热管余热（精选6篇）
热管余热 篇1
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]。文章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。
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140000～240000Nm3/h。如果将其降温到140℃排空，则回收的热量可达8400～15000 k W。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。
1.2 水预热热器
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℃,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]。
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7200h效益可达430余万元，设备投资可在一年内收回。
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℃为宜；
(3）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；
(4）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；
(5）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。
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。
摘要：通过实例介绍了多种热管式换热器在化工领域余热回收中的应用,回收废烟气中的热量来预热空气、水,以及生产蒸汽;分析了热管换热器使用中的问题,并提出了解决方法;此外,还首次提出了利用密闭腔式换热器来回收废液及废蒸汽中低品位热量的可行性。这对于化工企业的节能降耗具有指导意义。
关键词：热管,换热器,余热回收,节能降耗
参考文献
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[7]马永锡,密闭腔式换热器[P],中国,CN200710039328.4,2008,8.
热管余热锅炉在烧结厂的应用 篇2
在钢铁企业中, 烧结作业的能耗仅次于炼铁。烧结冷却机废气带走的热量占烧结厂总能耗的25%～30%, 对废气余热的回收是烧结作业节能的重要一环。热管余热低压锅炉就是为烧结厂回收冷却机废气余热而新设计的设备。
热管余热锅炉由给水预热器、热管蒸汽发生器、汽包等组成。热管蒸汽发生器是近年来新研制的蒸汽发生器, 由若干根热管元件组成。由于热管是高效的传热器件, 所以新型蒸发器具有传热效率高、设备结构紧凑、流体阻力小、设备运行稳定可靠、操作简单、维修方便等特点, 不仅适合在烧结厂冷却机上应用, 也可广泛应用在竖炉余热回收、水泥窑余热回收、冶金炉余热回收等系统中。
1 热管余热锅炉的工作原理
1.1 热管工作原理
热管是1964年美国洛斯-阿拉莫斯实验室首先命名的换热元件。20世纪80年代我国才开始研究在实际工程中的应用。应用最多的是重力热管。密封的管件内抽真空, 达到10-5～10-4Pa的负压, 往管件内充入少量的液体介质。当热管的下端受热时, 管内的工作液体吸收热量而汽化为蒸汽, 向热管上端流动, 到热管上端放热段, 向外散热后, 凝结为液体, 在重力作用下, 沿管壁流到受热段, 再受热汽化, 反复循环, 将热量由下端传到上端。这个过程是相变传热, 管内热阻小, 这就是热管能以较小的温差传递较大能量的原因。其特点为热效率高、结构简单、无动力单向导热。由于冷热流体间的换热是在管外进行, 强化了传热, 故不受热流体对设备的直接冲刷。
1.2 热管蒸汽发生器的工作过程
由多个热管元件组成热管蒸汽发生器, 其结构如图1所示。由图1可见, 热管的受热段在废气风道内, 热废气水平吹过热管受热段 (下端) , 热管的放热段 (上端) 放在汽包水汽系统内, 热管使热源和水汽系统分开, 避免热流体对水汽系统直接冲刷。
热管蒸汽发生器的工作过程是:废气的热量经热管传给水套管内的饱和水, 使水汽化产生蒸汽, 产生的水汽混合体沿上升管达到汽包, 经汽水分离器后, 通过蒸汽总管, 送往用汽地点。汽包内的水由预热器供给, 汽包内的水经下降管向水套管内不断补水, 这样就完成了间接受热的汽水循环, 从而达到将烧结冷却机废气余热及热烧结矿辐射热转变成蒸汽的目的。
1.3 热管蒸汽发生系统的特点
从热管蒸发器的工作过程可以看出整个系统有如下特点:
(1) 烧结废气热量传递到水是由热管元件完成的, 水汽被间接地加热。
(2) 热管蒸汽发生器系统中的热管元件独立工作, 如有个别损坏, 不影响整个系统的运行, 这点与烟道余热锅炉不同。
(3) 热管是单向导热, 即热量传递只能由热废气传到水中, 而不会由水汽传到热废气。
(4) 热管受热面采用高频焊翅片, 强化传热、效率高、热侧面阻力小、设备结构紧凑。
(5) 热废气的热量传递过程中, 不需任何动力, 运行简单可靠。
2 热管余热锅炉在烧结厂的应用
2.1 回收烧结冷却机上废气的余热
烧结机运行时, 热烧结矿从烧结机尾部落下, 经破碎筛分后, 通过溜槽落到冷却机传送带上, 通过溜槽时, 热烧结矿的温度达700～800℃, 以辐射的形式向外散热, 落到冷却机带上的温度仍达600℃以上。通常在烧结冷却机下安装数台冷却风机、冷却用的轴流风机或鼓风机使冷却风强力穿透热料层。穿过热料层后, 风温达到300～350℃, 风罩内的冷却风即是要利用的余热废气。
2.2 回收余热的工艺流程 (见图2)
由图2可见, 工厂生产水经水处理软化后, 用水泵加压到1.2～1.5MPa, 送入水预热器, 水加热到100℃送到汽包, 通过汽包与热管蒸发器连接的下降管, 进入热管蒸发器内, 吸收热管传送的热量, 汽化形成0.7MPa的蒸汽, 经过上升管进入汽包后, 进行汽水分离, 最后通过蒸汽总管送到用汽地点。
2.3 回收系统的设备配置
2.3.1 烧结厂冷却机回收系统
以某烧结厂280m2环冷机为例, 环冷机直径为33m, 其台车宽度为3.2m, 高温段的热风温度为300～350℃, 总废气量为300000m3/h, 所占区域为63°, 将高温区域的热风分别收集于4个集风箱内, 每个集风箱的热风温度都取320℃, 风量取75000m3/h, 4个风箱内布置4套热管。热管蒸发器的水套管、上升管、预热器和汽包都布置在环冷机上方。
2.3.2 水循环系统
水循环系统的供水量为15～20t/h, 供水压力为1.2～1.5MPa, 水源是工厂生产水经过钠离子交换系统处理后的软化水。水循环系统配置25m3软水箱两个, 每个软水箱设置两根回水管, 一根是水预热器出口的热水回路, 作为开车时调节用, 开车完毕则关闭。另一根是加压泵出口的回水管, 作为日常调节用。
水系统配置2台电动给水泵, 水泵扬程要满足系统压力和上升管的压差及沿程阻力。水泵扬程选H=150m水柱, 泵流量18～20t/h。
水系统的除氧可选用热力除氧或化学除氧, 根据实际情况比较确定。水预热管和热管蒸汽发生器均设有排污水出口, 可定期清除内部残留污物及水垢。
2.3.3 热管的防磨设计
由于废气中含有携带的烧结料小颗粒, 会磨损热管, 为了强化传热并节省钢材, 热管受热面采用高频焊翅片, 并加大肋片厚度, 厚肋片的重要辅助功能则是在防腐蚀方面起到了良好的作用。废气中含尘小颗粒首先与肋片相撞击。失去了一部分动能, 另一方面废气横向冲刷, 遇到肋片后, 做绕流运动, 含尘小颗粒的速度分解, 运动路径发生涡流, 又失去了一部分动能, 减弱了磨损力量。所以采用厚肋片保护热管是非常重要的措施。
对热管螺旋翅片的优化设计研究表明, 横向节距总是在最小边界处取得最优值, 纵向总是在最大边取得最优值, 所以尽量使热管肋片横向节距小、纵向节距大, 得到最佳的传热———流阻比。
2.3.4 设置吹灰孔
当厚肋片对热管的磨损起到很好的保护作用时, 废气的流速可选得大一些。废气中SO2、SO3等气体含量很低, 酸露点的腐蚀很小, 对选择大流速无影响。选择大一些的流速, 使其具有一定的自吹灰能力。设置吹灰孔的目的是停产检修时, 吹入高压N2和空气混合气, 清扫受热面的积灰, 可解除积灰对传热的影响。
3 热管余热锅炉的主要设计参数
3.1 系统的参数
以某厂280m2环冷机为例, 设计的系统参数如下:
(1) 废热气流量:V=300000m3/h;
(2) 废热气进口温度:t1=320℃;
(3) 废热气出口温度:t2=190℃;
(4) 供水温度:tw=20℃;
(5) 蒸汽温度:tv=170℃;
(6) 蒸汽流量:G=18t/h;
(7) 蒸汽压力:Pv=0.7MPa;
(8) 废气测阻力降:≤120mmH2O。
3.2 水预热器的设计参数
(1) 结构型式:螺旋翅片管式;
(2) 换热面积:350m2;
(3) 进水温度:20℃;
(4) 出水温度:100℃。
3.3 热管蒸汽发生器设计参数
(1) 结构型式:热管、水套管分片组合式;
(2) 换热面积:900m2;
(3) 热管根数:10片/台, 300根;
(4) 汽包外径:1600mm;
(5) 汽包长度:7000mm。
4 结论
热管余热锅炉不需任何燃料和动力, 无任何运转部件, 只要烧结冷却机正常运转, 即可按设计的数据正常供汽。
我国的一些烧结厂已开始设计和安装热管余热锅炉, 实践证明这项技术是可靠的, 也是一项重要的节能措施。
摘要：采用热管余热锅炉回收烧结冷却机废气带走的25%30%的热量。热管余热锅炉采用高效的热管传热器件, 热效率高, 结构紧凑, 水的加热和汽化均在烟道外进行, 不同于一般的余热锅炉。从热管分析入手, 论述在烧结机冷却系统中的具体应用和设计参数的确定。热管余热锅炉也可广泛应用在竖炉余热回收、水泥窑余热回收、冶金炉余热回收等系统中。
热管余热 篇3
湖北楚源高新科技股份有限公司现有一套15 wt/a硫铁矿制酸装置,余热锅炉尾部、旋风除尘器后面出口烟气温度达320～330℃进入净化工段,经过动力波后烟气温度要冷却至60～70℃进入后续工段,烟气通过水冷不但使烟气余热没有充分利用,而且浪费了大量的水资源。针对这一情况,为了合理利用该烟气的余热,我公司拟设计一套热管蒸汽发生装置,来尽量回收该烟气余热,使烟气温度降至合理的温度后进入后续工段除尘冷却[1]。该方案不仅回收了烟气余热,降低了后续工段的耗水量,而且产生的低压饱和蒸汽可以供给其他工段生产和生活使用,并能为企业创造可观的经济效益和社会效益。
2 热管技术简介
2.1 热管换热设备的组成
热管换热设备是由若干热管元件组成的高效换热设备,根据用途的不同,常用的热管换热设备有以下三大类产品:热管省煤器(气-水换热设备);热管换热器(气-气换热设备);热管余热锅炉(气-汽换热设备)[2]。
热管省煤器又称锅炉给水预热器或锅炉烟气热回收器,是由若干热管元件组成的一种高效气-水换热设备。它通过热管将锅炉烟气的热量传递给锅炉给水或生活用水,从而达到降低排烟温度,提高水温,节省燃料的目的。
热管换热器是一种传热强度特别高的气-气热换设备,其各项性能指标均优于传统的气-气换热器,是气-气热回收的最佳选择。
热管余热锅炉又称蒸汽发生器,是一种新型高效的气一汽热回收装置,它兼有水、火管锅炉二者的优点,却避开了二者的弱点,各项性能均优于传统的余热锅炉。
2.2 热管的工作原理、结构特点[3,4]
如图1所示,热管一般由管壳、毛细多孔材料和工作介质组成,将经过提纯的工作介质充入装有毛细吸液芯材料,并抽成高真空的管壳内,然后加以密封。热管的一端为蒸发段,另一段为冷凝段,当一端受热时,毛细吸液芯中的工作介质液体吸收热量而汽化成蒸汽流向另一端,在另一端由于受到冷却使蒸汽释放汽化潜热凝结成液体,液体再沿多孔材料在毛细力的作用下回流到蒸发端,并再次受热汽化,如此反复循环,连续不断的将热量由热管一端传至另一端。在工业余热利用中,热管一般没有吸液芯,工作介质依靠重力从冷凝段回流到加热段,这种管称为重力热管。
因为内部是高真空的,所以工作介质极易汽化,另外,由于是相变传热,管内传热热阻很小,因此,较小的温差即可获得较大的传热率,而且其结构简单,特别是热管特有的传热机理,使得冷热流体间的换热均在管外进行,签于此,可以很方便的进行管外传热强化,如加翅片,钉头等扩展传热面,以克服气体换热系数较小的问题,从而使整个设备结构更紧凑。
2.3 热管及换热管特点
(1)高传热系数。热管的传热使利用热管内流体相态变化来进行传热,传热系数高。为提高热管外气流的对流传热系数,管外设置翅片更进一步改善整体传热性能,使设备结构紧凑,从而降低设备投资。
(2)传送热量能力大。送热量,是指从沸腾段到凝结段所送的热量值,这种传送在热管中是靠传送潜热的方式进行的,因此,远远大于靠其他方式(导热、流体流动)所传送的能力。
(3)良好的等温性。由于管内的介质纯度高,热管内部的沸腾和凝结过程,即是恒温又是恒压过程,因此加热段和冷却段都是恒温带。
(4)可避免或减轻露点腐蚀。热管工作温度和外界换热条件有密切关系,可以通过合理选择冷却段和加热段的长度比来改变外界条件,也就是改变热管的工作温度和加热段表面温度。在设计时,将104℃地水先打入到汽包中,使常温水与汽包内的0.9 MPa的欠饱和水相混合,再沿下降管送入到蒸发器中,这样提高了热管冷侧的温度,也就是提高了管壁温度,能使热管壁温达到210℃以上,可有效的避免露点腐蚀,延长设备使用寿命。
(5)热流体和冷流体互不泄漏。热管换热器一侧管子即使因磨损、氧化、腐蚀等原因有损坏,也只是该换热管失效,也不会影响其他热管工作,且两种介质互不泄漏,这是因为热管的另一侧还是封闭的,具有二重密封作用,不必立即停车,这一点对于连续性生产装置显得更为重要。
(6)结构简单,元件更换容易。由于热管的换热元件独立安装,因而不仅结构简单,而且热管元件的数量可根据换热量而增减,同时还可单独进行更换。
(7)通过合理的流速设计,保证设备有自清灰效果,箱体侧设置检修孔,观察孔及吹灰孔。同时,还可考虑空气冲击波清灰技术。
3 技术规范和说明
3.1 基础数据
(1)烟气流量:5600 Nm3/h;
(2)烟气进口温度:320～330℃;
(3)产生蒸汽压力:0.8～1.0 MPa;
(4)给水温度:104℃。
3.2 设计数据
(1)烟气流量:5600 Nm3/h;
(2)烟气进口温度:325℃;
(3)烟气出口温度:230℃;
(4)给水温度:104℃;
(5)产生蒸汽压力:0.9 MPa;
(6)饱和蒸汽温度:180℃;
(7)蒸汽产量:3 t/h;
(8)烟气侧压降:700 Pa。
3.3 设计说明
由于焙烧炉尾部烟气中含有大量的SO2和少量的SO3,如果新增普通的列管换热器设备,设备管壁温度过低,将会出现露点腐蚀现象,一但泄漏很难修复,影响系统的整体运行。
本方案采用了热管作为换热元件,在降低烟气温度的同时,可以另外增加3 t/h的蒸汽产量。热管本身及设备的诸多优点可以从根本上避免含硫烟气和水汽侧接触,而且,即使烟气侧热管腐蚀泄漏,也不会使水汽和烟气互通,水汽侧仍可正常运行,不会因该设备而使系统停车。
通过控制热管冷热流体侧的热流密度来控制热管管壁温度,尽可能使热管管壁温度始终高于210℃,从而从设计上来保证热管蒸发器长期、安全、可靠地运行。
4 结论及建议
(1)投资:通过设计计算,整套设备本体,土建,安装,平台扶梯及管道系统总体投资估计约210万元。
(2)效益分析:从经济效益来分析如下:产蒸汽量3 t/h,蒸汽价格180元/t,年生产时间8000 h,每年经济效益为:3 t/h×180元/t×8000 h=432万元。可见,投资210万元的项目在5个月内即可收回所有投资,经济效益十分显著。
(3)建议:热管余热锅炉是一种具有传热强度高、流动阻力小、防低温腐蚀、维护简单等优点的新型高效节能设备。全国硫铁矿制酸装置目前多数在净化前都将这部分热能没有回收利用,这样不仅浪费了能源,同时,为了降低该部分气相的温度,还增加了冷却循环水的消耗量。由此可见,热管省煤器在净化前的应用大大力推广势在必行。
摘要：主要介绍了热管的工作原理,结构特点,并与普通换热管进行对比,简单介绍了设计基础和设计说明。比较了在投资,经济效益方面的情况。其传热性能好,可避免露点腐蚀,是一种可靠有效的换热设备。指出热管余热锅炉在净化前应用的可行性。
关键词：热管省煤器,原理,经济效益
参考文献
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[3]陈泽鹏.李正宓.热管换热设备在余热回收上的应用[J].节能环保技术,2006(10):38-40.
热管余热 篇4
热管是一种新型、高效的传热元件, 其内部是靠工质循环实现热量传递, 它的当量热导率可达金属的103倍~104倍。以热管为传热元件的热管换热器, 在利用热能、回收废热、节约原料、降低成本等方面优势明显, 特别适用于中低温的余热回收[1,2]。
热管的种类很多, 如有普通热管、分离式热管[3,4]、重力式热管 (虹吸管) [5]、平板热管、微型热管、径向热管等, 本文主要研究热管中的分离式热管和重力式热管在煤矿低温废热回收中的应用, 现针对这两种型式做主要分析。
目前, 在煤矿的开采中通风是十分重要的, 矿井里的通风量大且通风温度常年基本维持20℃左右不变, 而且随着深度的增加矿井回风的风温在不断升高。因此矿井回风中蕴含有巨大的低温热能。
本文要研究的正是以矿井回风作为低温热源, 分别利用分离式热管和重力式技术, 将其转变为有用的高温热源, 用于满足井筒防冻等用途。
1 煤矿热能现状分析
1.1 矿井回风废热分析
当地面新鲜风流送入进风井筒以后, 供给工作面新鲜空气的同时也吸收来自沿程围岩散热、机械设备散热、煤体氧化、人员等方面的散热[6], 当风流从回风井排出时, 矿井回风的温度比进风高出许多, 加之矿井回风量大, 因此, 矿井回风中蕴藏着大量的低温热能, 而这部分热能未被利用, 直接排到大气, 会造成热能的极大浪费。
1.2 煤矿用热分析
根据《煤矿安全规程》第一百零二条规定:“进风井口以下的空气温度 (干球温度) 必须在2℃以上”。然而在北方大部分地区的冬季, 新风温度远低于这一要求。为了达到规定, 保证生产工作正常运行, 一般需要对矿井进风进行预热升温。
除上述冬天需要井筒防冻以外, 在夏季条件下, 根据《煤矿安全规程》第一百零二条规定:“生产矿井采掘工作面温度不得超过26℃, 机电设备硐室的温度不得超过30℃。”因此又需采取措施降低井筒温度, 减小热害损失。
1.3 现阶段解决措施分析
在冬季, 传统做法是通过燃煤锅炉提供热源以满足上述要求。这样, 不仅消耗大量煤炭, 而且煤炭燃烧时排放大量污染物极易造成环境污染;在夏季, 井筒降温通常会采取通风降温、控制井下热源方式、机械制冷水降温、人工制冰降温及空气压缩制冷降温等技术降低工作面风流温度[7]。
北京矿大节能科技有限公司采用的热泵技术提取回风中的热量, 通过热泵机组等配套设备将其转移到进风井筒处, 但对于进风井与回风井距离较远的工矿地区或分散通风的矿井来说, 如果将回风输送到新风井附近, 无疑需要铺设较长的运输风道, 不仅增加设备的投资, 而且会使矿区管道更加复杂;同时, 在输送过程中, 必然会存在热能的损失, 使回收效果降低。
2 热管换热器在矿井回风余热中的应用
2.1 分离式热管换热器应用
针对上述问题, 且对于进风井与回风井距离较远的工矿地区而言, 本文提出可利用分离式热管换热器回收矿井回风余热来达到井筒防冻的效果。
2.1.1 应用方案简述
分离式热管换热器系统如图1、图2所示:
1.扩散塔;2.倒流风罩;3.倒流风罩;4.风阀;5.回风风道;6.分离式热管换热器蒸发段;7.排风风道;8.蒸汽上升管;9.蒸汽下降管;10.分离式热管换热器冷凝段;11.新风风道;12.进风风道;13.防爆风机;14.除尘过滤器
冬季运行时, 矿井回风顺着扩散塔1, 引至换热器蒸发段6, 并以一定的风速横向掠过换热器。液池中的工作液体受热蒸发, 蒸汽在压力差的作用下向上顺着蒸汽上升管8流入换热器冷凝段10;蒸汽在冷凝段内凝结, 放出汽化潜热;回风放出汽化潜热后温度降低, 顺着排风风道7排至大气或作为其他方式的热源继续使用;室外的冷空气顺着新风管道11引至换热器冷凝段10, 吸收汽化潜热, 达到预热目的;加热后的空气温度升高到规定温度以上, 沿着进风风道12最终送入井筒内;冷凝后的工作液体在重力的作用下, 顺着下降管9回流到蒸发段的液池当中。只要有加热源, 这一过程就会循环进行。
1.扩散塔;2.倒流风罩;3.倒流风罩;4.风阀;5.回风风道;6.分离式热管换热器蒸发段;7.排风风道;8.蒸汽上升管;9.蒸汽下降管;10.分离式热管换热器冷凝段;11.新风风道;12.进风风道;13.防爆风机;14.除尘过滤器
如图2所示, 冷凝段可以设置多台换热器并联安装, 蒸汽顺着上升管8分流至不同换热器的冷凝段10、10'、10'', 分别冷凝后再沿着下降管统一回流至换热器的蒸发段6。因此可灵活调整冷凝段换热器的面积和摆放位置。
各个换热器冷凝段的下联箱均装有不凝结气体分离管15, 上面装有排气阀16, 定期打开排气阀可将不凝结性气体排出, 保证换热器安全运行。
在春、夏、秋三季不需要井筒防冻的情况下, 关闭风阀4, 矿井回风顺着扩散塔1从直接排风口3处完全排至大气。
2.1.2 方案优势分析
a) 热流空气通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁直接将热量传给冷流空气, 避免了普通换热器通过第三方换热介质传热所造成的热能损失, 提高换热效率;
b) 由于其蒸发段和冷凝段分开, 可以避免制造很长的输送风道。据文献报道[8], 蒸发段和冷凝段的距离可达上百米乃至数百米, 这一点对于矿上场地拥挤, 或进风井与回风井距离相对较远的工矿地区来说, 具有更大的意义;
c) 与常规的热管换热器相比, 分离式热管的蒸汽在冷凝段中自上而下与液膜同向流动, 可以避免单管式长热管换热器易于出现的携带极限。因此相同换热情况下, 可以选择更小直径的管子做传热管, 保证装置的紧凑性;
d) 冷、热流体完全隔离, 可以大幅度地改变冷凝侧或蒸发侧面积来调整热流密度, 进而调整热管管壁温度, 使其保证在低温流体的露点以上, 从而可防止有腐蚀性气体的露点腐蚀, 保证设备的长期运行;
e) 结构设计和位置布置简单灵活, 可以方便实现顺、逆流的混合分布, 同时可以设置多个冷凝段, 将其并联使用, 对不同环境的冷源分别加热, 可完全适应不同矿区的各种要求。
2.2 重力热管换热器用于矿井回风余热的回收
对于进风井和回风井处在同一个工业场地的矿区, 可利用重力式热管换热器, 在冬季将矿井回风中余热进行回收, 预热进风井筒;同时, 在夏季时经过阀门转换后, 将回风当做冷源使用, 达到冷却进风井筒, 降低热害的效果。
2.2.1 应用方案简述
重力式热管换热器系统如图3、图4所示。
1.回风风道;2.进风风道;3.重力式热管换热器;4.排风风道;5.新风风道;11、12、21、22、41、42、51、52.各风道内阀门
1.回风风道;2.进风风道;3.重力式热管换热器;4.排风风道;5.新风风道;11、12、21、22、41、42、51、52.各风道内阀门
冬季工况下:阀门12、21开启, 11、22关闭;同时, 42、51开启, 41、52关闭。矿井回风顺着回风风道1引至第三主风道03, 并以一定的风速横向掠过换热器的蒸发段。液池中的工作液体受热蒸发, 蒸汽在压力差作用下向上流入热管较冷的冷凝段, 放出汽化潜热;回风放出汽化潜热后温度降低, 沿着第四主风道04进入排风风道4, 最终排至大气或作为其它方式的热源继续使用;室外的冷空气顺着新风管道5到达第二主风道02, 吸收汽化潜热, 达到预热目的;加热后的空气温度升高到规定温度以上, 沿着第一主风道01进入进风风道2, 最终送入井筒内;冷凝后的工作液体在重力的作用下, 回流到蒸发段的液池当中。只要有加热源, 这一过程就会循环进行。
夏季工况下:阀门11、22开启, 12、21关闭;同时, 41、52开启, 42、51关闭。新风温度较高, 蕴含大量低温热能;相反, 回风侧温度较低, 可吸收新风的热量以达到冷却新风的目的。工作原理与冬季相似, 在此不再赘述。
2.2.2 方案优势分析
a) 本方案将矿井回风与井筒进风结合在一起进行热交换, 在冬、夏季分别达到预热和冷却进风井筒效果;
b) 因为冷、热流体不同时流过同一换热器壁面, 所以热管壁面不易损坏, 大大增强了设备运行的可靠性, 可长期连续运行;
c) 流体是在热管外壁横掠换热, 再加上翅片的存在, 因此气流的扰动性加强, 可有效防止积灰;同时热管壁温高, 管外始终呈干燥状态, 不会结膜也不易粘附烟灰等, 所以可有效防止堵塞;
d) 结构设计紧凑占地空间小, 布置简单灵活, 特别是对进风井与回风井位于同一工业场地的中央并列式或区域通风式的矿井来说, 可以减少过长的风道造成的初投资增大和热能的损失。
3 结语
目前热管换热器在煤矿行业余热回收中的应用仍然较少, 主要原因是其生产成本以及技术推广等方面的不足。但是在节能减排的大政策指引下, 寻求更加低碳环保的方法来取代锅炉的运行势在必行。该领域内的各位专家学者应该进一步完善低温热管技术, 降低其成本, 提高其运行可靠性, 拓宽其适用范围, 提高热管换热器与其它型式高效热交换器的竞争力。
摘要：分析了煤矿热能现状及分离式热管和重力式热管在矿井回风余热中的应用, 指出, 以矿井回风作为低温热源, 分别利用分离式和重力式热管技术, 可将其转变为有用的高温热源, 用于满足井筒防冻等用途。
关键词：热管,矿井回风,余热回收,分离式热管换热器,重力式热管换热器,井筒防冻
参考文献
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热管余热 篇5
燃气发动机是一种以天然气或其他可燃气体为燃料、靠火花塞点燃的活塞式内燃机。在油田地面工程中, 它可以为抽油机提供连续运转动力, 也可以直接驱动压缩机、注水泵及输油泵, 还可以作为驱动发电机组的直接动力。由于它有效利用天然气和石油伴生气, 大气污染物排放指标优于柴油机和汽油机, 环保效益显著, 已成为原油天然气开采中动力设备的理想驱动装置。但是, 根据热平衡计算, 燃气发动机的燃料能量只有约40%被转化为有用功, 约有35%随废气排出, 15%被发动机冷却水带走, 其他热损失约占10%。由此可见, 燃气发动机近50%的能量被白白浪费掉, 综合利用这些余热资源, 可使发动机的有效热效率达到70%以上, 收到较好的节能效果。
1 热管余热回收装置主要用途
在油气田生产中, 应用热管余热回收装置回收燃气发动机余热主要有以下几种用途:
(1) 生产热水和蒸汽。
利用燃气发动机排出的350～550℃ 中、高温烟气余热, 生产70～95℃或更高温度的热水以及0.2～0.4MPa的低压蒸汽, 用于生产工艺用热、生活采暖用热和生活洗浴热水。例如在油田的边远井站, 燃气发动机不仅是发电和工艺装置的直接驱动设备, 还取消了井站加热炉, 利用其热管余热装置回收的热量加热原油进行外输。
(2) 预热空气。
西部高寒、高风沙地区, 油田燃气发电站燃气发动机组通常安装在建筑物内, 当使用地点的环境空气温度低于设计要求时, 冷空气进入燃烧系统后, 机组会发生喘震现象, 影响冬季的安全运行。因此, 在设计中利用燃气发动机排出的中高温烟气, 通过热管余热回收装置将热量传递给空气, 达到预热环境空气的目的, 从而解决冬季机组发生喘震的技术难题, 有效地保证了燃气发动机的正常工作及系统的安全运行。
2 热管余热回收装置的构造和原理
油田燃气发动机常用的热管余热回收装置按功能划分有热管余热锅炉、热管换热器和热管空气预热器。它们的共同特点是根据发动机排出烟气余热的压力、温度、流量以及品质, 选择若干根特殊热管作为高效传热元件, 组成不同用途的热交换设备。
2.1 热管余热锅炉
热管余热锅炉的主要部件是汽包和热管管束。汽包设计与蒸汽锅炉相同取决于所需要的蒸汽参数。在选择蒸汽参数时首先考虑蒸汽的用途, 通常所回收的蒸汽直接用于油气处理及辅助生产工艺时都是低压蒸汽。一般所需要的最大蒸汽压力为0.3MPa时, 考虑输送管道的压力损失, 余热锅炉的蒸汽压力设计为0.4MPa。如果选用过高的蒸汽压力, 由于炉内烟气与水之间的传热温差变小, 受热面积就要增加, 因而余热锅炉的投资也相应增加。常用的热管余热锅炉使用以水为介质的重力式热管居多, 材料选用碳钢, 最高烟气温度为600℃左右。热管管束的热端置于燃气发动机的烟道内, 冷端插在余热锅炉的汽包内, 当高温烟气横掠热管热端后, 热管吸收烟气余热, 冷端放出热量, 使汽包内液体沸腾相变, 产生一定压力和温度的蒸汽, 再经蒸汽主控制阀输出, 作为原油及天然气场站中原油及污水加热的工艺热源。汽包内的水要经过软化及除氧处理。按照蒸汽锅炉的规范要求汽包上还应设有压力表、安全阀、水位报警器等安全设施。
2.2 热管换热器
通常在油田燃气发动机上采用热管换热器, 主要用于油田场站热水采暖及管线伴热、洗浴热水, 参加换热的流体一边是采暖、伴热、洗浴循环用水, 另一边是发动机排出的高温烟气。为了强化传热, 置于烟气流中的热管加热端, 往往采用翅片管;置于冷却段的循环水流道内, 通常采用光管。换热器用隔板将冷、热介质流区分开, 隔板间还要保证有良好的密封。在水侧压力较高时, 壳体应按压力容器标准进行设计。这种热管换热器要比常规的管式换热器传热系数提高4～10倍, 体积小, 造价低, 维修管理方便。目前, 该技术已经在大港油田的部分油气场站推广应用, 不但无需增加新的能耗, 还取消了站内部分原油加热炉和采暖锅炉, 收到很好的节能效果。
2.3 热管空气预热器
热管空气预热器的应用主要借鉴在寒冷地区解决燃气发动机组冬季运行时发生喘震的工程实例。这种热管空气预热器的结构主要包括热管管束、隔板和外壳三大部分。三者组成了烟气和空气的通道, 隔板将热管的蒸发段和冷凝段分隔开, 同时也将烟气通道和空气通道分隔开。热管管束是传递热量的核心, 可以根据环境温度需求, 将许多根热管进行不同形式的组装, 组成不同尺寸的热管空气预热器。隔板与热管间的密封必须十分严密, 否则实际热效率会大大降低。一般进预热器的烟气温度不高于600℃, 出预热器的烟气温度不低于150℃, 以防烟气结露腐蚀热管。空气侧的压力损失要尽可能小, 以减少风机的一次性投资和运行费用。另外, 减少排烟侧阻力, 满足燃气发动机排烟系统的的背压要求, 保证发动机组的正常运行, 这也是其他热管余热回收装置设计中必须要注意的问题。
3 工程实例及效益分析
由于油气田建设的燃气发电站单机规模较小, 在以往的设计中, 燃气发动机的烟气余热都不做回收。2002年, 在西部某油田一座4×2200kW燃气发电站设计中, 通过技术经济分析, 设计安装了两套“采暖、空气预热一体化热管余热回收装置” (见图1) 。该装置主要用于预热燃气发动机的助燃空气及电站的生活采暖, 其结构上将热管换热器与热管空气预热器一体化设计, 既节省了设备投资, 又节省了占地面积, 操作方便。工艺参数如表1所示。
目前, 该供热系统已投运5年多, 设备运行良好, 取得了满意的节能效果。这项技术作为该发电站的特色技术之一, 获得中油集团公司优秀设计三等奖。
该工程安装两套热管余热回收装置, 投资约20万元, 由于不再新建供热锅炉, 减少设备投资约30万元, 而且不再设锅炉房、机泵及操作管理人员, 减少了运行及维修费用。粗略估算, 在目前运行工况下, 年节省天然气约40万m3, 按西部油田工业天然气价格0.6元/m3计算, 年节约燃料及其他运行成本约30万元, 经济效益显著。
4 结语
热管余热 篇6
关键词：热管蒸汽发生器,余热回收,热管,烧结冷却机
冶金行业作为国家经济的重要支柱产业,虽然在现代建设中发挥着重要的作用,但冶金行业同时也是能源消耗的相对较大的用户,能源消耗在成本中所占的比例过大,因此进行能源降耗就显得十分重要。
有人曾做过统计,数据表明烧结工序消耗的能源站到炼铁总能量消耗的12%之多,同时烧结工序排放出的余热占所消耗能源的49%左右。通过数据我们不难发现,进行余热回收的必要。此外,还通过分析烧结工序内废气温度的分布情况得出进行余热回收的主要方向集中在冷却机的排气以及烧结矿成品显热两个方面上。
就目前而言,热管技术的应用主要是对冷却机排气显热的回收上,而烧结矿料成品的显热的回收主要是通过余热锅炉。当用烧结机进行生产时,热烧结矿由烧结机的尾部滑落然后经过破粹,经过溜槽最终掉落在冷却机上。此时热矿料的温度能够达到700-800℃,这部分热量主要通过辐射形式散失掉。在烧结冷却机下一般都会布置若干台冷却风机。这些冷却风机将冷却风强制的穿过料矿层,冷却风经过料矿的加热后,第一风罩里的冷却风可以升到350-400℃,即便是第二风罩的风也可以升高到250—300℃,因此我们可以设法将这两个风罩内的冷却风加以利用,已达到节约能源的目的。
1、热管工作的原理
热管主要由工作液、壳体以及吸收液三大部分组成,将热管内部抽成真空,然后进行充液,最后密封壳体,这样便组成一支热管。热管根据功能的不同可以分为凝结段、蒸发段以及绝热传输段。当热管进行工作时,首先应加热蒸发段,蒸发段加热后相应的吸液芯内的液体会潜热而蒸发,而蒸发的饱和蒸汽会通过绝热传输段使其进入凝结段,此时蒸汽放出的潜热又会在吸液芯的表面进行凝结,凝结后的液体通过多孔吸液芯的毛细作用会自动的流回到蒸发段。最终通过循环往复,便可把大量热由加热区传送到放热去。因为这是传热强度较高的想互变温传到热,使其具有热租低、温差小等特点,使得其即便是在低温差下也可以传递一定量的热负荷。
2、热管设备结构具有的特点
2.1 疏通情况良好,抗腐蚀性能强。
如果管壁的温度一直比烟气的露点温度高,那么附着在热管表面的积灰就会呈现一种易于脱落的干燥松散状态。而为了提高管壁温度,我们可以通过改变热管冷热段的受热表面积的比例来实现对其温度的调节,此外还可以使之超过最大腐蚀区。而为了不出现堵灰、减少热管磨损,可以通过设置烟气的流速来实现,一般将烟气流速设置为8—12m/s即可。
2.2 设备的使用性能增强。
热管设备不会因为露点腐蚀以及其他原因而造成的单根或多根热管的损坏而影响到设备的整体的运行与安全。而是随着热管的受损程度加重、换热器换热面积的减少而影响对余热回收的效率而已。
2.3 传导热性能强。
废气热管的外侧形状是翅片形,这样的形状有利于换热表面积的增大,强化了传热,而水蒸气、水以及废气的换热的场所正是在那进行的,这就增强了传到热的性能。
2.4 水汽系统的泄露减少。
热管设备同一般烟道中应用的设备的不同之处就是冷热流体的分隔,这样就能够避免水汽系统因废气的冲刷造成损坏而发生冷测水汽泄露到热侧,有效的提高了风系统的安全性能。
2.5 阻力小。
增加热管设备进行余热回收不会增加热废气阻力,低的阻力不仅能够免除对原热风系统的调整,还可以使用到改造过的老机组,具体实施上只需在风罩处布置余热设备。热管设备该特点有利于冶金企业对已有烧结机组做出改造。
3、烧结冷却机余热回收系统的功能的应用
对烧结冷却机余热回收而言,自来水通过软化后由热力除氧器进行除氧,再将除氧后的水通过除氧水泵注入到热管预热器,接着流经气包,而水则由下降管流入热管蒸汽发生器,水吸收热量变成水蒸气,蒸汽由上升管进入气包,在在再气包中进行水气分离,最终形成0.8Mpa的饱和蒸汽,再通过热器过热使温度达到200℃以上,最终将其传送到用户或者蒸汽总管那里。
4、总结
经过冶金企业的多年的应用,表明热管技术回收烧结冷却机的余热效果确实很好,不仅为国家节约了能源,还为企业增加了经济效益,这种技术的应用领域越越广泛,尤其是冶金与化工等行业前景广阔。
参考文献
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