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高温热管在小氮肥余热回收中的应用

晨怡热管 许圣华  冯踏青 2007-2-4 11:54:11
1 引言

  由于全国小氮肥厂全面推广蒸汽自给,因此如何合理地对其煤气工段高温半水煤气的余热加以利用显得越来越重要。氮肥厂造气工艺均以焦碳为原料,在煤气发生炉中以富氧空气加水蒸汽为气化剂,连续产生750~950℃的高温半水煤气,经过热交换器使半水煤气的温度降至250℃以下,进入后续工艺。常规的方法是采用余热锅炉,煤气走管程,水、汽走壳程,只能产生0.3MPa以下的低压蒸汽,无法满足后续工艺中使用的蒸汽。同时,由于半水煤气成份复杂,含有大量的水蒸汽、 CO、 CO2、 N2、 H2、O2、CH4及少量的H2S,且温度高,含尘量大,飞灰粒度大,易造成换热器的磨损、腐蚀,再加上温度应力容易引起管板和管子的损坏,这些都将严重影响生产和安全。
  针对造气工艺特殊的运行环境,设计一种高温热管蒸汽发生器取代余热锅炉,克服了原余热锅炉存在的诸多困难,取得了较好的经济效益。

2 高温热管蒸汽发生器工作原理及其特点


2.1 高温热管传热机理
  高温热管是以液态金属(钠、钾等)为工质,不锈钢或其它耐热钢为管壳和吸液芯,能在1000℃以上高温烟气中工作的热管。由于液态金属具有良好的热稳定性和很低的饱和蒸汽压力,如钠在800℃时,饱和蒸汽压力仅为0.047MPa;所以在高温条件下,液态金属高温热管几乎不承受内压,能在高温的条件下安全地工作。同时,液态金属在高温条件下具有较高的汽化潜热,如钠在800℃时,汽化潜热3977kJ/kg,因而液态金属高温热管能传递大量的热量,在我国余热利用领域的应用已越来越受到人们的重视。
2.2 高温热管蒸汽发生器的结构

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图1 高温热管蒸汽发生器


  图1为工作原理图,热流体为从煤气发生炉出来的高温半水煤气,热管蒸发段外带翅片,热管冷凝段采用光管形式,光管外为套管。通过热管内部工质连续不断的蒸发、冷凝,将高温炉气的热量传递给套管中的饱和水,使水在套管内沸腾蒸发,产生饱和蒸汽。套管的上、下均为联箱结构,上、下联箱通过上升管和下降管与汽包连接。套管中的蒸汽经上联箱通过上升管输送到汽包进行汽水分离,产生蒸汽,而饱和水则由下降管经下联箱输送到套管中,这样就构成了一个循环产汽系统。整个蒸发器分高、中、低三段,高温段采用液态金属钾高温热管,中温段采用萘工质热管,低温段采用水工质热管,相应的热管在其工作温度范围内饱和蒸汽压力较低,热管几乎不受内压,安全可靠。这样,通过蒸汽发生器使煤气温度从950℃降到250℃左右,同时将这部分热量作为热源生产较高品位的蒸汽,供合成氨工艺使用。
  由于半水煤气中含尘量很高,飞灰粒度大,流经热管时容易积灰,增大流动阻力,并引起腐蚀,同时飞灰对热管管壁造成撞击磨损和冲刷磨损。为此,在设计中采取了以下措施:
  (1)适当增大翅片间距,减小翅片高度;
  (2)热管与气流呈75°倾角安装,以减小冲刷磨损,减少积灰;
  (3)控制半水煤气气流在工况下流经热管管束的流速在10~12m/s之间,这样既能保证工艺气流的自清灰流速,又使撞击磨损的动能不是很大,并使气流与热管加热段有足够的换热系数;
  (4)在热管的布置上,采用顺排布置,则煤气气流方向顺排管束的第二排管子受飞灰颗粒的碰撞频率减小;
  (5)在第一排热管前加装挡灰条,以避免其受到强烈的飞灰撞击和磨损。
2.3 高温热管蒸汽发生器的特点
  一般常规锅炉在设计上采用大面积密集布孔,应力大,汽包在大量布置受热面管子时,壁厚增大,同时一旦有一根管子磨损或腐蚀穿孔,立即影响整套设备的运行。而采用集箱套管式高温热管蒸汽发生器,其优点则非常明显。
  (1)它不仅可以解决半水煤气要求的气—汽(水)隔离、互不渗漏的要求,而且还可以有效地调节与控制热管壁温,避免露点腐蚀现象;
  (2)承受压应力与承压体直径有关,采用小直径套管能以小的金属耗量承受较高的压力;
  (3)各热管单根并列布置,独立工作。万一有某根热管损坏,不致马上影响其它热管,从而维持整套设备运行到计划检修,确保生产连续、稳定、可靠地运行;
  (4)检修更换灵活方便,只需更换损坏的热管即可;
  (5)积木式结构,可使设备先在制造车间分体组装,到现场再拼接完成,安装灵活方便。

3 实例及经济效益分析


  江苏新苑集团公司化肥厂于1994年对其合成氨造气工段进行技术改造,采用高温热管蒸汽发生器回收半水煤气的余热,至今已安全运行5年。该工段煤气流量为135000m3/h,温度为950℃,通过高温热管蒸汽发生器将其温度降至250℃,每小时可生产4吨蒸汽,蒸汽压力高达1.57MPa。全年运行时间为7200小时,每吨蒸汽按40元价格计,则全年可回收价值115.2万元,氨年产量为2万吨,则平均每吨氨可降低成本57.6元,扣除固定资产折旧、大修费用和运行成本,每吨氨可净降低成本39.78元,年收益为79.56万元。

4 结论


  高温热管技术在小氮肥余热回收中的应用获得了令人满意的效果。实际运行表明,高温热管蒸汽发生器达到的某些性能指标,是其它类型的换热器所达不到的。该项技术已在江苏、安徽、辽宁、广东、山西、青海等省十多个小氮肥“二改一”工程中得到推广应用。

作者单位:许圣华:苏州大学能源工程系, 苏州市 215006; 冯踏青:新加坡南洋理工大学机械及生产学院)

参考文献:

[1] 屠传经,洪荣华,王鹏举.重力热管式换热器及其在余热利用中的应用[M].浙江大学出
    版社,1989.
[2] 吴存真,刘光铎.热管在热能工程中应用[M].水利电力出版社,1993.

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