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热管换热器在邯钢高炉煤气锅炉上的应用

晨怡热管 (邯郸钢铁股份有限公司热力厂,河北邯郸056015) 吕金奎,赵立勇,赵献锋 2010-2-2 1:41:04
【摘要】简要介绍了热管的工作原理和热管换热器的优点,以及热管换热器在邯钢高炉煤气锅炉尾部烟 气余热回收中的应用。
    【关键词】热管;热管换热器;高炉煤气;锅炉
    【中图分类号】TF066.2【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2009)04-0066-03
    1 前言
    热管是20世纪60年代发展起来的具有特别 高的导热性能的传热元件。由热管组成的热管换热 器具有传热效率高、结构简单、安全可靠、无外加动 力等优点,目前已广泛应用于冶金、石化、电力、电 子、轻纺、机械等行业。
2008年5月,邯钢热力厂在75 t/h 1#高炉煤气 锅炉大修期间,对锅炉尾部烟道进行了改造,加装 了热管换热器,利用锅炉烟气余热预热高炉煤气, 取得了良好的效果和经济效益。
    2 热管的工作原理与特性
    2.1热管的工作原理
    热管是一个封闭系统,由管壳、吸液芯和工质 组成。管壳通常由金属制成,两端焊有端盖,管壳内 壁装有一层多孔性物质构成的管芯(重力式热管无 管芯),管内抽真空后注入某种工质,然后密封。热 管利用工质相变的物理过程,以潜热的形式传递热 量。当热管的蒸发段被加热时,管内的工质吸收潜 热被蒸发,变成蒸汽,压力增大后沿中间通道流向 另一端,蒸汽在冷凝段接触到冷端吸液芯表面,冷 凝成液体并放出潜热;工质在蒸发段蒸发时,其汽 液交接面下凹,形成许多弯月形液面,产生毛细压 力,液态工质在管芯毛细压力和重力等的回流动力 作用下又返回蒸发段,继续吸热蒸发,如此循环往 复,工质的蒸发和冷凝便把热量不断地从热端传递到冷端。
    带有吸热芯的热管对蒸发段与冷凝段的位置 没有任何限制,但其制造成本较高,多用于航天事 业中。在工业应用上主要采用重力热管,典型的重 力热管工作原理如图1所示,在热管的下端加热, 工质吸收热量汽化为蒸汽,在微小的压差下,上升 到热管上端,并向外界放出热量,凝结为液体。冷凝 液在重力的作用下,沿热管内壁返回到受热段,并 再次受热汽化,如此循环往复,连续不断的将热量由一端传向另一端。
                 
    2.2热管的特性
    由于是相变传热,所以热管内热阻很小,能以 较小的温差获得较大的传热率,热管的这种特别优 良的导热性能又被称之为“超导热性”,它实现了几乎没有温差的导热。并且结构简单,具有单向导热 的特点,特别是由于热管的特有机理,使冷热流体间 的热交换均在管外进行,这就可以方便地进行强化 传热。
    热管传热元件,可以单根使用,也可以组合使 用,根据现场的条件,配以相应的流通结构可以组合 成各种形式的换热器。
    由热管组成的换热器和其它一般管壳式换热器 相比具有以下特点:⑴传热效率高。热管的冷、热侧 均可根据需要采用高频焊翅强化传热,弥补了一般 “气—气”换热器换热系数低的弱点。⑵能够有效的 避免冷、热流体的串流。每根热管都是相对独立的密 闭单元,冷、热流体都在管外流动,并由中间密封板 严密的将冷、热流体隔开,尤其适应不允许泄漏的易 燃易爆有毒等介质的加热。⑶无任何转动部件。热管 内工作介质的循环是依靠回流液的高低位差和密度 差作用而循环流动,不需外加动力,无机械运行部 件,因而增加了热管换热器系统运行的可靠性,减少 了运行费用。⑷热管的换热元件是由多根热管组成。 各根之间相互独立,当一根甚至几根热管失效时,不 影响整个系统的安全运行,同时对整体换热效果的 影响也可忽略不计。
    3 热管换热器在高炉煤气锅炉上的应用
    3.1锅炉基本状况
    邯钢1#75 t/h锅炉是北京巴布科克·威尔科克斯 有限公司于1989年生产制造的中温中压锅炉。该炉 原设计是煤粉和煤气混烧炉,为了降低企业能耗,充 分利用邯钢富余的高炉煤气,1992年投产后不久, 改为全烧高炉煤气。
煤粉和煤气混烧锅炉改为全烧高炉煤气锅炉 后,由于高炉煤气中含有大量的不可燃气体,热值较 低(只有3135 kJ/Nm3左右),使得锅炉炉膛温度下 降,在锅炉各受热面未作改动情况下,导致锅炉出力 降低,排烟温度升高。最高负荷只有50 t/h左右,排 烟温度高达260℃。为了降低排烟温度,保护引风 机,只得依靠原有的麻石水膜除尘器喷水来降低烟 气温度。导致锅炉热效率很低,也耗费了大量的水资 源。为了降低锅炉的排烟温度,提高锅炉的热效率, 节约水资源,决定对锅炉尾部烟道进行改造,充分利用烟气的余热。
    3.2改造方案的确定
    锅炉在实际运行中,由于进入炉膛的热风温度 已达到370℃,而进入炉膛的高炉煤气只有30℃左 右,如果对其进行预热,提高进入炉膛燃料的温度, 则有利于低热值高炉煤气的充分燃烧。由于高炉煤 气具有易燃易爆,有毒等特点,采用一般管壳式换热 器,在换热器内管发生泄漏时,容易引发重大安全事 故。经过技术论证,决定采用热管换热器。改造方案 为:将锅炉尾部烟道的两座麻石水膜除尘器拆除,在 原位置加装一组整体式热管换热器,用于预热高炉 煤气,并对烟道和高炉煤气管道进行相应的改造,锅 炉本体保持不变。热管换热器安装位置如图2所示。
                
    3.3热管换热器的基本结构
    邯钢1#75t/h锅炉采用的整体式热管换热器主 要由壳体、热管元件组成。壳体是一个钢结构件,下 部走热流体作为烟气通道,上部走冷流体作为高炉 煤气通道,中间有管板分隔。壳体的上顶下底均设有 保温层。设备冷热流体两侧开有排污口,便于停车后 冲洗热管时排灰水之用。同时,壳体冷热两侧均设有 观察孔,并在热侧设有声波吹灰器。热管为钢—水重 力热管,管壳为无缝钢管,上下两端焊有封头,内部 灌装有工质。上封头上有一抽气装置,是供热管制作 时抽真空使用的。热管受热段和放热段缠绕有翅片, 翅片与管壳采用高频焊接,焊接紧密牢固,热阻小。 受热段和放热段之间有一密封结构,这个结构与管 板管孔配合,形成对冷热流体的有效密封,使它们互 不串漏。
    3.4整体式热管换热器主要技术参数
    热管换热器设计的主要技术参数如表1所示。

    4 热管换热器的应用效果与经济效益分析
    4.1热管换热器的应用效果
    邯钢1#炉加装的整体式热管换热器投入运行 后,经过一段时间的观察,取得了良好的效果。锅炉 的排烟温度有了较大程度的降低,同时进入炉膛高 炉煤气的温度升高,从而强化了低热值的高炉煤气 的燃烧,提高了炉膛温度,炉膛内辐射换热加强,使得锅炉出力增加。由于锅炉的烟气余热得到了回收 利用,与改造前相比在同等负荷下(50 t/h)高炉煤 气的用量减少5000 m3/h,锅炉的热效率得到了较大 提高。同时又由于去掉了麻石水膜除尘器,每小时 可节约河水50 t。
    锅炉改造前后主要运行参数对比如表2所示。

    4.2热管换热器应用后的经济效益分析
    邯钢1#炉加装的整体式热管换热器投用后,每 小时可节约高炉煤气5000 m3/h,全年共可节约大约 39600 km3高炉煤气;同时去掉了麻石水膜除尘器, 每小时可节约河水50 t。按邯钢内部价格计算,全年 共可降低动能消耗费用380万元,加装热管换热器 总投资为150万元,因此只要五个月即可收回全部 投资。
    5 结论
    目前,热管换热器由于它独有的特点,在各行业的余热回收和综合热能利用中得到越来越广泛的应用。对于由燃煤改为全烧低热值的高炉煤气锅炉,在受热面不做任何改动的情况下,排烟温度升高和出力降低是两个比较普遍的问题。热管换热器在邯钢高炉煤气锅炉上的成功应用以及所取得的良好效果,为这两个问题提供了一种比较有效的解决方法。
[参考文献]
[1]丁明舫.锅炉技术问答[M].北京:中国电力出版社,2001. 作者简介:吕金奎(1979-),男,大学本科,工程师,现从事锅炉设备管 理工作。 
责任编辑: banye 参与评论
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