热产生中压蒸汽作原料蒸汽补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源。图1为热管式换热器在废气余热回收中的典型流程。

图1 烟气余热回收流程

在制酸行业中，由于炉气中含有较高浓度的SO₂、SO₃，或HCl，或NO₂气体，一旦与水或水蒸气接触便具有强烈的腐蚀性。这便对设备提出了特殊的要求, 其必须具有高度的可靠性、安全性和防止低温露点腐蚀的能力。热管式换热器因具有传热效率高、结构紧凑，不会发生漏风现象，抗露点腐蚀等优点，正逐渐替代传统的列管式和回转式换热器。这也是热管式换热器在该领域内应用广泛的一个主要原因。

1.1空气预热器

一段转化炉是30万吨/年大型合成氨厂的关键设备。其排出烟气温度大多在300℃左右。烟气量达140000 ~ 240000 Nm³/h。如果将其降温到140℃排空，则回收的热量可达8400 ~ 15000 kW。回收这部分热量最合理的用途是加热助燃空气。资料表明^[4]：回转式空气预热器改为热管式空气预热器后有如下优点：免去了回转式电机的动力消耗；热回收效率提高了18.3%；减少了维修工作量。

图2为某厂的热管空气预热器，a为换热器内部简图，b为实物照片，采用的是分离式结构型式，连接管线达50m，实现远程传热。此外该型式换热器还可实现烟气同时与多种气体进行热交换，除了加热空气外，还可加热其他工艺气体，从而实现废热利用的最大化。

2分离式热管空气预热器

1.2水预热热器图

热管水预热器，或称热管省煤器，多用于回收低温烟气余热来预热除氧器给水，或锅炉给水。水侧通常采用套管联箱结构型式，可以承受较高的工作压力，如图3a所示。图3b是为某硫酸厂设计的热管省煤器，配备于年产15万吨硫酸装置，用于锅炉给水预热。烟气流量为37000 Nm³/h，进出口温度340/160^oC,加热水量为25吨/小时，回收热量2600kW。该换热器倾斜安装，烟气自上而下冲刷热管，从而避免积灰现象，同时也不影响热管工作。还一种常用热管省煤器为水平夹套式结构，如图3c所示，采用的是径向偏心热管，其详细结构及应用可参见文献[5]。

图3 热管省煤器

1.3蒸汽发生器

热管蒸汽发生器，又称热管余热锅炉，兼有水管锅炉和火管锅炉的优点，启动迅速。其结构可以是热管冷端直接插入汽包，也可以是前面介绍的夹套联箱与汽包连通的结构型式，如图4a所示。年产10万吨硫酸的某硫酸厂，采用了一台热管式蒸汽发生器用以回收SO₂炉气余热，产生2.5MPa，9.50 吨/小时饱和蒸汽，回收热量6497.5kW，如图4b所示。炉气经过热管蒸汽发生器后降为355℃进入电除尘室。图4a中隔板的下部为热管的吸热段，焊有螺旋翅片。上部为热管的放热段，采用水夹套结构，经集箱集汽后经上升管与汽包连接。冷热侧由隔板完全分开, 即使出现有个别热管磨损破坏，也只会是热管内部少量工作流体流入烟道，不会影响正常生产，避免了大量炉水向烟道泄漏而导致停产。各热管通过控制加热段传热面积使管壁温度>230℃，可有效地防止露点腐蚀。如每吨蒸汽按60元计，年运行7200小时效益可达430余万元，设备投资可在一年内收回。

图4热管式蒸汽发生器

影响前面提及的热管换热器性能和寿命的因素有：低温酸露点腐蚀、积灰、磨损，以及热管内部产生不凝性气体，低温酸露点腐蚀和产生不凝性气体往往是造成热管换热器失效的主要原因。因此，在热管换热器制造和使用中应注意如下问题：

1) 在高温条件下，碳钢－水热管内部Fe与H₂O反应会产生不凝性氢气，直接导致热管性能降低。在无防范条件下，通常热管换热器工作一两年后，其性能要下降30％－50%。为此可采取：热管内表面化学处理形成钝化膜；水中加入缓蚀剂；热管顶部加装排气装置，定期排气；热管内顶部悬挂H₂吸收剂等改善措施；

2) 减少烟气中酸性气体的含量，降低酸露点温度；

3) 提高排烟温度，避开酸露点温度，实践经验表明，排烟温度以高于140^oC为宜；

4) 对烟气除尘；安排合理的烟气流速，流速太低容易积灰，太高又会对热管产生磨损，以10m/s 为宜；

5) 烟气尽量自上而下流动，对于水平流向，应对装置定期除灰，以减少积灰现象；

6) 对热管换热器进行定期评估，方法可参见文献[6]。

2废液/汽余热回收

由于废液及废汽量小、不集中以及热值低等因素，目前在化工企业中通常不回收此类低品位能源。此外，传统的管壳式换热器，由于传热温差较小，效率低下，而无用武之地。

密闭腔式换热器是热管技术衍生的一种新型管壳式换热器，如图5所示，其他结构型式参见文献[7]。密闭腔由两端孔板与筒体壳体组成，内没有多余的部件，故而结构简单；同时冷热流体均走管内，可以承受高压而不至于增加壳体厚度，达到节约成本的目的；真空密闭腔内为相变传热，因而冷、热流体管束外侧具有较高的传热系数，通过合理对管箱分程设置冷、热流体的流速，或者采取管子内侧强化传热措施，即可实现整体换热器的高效传热；即使热流体温度在三、四十度，也会使密闭腔内的介质汽化进行工作。工作时，密闭腔内工作介质处于饱和状态，并维持一个稳定的压力和温度，当调整冷热流体任一方的参数，腔内的工作介质的温度和压力回迅速进行相应调整，从而方便控制另一侧的出口温度。总的说来，该换热器具有结构简单、成本低、热相应快、热控方便、易于清洗、传热效率高，节能效果显著等优点。

 

图5密闭腔式换热器

该换热器结构可大可小，对于小流量废液或废汽，可将其作为小型管道设备来使用，直接加热附近的其他低温流体介质，或者加热水作为伴热用于管道或设备的保温，以及其他用途。对于用于废汽回收，热流体管道可以加粗，内部放置导流片，来增加蒸汽的湍流效果。

该型式换热器还未在工程实践中应用，处于试验和规范设计计算阶段。除了用于废液/汽余热回收外，还可用于：化工单元操作中的的液－液换热设备；管式反应器，可以精确地控制反应管内的工作温度；电加热器，以电为热源加热液体介质。

3结论

通过具体的实例介绍了多种热管换热器在化工废气余热回收中的经典应用，并详细介绍了密闭腔式换热器及其回收废液和废汽中低品位热量的可行性。

在整个社会倡导节能降耗减排的今天，为热管技术及设备的推广应用铺平了道路。在化工领域中，除了应用于余热回收，热管技术还将渗透到化工单元操作中换热、搅拌、反应、分离等多个环节，从根本上提高能源利用率，改善产品质量。

参 考 文 献

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

[2] 庄骏, 张红. 热管技术及其工程应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000. 2-4

[3] 马永锡, 张红. 电子器件发热与冷却技术[J]. 化工进展, 2006, 25(6): 670-674.

[4] 李纲, 陈式荣. 热管式空气预热器在我厂的应用[D]. 西南大化肥第5届年会,1994.10

[5] 牟楷, 王虹. 硫磺制酸中的中、低温余热的利用-径向热管省煤器的研究、开发和应用[J]. 磷肥与复肥, 2003, 18(6):39-42.

[6] 马永锡, 储小燕, 张红. 在役热管有效性模糊评估技术的研究[J]. 石油化工设备, 2005, 34(4): 6-9.

[7] 马永锡, 密闭腔式换热器[P], 中国, CN200710039328.4, 2008.8.