高溫熱管換熱器的結構以及案例應用
近幾年來,隨著高溫熱管技術研究的不斷成熟和深入,高溫熱管換熱器的應用領域逐漸擴大,目前已廣泛應用于工業、民用和國防等各個領域。在冶金、化學、陶瓷、建材及輕工等工業生產中,常需要500℃以上的清潔空氣以滿足助燃、干燥和供氧等需要,采用高溫熱管空氣加熱器可以輕易地達到這一要求,并且從根本上解決常規空氣加熱器所無法解決的傳熱難題。本文通過高溫熱管換熱器成功應用實例,闡述了高溫熱管換熱器廣闊的應用前景以及對工業生產和節能技術的發展所產生重大的影響,同時簡要分析了高溫熱管換熱器目前存在的問題,提出幾點建議供設計者參考。
1 結構特點
高溫熱管換熱器是由管內充有不同工質的熱管組成的組合式熱管換熱器,主要由熱管、隔板和殼體3部分組成(圖1)。冷、熱流體通道之間用隔板絕對隔開,熱管作為傳熱元件實現冷、熱流體間的熱量傳遞。
整個換熱器又分為高溫熱管區和中溫熱管區和低溫熱管區。在低溫區,工作溫度限制在250℃以下,采用水(經化學處理后的)作為熱管工質較理想;在中溫區,工作溫度限制在250～400℃范圍內,采用萘作為熱管工質,萘熱管在400℃左右具有可靠的熱穩定性和良好的傳熱性,且與碳鋼有良好的相容性和安全性,預計有很長的使用壽命[3～5];在高溫區,工作溫度在600℃以上常采用液態金屬熱管,液態金屬有良好的熱穩定性和較低的飽和蒸氣壓,如鈉在800℃時飽和蒸氣壓僅為0.047ＭＰａ,因此在高溫條件下液態金屬熱管的殼體幾乎不承受內壓,而且常用的幾種液態金屬在高溫下均具有較高的汽化潛熱,如800℃時鈉的汽化潛熱為3977ｋＪ/ｋｇ,因而高溫熱管能夠傳遞很高的熱量。
2 應用實例
2.1 噴霧干燥中的應用
2.1.1 十二醇硫酸鈉噴霧干燥
十二醇硫酸鈉是優良的陰離子表面活性劑,它是一種熱敏感性多泡性物質,其干燥所需的高溫熱源(450～500℃)一般采用煤氣直接燃燒產生的煙氣。對于沒有煤氣或煤氣價高的地方,熱源成為一大難題,若使用液化氣、輕柴油等其他熱源,均會對十二醇硫酸鈉產生污染而影響色澤。一般的板式、列管式和板翅式換熱器所能提供的熱源溫度在400℃以下,且熱效率低,而熱管的各種特性適于解決這一難題。如圖2所示,由煤燃燒爐產生的高溫煙氣(950～850℃)直接進入高溫熱管換熱器的吸熱段(熱管的蒸發段)逐步經過高溫熱管區、中溫熱管區和低溫熱管區降至200℃以下排入煙囪?？諝庥沙?0℃進入熱管換熱器的放熱段,通過熱管與煙氣的逆流換熱被加熱至470～500℃去噴霧塔,干燥十二醇硫酸鈉。
2.1.2 高嶺土噴霧
干燥高嶺土是化工、造紙和建材中一種重要的添加劑,其濃度高達63%～66%,料漿粘度為500～1200ｍＰａ?ｓ。如此高濃度和粘度的料漿,噴霧干燥具有一定難度,其關鍵是要有溫度達到500℃的熱風由于對高嶺土的白度有較高的要求,因而在干燥過程中應該力求避免污染物混入料粉中。以燃燒煙道氣為熱源的高溫熱管式空氣加熱器可滿足這種要求。如圖3所示,常溫空氣由鼓風機自熱管換熱器的底部進入熱管換熱器低溫段,經中溫段及高溫段加熱達500℃后排出,進入噴霧塔作為干燥熱風。自煤燃燒爐出口的煙氣溫度達900～1100℃,由換熱器頂部向下流動與冷側空氣形成逆流換熱,溫度降到200℃以下由引風機排入煙囪。
2.2 小氮肥余熱回收中的應用
江蘇新苑集團公司化肥廠于1994年對其合成氨造氣工段進行技術改造,采用高溫熱管蒸汽發生器(圖4)回收半水煤氣的余熱,至今已安全運行8年。該工段煤氣流量為135000ｍ3/ｈ,溫度為950℃,通過高溫熱管蒸汽發生器將其溫度降至250℃,每小時可生產4ｔ蒸汽,蒸汽壓力高達1.57ＭＰａ。全年運行時間為7200ｈ,每噸蒸汽按40元價格計,則全年可回收價值115.2萬元,氨年產量為20ｋｔ,則平均每噸氨可降低成本57.6元,扣除固定資產折舊、大修費用和運行成本,每噸氨可凈降低成本39.78元,年收益為79.56萬元。
高溫熱管技術在小氮肥余熱回收中的應用獲得了令人滿意的效果。實際運行表明,高溫熱管蒸汽發生器達到的某些性能指標,是其他類型的換熱器所達不到的。該項技術已在江蘇、安徽、遼寧、廣東、山西及青海等省十多個小氮肥“二改一”工程中得到推廣應用。
3 應用前景
高溫熱管技術在噴霧干燥中的應用取得成功,并已收到了令人滿意的實際效果。根據現場測試的參數表明,高溫熱管換熱器達到的某些性能指標,是其他類型熱風發生器所達不到的,因而在某些特定工況條件下的應用也是無法取代的:
ａ.向各類干燥設備(噴霧于燥、沸騰干燥、氣流干燥、隧道干燥及鏈板式干燥等)提供清潔的高溫熱風。
ｂ.向氣流焙爐提供800℃以上的高溫熱風,對物料直接進行氣流焙燒。
ｃ.向各類燃燒器提供助燃熱風,改善燃燒狀況,提高燃燒效率,節約燃料。據資料介紹,用普通換熱器將助燃風加熱到300～400℃可節約燃料15%～25%,用高溫換熱器可節約燃料40%以上。
ｄ.高溫預熱煤氣(或助燃氣),使冶金工廠大量的低熱值高爐煤氣(其熱值約為4187Ｊ)資源在加熱爐上的利用成為可能。
ｅ.回收利用六大耗能工業(冶金、化工、煉油、玻璃、水泥及陶瓷)的高溫余熱,使這些領域的能源利用率達到一個新的水平。
由以上可以預見,高溫熱管熱風發生器將具有廣闊的推廣應用前景,對工業生產和節能技術的發展產生重大的影響。
4 存在的問題
當前,高溫熱管換熱器在傳熱方面還面臨兩大急需解決的問題:
ａ.結構龐大,成本昂貴,極大地阻礙了高溫熱管換熱器工業化應用進程;
ｂ.過渡段的銜接不合理,導致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態。
要解決好上述問題的關鍵:
ａ.優化高溫熱管換熱器結構有兩個途徑:一是對單根熱管進行傳熱強化研究;二是合理預測殼程的流場與溫度場的分布,二者的優化組合研究是今后熱管換熱器強化傳熱技術發展的方向。
ｂ.過渡段的強化傳熱對優化高溫熱管換熱器結構、安全銜接各區域熱管換熱器起著非常重要的作用。
5 結束語
高溫熱管技術在噴霧干燥中的應用研究取得成功,充分體現了高溫熱管技術的優越性。為加快高溫熱管換熱器實現工業化進程,筆者認為應盡快提高高溫熱管換熱器設計的合理性和經濟性。
具體實施的方法;
ａ.采用數值模擬的方法模擬高溫熱管換熱器內溫度場和流場分布,以便實現高溫熱管換熱器在線檢測、故障分析和變工況分析。
ｂ.采用強化換熱技術,優化高溫熱管換熱器結構,降低成本,提高設計經濟性。加快高溫熱管換熱器在工業中的應用進程。
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