热管在工业中的应用

1、热管在工业中的应用 使用热管进行余热回收低温气体水上、下行热管蒸汽发生器执管II11IIII11Hillmi iiiiiiii ii iiiiiiiiiiiiii、iiiiiiiiiiimi1111miIIIIIIIIIIlli IIIIIIIIIIIlli IIIIIIII IIIIIIIIIII i i i i i i i i i高温烟气上置式热管余热锅炉性能特点应用范围广 适用于气-气（汽），气液或液-液等等多介质间热交换；换热效率高一一热管换热器当量传热系数 K比列管式换热器要提高510倍，换热效率高； 流动阻力小一一两种介质均在管外流动，流程短且介质流动方向与散热片方向一致，降低了

2、流动阻力；结构简单紧凑一一由加肋片的热管制成的换热器结构紧凑，设备体积小，质量轻，节省钢材 和安装空间；不易产生露点腐蚀一一可通过调节冷热介质间的换热面积比来调节热管表面温度，避免发生露点腐蚀和低温腐蚀；不易结垢、阻塞一一设计时可将介质流速调整到自清灰以上，并调整热管的安装位置即可达 到自清灰的目的，且结灰后便于清理；良好的可拆卸性一一热管间彼此独立工作，并可与设备使用法兰连接，适于分别拆卸和单独 更换；使用寿命高 热管使用寿命在10年以上，单根热管破坏，不影响整体运行，保证设备长期 稳定运行；维护费用低一一无需传动部件，设备正常操作期间不需维护。适用范围化工及石油化工合成氨工业 上、下行煤气

3、余热回收流程；吹风气燃烧气余热回收流程；一段转化炉空气 预热器；变换工段气-气换热器；二段转化炉高温高压蒸汽发生器；绝热化学反应器级间热管 换热器及其它换热、余热回收设备。硫酸工业 一一沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；沸腾焙烧炉矿渣余热回收；SO2炉气余热回收；S03气体冷却器；热管SO2转化器；热管开工预热器及其它换热、余热回收设备。盐酸、硝酸工业一一盐酸炉余热回收；氨氧化炉热管蒸汽发生器及其它换热、余热回收设备。石油化工一一热管裂解炉；热管乙苯脱氢反应器；环己醇脱氢化学反应器；热管氧化反 应器；催化裂化再生取热器；热管化学反应釜；苯酐热熔冷凝箱；加热炉余热回收及其它换 热、余热回收设备。建材

4、及轻纺工业高岭土喷雾干燥热风炉；十二醇硫酸钠喷雾干燥热风炉；玻璃窑炉的余热回收；水泥工业 中窑尾冷却机的余热利用及窑尾废气的余热利用；纺织工业中热定型机、沙浆机烘干机等余热回收设备冶金工业加热炉和均温炉、烧结工序、高炉热风炉等设备的余热回收。动力工程油、汽混烧电站锅炉、劣质煤料锅炉空气预热器；工业锅炉；柴油机排气余热回收等。 余热回收的几种流程用热管换热器从工业炉的排气中回收余热以加热空气，余热后的空气返回工业炉为 助燃空气使用。流程如图1所示：热管换热器空气烟囱0燃料-一 加热炉图1:加热炉空气预热器用热管散热器从排气中回收余热以加热空气，使之成为热风可作为供房的热源。流程如 图2所示：烟囱

5、图2:热管热风炉#将热管换热器回收的余热用来加热水，使之成为锅炉给水，或使水产生蒸汽供其他 方面使用。其流程如图3、图4所示：去整蒸汽网给水燃料烟气烟囱nl热管余热锅炉图3:热管余热锅炉烟囱1_n烟囱加热器加热器I1工7-=1 二Ml锅炉Z1h给水M热管省煤器工业中的应用现场照片F工业锅炉中的运用）运行效率较低，一般为65流右，其节能潜力较大。M 4高，以免腐蚀排烟设备。流程如图 5所示:图4:热管省煤器将热管换热器从排气中回收来的余热再次加热排气自身，使得经洗涤过的气体温度升燃料给水图5:热管换热器余热回收流程洗涤塔Pn炉子热管换热器除了改善燃烧、降低灰渣含碳量以外，降低排烟温度减少热量损失

6、是提高工业锅炉效率 的重要措施。工业锅炉的省煤器和空气预热器的效率不高，因之热管技术在工业锅炉尾 部的应用显得非常重要。我们在国内数百家单位使用热管余热回收起到很好的效果。表1列出了工业锅炉改装热管空气预热器前后的参数对比，可以看出改装后锅炉的 效率提高了 10%表2列出了工业锅炉尾部热管空气预热器的参数。表1. KZL4-13-A型锅炉热工对比试验表项 目锅炉改装前锅炉改装后InIn出力 /（ kg/h）347235954016.233716.80煤量 /（ kg/h）576.75600.09562.2472.3低位发热量/ （ kJ/kg）21372207912333724737炉膛温度/

7、 C887.94969.410901078冷风温度/ C37.139.7324.8323.97热风温度/ C121.2118.9炉渣含碳量/%22.3825.1215.848.56飞灰含碳量/%45.9441.7826.0918.03煤含碳量/%56.4345.1924.7924.05RQ11.9411.1110.38.2Q7.288.299.311.78a py1.591.611.752.20Tpy /C175.54177.32135.9127.56q27.247.546.888.66q31.00.792.201.83q411.4514.846.353.9q52.92.92.92.9q60.

8、710.660.340.24正平衡效率/%71.7573.2380.3583.71反平衡效率/%75.8173.2781.2882.98表2.热管换热器主要参数名称1t/h锅炉2t/h锅炉4t/h锅炉热管直径do/mm323232热管直径di/mm262626翅片高度M/mm151515翅片厚度S /mm1.21.21.2翅片热段/mm6.26.26.2间隙冷段/mm4.24.24.2热管长度l/mm100010151340冷凝段lc/mm313405465蒸发段le/mm469580845迎风面宽度b/mm341545748管数n/根366084迎面管数/根5811排数/排888烟气进口流速

9、/ (m/s )12.6412.7512.98空气出口流速/ (m/s )11.211.211.36冷风进口流速/ (m/s )8.27.88.16冷风出口流速/ (m/s )10.910.611.12总传热量/kw4.08 X 108.64 X 1018.2 X 10烟气量/( kg/h)180035557110空气量/( kg/h)130025685115烟气温差/ C707176空气温差/ C96101106.6管内最高温度/ c198.9204213.2最低管壁温度/ c110.5109.28113.5应用实例：某化工厂一台6.5T/h的蒸汽锅炉，由于省煤器及空气预热器效率不高，锅炉出

10、口排烟温度在220C左右。回收这部分低温余热可以获得较大的经济效益。其流程如下：在锅炉出口的烟道中装设热管蒸汽发生器，出锅炉温度为220C左右的烟气经过热管的蒸发段，降至140C以下，经引风机送入烟筒。给水温度为90T左右，产生0.25Mpa（绝压）饱和蒸汽送给工艺工段使用。运行6个月后，检查热管基本无积尘、无腐蚀现象，由于锅炉操作负荷的变动，该蒸汽发生器进口温度一直在180220 E之间波动，但出口温度始终在140C以下。运行3个月、6个月的测试结果如表3:由此可见：在长期运行过程中，烟气的出口温度始终保持 140C左右，该装置的平均 热负荷（以产生蒸汽量计）为 7.15 x 105KJ/h

11、r，相当于节约标准煤 35Kg/h （标准煤按 104KJ/Kg，锅炉效率按70%+）,年节省标准煤277.2吨，每吨150元计，年收益为4.158 万元。表3.应用热管的余热锅炉热负荷测试结果测定次数项目123测定时间19823311982.6.81982.6.9测 疋 方 法烟气流量 烟气温度 给水流量 蒸汽干度风速仪 热电偶温度计 计量桶 碱度法毕托管加微压 计热电偶温度计 涡轮流量计 碱度法毕托管加微压 计热电偶温度计 涡轮流量计 碱度法烟气平均流速（m/s）5.50412.412.4烟气温度C101208204烟气流量（标态）（m/h ）745810134.510209.2烟 气 侧

12、 数 据副线泄露烟气流量（标 态）（m/h）260260260通过热管烟气流量（标 态）（m/h）71989874.59949.3进口烟气温度C208.9198204出口烟气温度C139136140烟气温降C69.96464烟气放出热量KW195230240烟气侧热损%333烟气侧实际供热量KW190224233水蒸气侧数据给水温度C54.96265蒸汽压力Mpa0.130.150.12蒸汽干度%3.63.63.6给水流量Kg/h267324.73327.8蒸汽带走热量KW178203203蒸汽侧热损%333蒸汽侧热负荷KW183209209蒸汽侧与烟气侧热负荷误差%3.76.39.1热管余热

13、锅炉压力降Pa5364004007次测量数据累计进水时间累计进水时间平均，累计进119min，进水115mi n,进水备注水时 间650Kg,液位计628.2Kg,液位198min，进水881Kg漏水20Kg/h计漏水20Kg/h热管在水泥、陶瓷、冶金工业中的运用工业窑炉（冶炼炉）是耗能大户，且窑炉的种类十分繁多，炉子的热效率国内平均 水平为国外先进水平的一半，总计年耗标准煤一亿多吨，有很大的节能潜力，其排烟温 度较高，往往超过300C，有的达到500600C甚至更高，作为余热回收方案而言，较多 采用空气预热器（当然也可采用余热锅炉），对于烟气温度在400C以下的中低温余热， 主要采用空气预热

14、器，热管换热器在此能够大显身手。我国机械工业部标准机械工业 节能设计技术规定中提到：工业炉窑排烟温度为 400C以下时，宜采用热管换热器。工业炉窑中有相当大一部分没有装引风机，要求余热设备阻力小，同时因地位狭小， 而要求设备紧凑，特别适合应用热管空气预热器。主要应用以下几种布置方式：、窑炉+热管空气预热器、窑炉+热管热水器+热管空气预热器（适用于排烟温度很高时）、窑炉+喷流或渗铝管空气预热器 +热管空气预热器（适用于较高的预热空气温度 时）、窑炉+各种型式空气预热器+热管热水器或热管开水器与热水器复合装置、窑炉+热管余热锅炉、窑炉+其它换热器+热管余热锅炉、窑炉+热管余热锅炉+其它换热器一、空

15、气预热器或余热锅炉 热管换热器型式的确定，应当从以下几个方面考虑：1、根据企业的需要，如果工业窑炉需要助燃，应尽可能选用空气预热器。工艺需要蒸汽时，用余热锅炉。2、根据余热回收的可能性，余热锅炉只有在排烟温度大于300C的工业炉中才有可能。3、 可靠性，如果采用碳钢一水热管，其管内工质最高工作温度为300C，以保证安全； 热管外侧最低壁面大于酸露点，以避免腐蚀。这些限制对换热器式的选择也会有直接的 影响。4、经济性，型式的选择在有多种方案可能时，需进行经济性比较，根据具体情况选用上 述几种方式。二、气-气及气-水组合型热管换热器由于工业窑炉的排烟温度往往较高， 有时超过400C,可达到5006

16、00C,甚至更高 9作为气一气型热管换热器，最高允许的烟气入口温度在一般情况下仅为 350400C，此时 采用气一水及气一气组合型热管换热器是一种很好的方案，即为烟气温度高于350400C 的区域应用气 水式换热器，而在烟气温度较低的区域应用气 气型热管换热器。以上 的划分温度是以应用碳钢一水热管为依据的，其工质的最高允许温度为300C，具体属于上述形式。三、热管换热器的匹配工业窑炉有时需要300400C或更高温度的热空气助燃。当热空气温度超过250E时，只 用热管空气预热器会使碳钢一水热管的最高工作温度超过300C，因此空气从进口温度加热到250C时采用热管空气预热器，而从250C上升到更高

17、值时采用常规空气热器，这是一种合理的布置方式，如上述形式。常规空气预热器可以选用渗铝钢管式或喷流式，因为它们可以与热管空气预热器很好地 匹配在一起。四、热管余热锅炉的不同类型 热管余热锅炉可以分为二大类型：单管型及联箱型，前者适用于小容量的余热锅炉，热管放段直接插入汽包内，我们研制的最大容量为2t/h （蒸发量）；后者适用于大容量的余热锅炉，热管放热段插入垂直的大直径管中，这些大直径管由联箱再引出管子通至汽包，我们 研制的容量为1 10t/h （蒸发量）。这二种形式蒸汽侧的结构是不同的。由于受至碳钢-水热管工质最高工作温度为 300C的限制，余热锅炉蒸汽工作压力不会 超过1MPa,烟气入口温度

18、一般也不能太高，如450500C为最高值。当烟气进口温度很高时， 可采用上述形式。五、工业窑炉中的气 水型热管换热器在工业窑炉中，由于生活的需要或生产工艺的需要，有时需要应用上述形式，不少情 况下，为热管热水器与开水器复合装置，它有相当广泛的应用前景，特别是在乡镇企业。热管在化工及石油化工中的应用、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、回收高温余热产生中压蒸气作原料蒸汽的补充，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

19、氨的合成率。以上三种应用类型，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才能收到良好的效果。以上、下 行煤气余热回收为例：上、下行煤气余热回收的热管蒸汽发生器，如图 1、2所示，体积紧凑、占地面积，气体 流动方向为从上到下，减少灰尘附着于管壁的可能性；热管的蒸发段全部采用轴向直翅片， 一方面可以扩展传热表面，另一方面可消除热管背部的涡流区，不使灰尘在此停聚，减少流动阻力损耗。适用于小合成氨生产图1： 上、下行蒸汽发生器图2:上、下行煤气余热回收流程表1是某工段采用热管蒸汽发生器与原列管式余热锅炉的参数对比表。从中可以看出热

20、管蒸汽发生器的优越性。中合成氨因工艺的不同，煤造气炉的下行煤气（200C左右）不经过废热锅炉而直接去洗 气塔，造成低温余热的浪费，而且列管式废热锅炉容易损坏，设备利用率不高。根据这些情 况，采用热管技术可有两种途径。表1.两种蒸汽发生器参数对比参、数、结构图形1 -1XT-?|上 结构形式设备体积尺寸/m 设备总重/t传热面积/m2上吹气进口温度厂C 上吹气出口温度/ C 下吹气进口温度/ C 下吹气出口温度/ C 总回收热量/（KJ/tNH3） 焊缝漏或穿孔火管式余热锅炉 1.5 X 5.8 （咼）11125336220不进不进118停工热管式余热锅炉4.5 （高）2.2 （长）0.4 （宽

21、）4.848384133329133357不停工说明1、热管蒸汽发生器出口温度取自1991年3月23日海 门化肥厂测试期间操作数据（4#系统）2、火管余热锅炉进口温度取自同期操作数据，出口温度系原设计数据1、原有废热锅炉后加一台热管低温余热回收装置，将废热锅炉出口 270C的气体降至140C，同时将下行煤气也经过热管装置。热管装置可以是气 -气式的，即用回收的 低温余热加热进入煤气炉的空气或过热低压水蒸汽；也可以是热管省煤器的形式， 加热废热锅炉的给水。其流程如图 3。下行气约200 C图3：低温余热回收流程2、为充分考虑设备利用率及余热回收率， 可在每一台煤造气炉后加一台热管蒸汽发生器专供

22、上、下行煤气余热回收，而将三台煤气炉的吹风气通过一个燃烧室燃烧后进入一台热管废热 锅炉，可使设备的利用率达 75%84%。二、热管技术在硫酸工业中的应用由于硫酸生产是连续性生产，生产过程中的高温，矿尘磨损，高、低温腐蚀等因素常使 设备受到侵害，致使整个生产停顿造成损失。热管设备的个别管件损坏不会影响整体设备效 能，因之不需要停工检修，故热管技术在硫酸生产中具有广阔的应用远景。热管技术在硫酸 生产中可以应用在以下几个工序中。1、沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收2、沸腾焙烧炉矿渣余热回收3、SO2炉气余热回收4、SO3气体冷却器5、热管SO2转化器6、热管开工预热器以沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收为例。

23、硫酸生产中沸腾床内沸腾层的温度一般控制在 800900 E之间。硫铁矿燃烧是一强放热反应，为了维持这一温度必须从床层中导走多余的热量。根据热量平衡计算，每生产1吨硫酸(100%浓度)从沸腾炉层导走的热量可达 1.482MJ。将此热量折合成标准蒸汽约为 0.55吨 /吨H2SO4。一个年产10万吨硫酸的工厂从沸腾炉中回收的蒸汽量约为5.5万吨/年，以每吨60元计，可获利330万元/年。热管在沸腾焙烧炉中回收热量有两种形式：图 4 (a)所示纵向插入式。热管蒸发段的下 部直接插入沸腾层内，另一部分在沸腾层的炉膛扩大部分，热管沿炉膛周边布置。这种布置 的优点是热管在沸腾层内受单侧矿尘纵向磨损较轻，热

24、管不仅在沸腾层中吸热，而且沿整个 炉膛高度以辐射形式吸热，降低炉气出口温度减轻炉气废热锅炉的负荷；热管由于纵向伸缩 自由，不存在温差应力，同时单根热管的损坏不影响设备整体运行，保证生产的稳定性。图 4 (b)所示径向插入式。热管在沸腾床中承受炉气及矿尘的横向冲刷，传热方式为强迫对流 换热。与纵向插入式相比磨损较为严重，但热管长度短，制造简单，管外可以用翅片强化传热以减少热管数量，同样，单根热管的损坏也不影响整体运行。三、热管技术在石油化工中应用热管及热管换热器在石油化工中应用具有体积紧凑、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，不仅提高设备热效率而且可靠性大为增加

25、，减少 停车次数。目前主要应用在以下几个方面。19(b)径向插入(a)纵向插入式式图4:沸腾焙烧炉内的余热回收1、热管裂解炉2、热管乙苯脱氢反应器3、环己醇脱氢化学反应器4、热管氧化反应器5、催化裂化再生取热器6、热管化学反应釜7、苯酐热熔冷凝箱8、加热炉余热回收设备 以热管裂解炉为例。小型生产的热管裂解炉不仅吸取了管式炉结构简单、操作容易、能连续生产的优点，还使裂解温度均匀，停留时间缩短，烃的分压降低，而且可根据裂解过程前后反应所需温度不同，通过热管长短、翅片的多少方便灵活地调整温度，还可通过流体流过热管的截面大小来调整炉气的裂解停留时间。如图 10所示为一小型裂解炉，热管工作温度为 750900C，管内工作液体为金属钠。单根管的传递功率可达 40KW以上。高温燃烧气直接加热热管的蒸发 段，通过介质传至热管上部，使上部管壁和翅片都处于均匀的温度。如图11所示