石化加热炉余热回收技术及应用中常见的问题及对策

石化加热炉余热回收技术及应用中常见的问题及对策周丽纯一、常用余热回收的种类回转式空气预热器列管式空气预热器热载体式空气预热器板翅式空气预热器热管式空气预热器余热锅炉回转式空气预热器列管式空气预热器热载体式空气预热器热管式空气预热器图1111热管结构示意图热管换热器与其他热交换器的比较热管换热器与其他热交换器比较，有如下几方面的优点：（1）传热系数高由于是相变传热以及热管外部可以很方便地采用扩展表面，使得传热显著增强，例如，气-气型热管换热器的系数比列管式高出数倍。（2）传热温差大热管换热器可实现纯逆流换热，因而具有较大的传热温差。（3）结构紧凑在传递相同热量的情况下，热管换热器需要较少的传热面积，因而具有良好的紧凑性，占地面积和金属消耗量大为减少。（4）检、维修方便热管元件具有很好的可拆换性，便于维护和维修。因为热管元件彼此是独立的，只是按一定的排列架在一起的，而不象列管式那样，管子与管箱是互相联在一起的，是一个整体，因而不便于拆卸。有些热管空气预热器甚至在工作状态下，不用停机就能进行热管元件的更换和检修。（5）抗露点腐蚀热管换热器加热端和冷却端的面积可以人为地调节，管壁温度也就可以相应得到调节，因而具有较强的抗露点腐蚀的能力。此外，即使有热管腐蚀泄漏了，也不会造成冷热流体的掺混。表1111几种热交换器的比较很低中高中高维修费很高很高中低高单位容积传热面积无无无无有流体相互污染无无有（增加运行成本）无有辅助动力中高很高中高价格高中低高高放热系数低低低高中压力损失热管式板翅式水热媒管壳式回转式种类项目二、碳钢----水热管应用中常见的问题及对策1111热管的发展进程热管是一种新型相变高效传热元件，从它一问世，就以它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。不论从理论上，还是从应用上，这一新的学科分支，以它独有的生命力，在极短的时间内，已根深叶茂，硕果累累。热管，按其工作的原理，应称之谓“密闭两相传热系统”，即在一个密闭的体系内，依靠流体的相变来传递热量的装置。这种传热原理最初是美国通用发动机有限公司的高格勒（Gaugler）于1944年提出的，并以“热传递装置”为名取得专利，当时因未显示出实际意义而未受到应有的重视。其后，美国通用电气公司的Trefethen又提出报告，建议在宇宙飞船中采用由毛细力驱动的无动力传热装置，但Gaugler的专利和Trefethen的建议都没有被付诸实施。60年代初期，由于宇航事业的发展，要求为宇航飞行器提供高效传热元件，促使美国洛斯-阿拉莫斯科学实验室的格罗弗（Grover）及其合作者于1964年在独立研究的基础上，再次发现这种传热装置的原理，并在《JournalofAppliedphysics》上发表一篇题为“StructuresofVeryHighthermalConductance”的研究简讯，首次公开了他们的实验结果，并给这种结构命名为热管“HeatPipe”，紧随之后，Cotter于1965年首次较完整地阐述了热管理论，使得热管技术被人们所接受并首次成功地应用于宇航事业。从此之后，热管技术研究和应用在美、英、德、苏、意、日等国学者中引起连锁反应，研究成果和专利层出不穷，应用领域也从空间扩大到地面。工业热管与其他应用场合使用的热管最大的区别就是要求其结构简单、成本低廉，这样，靠重力使冷凝液回流的无吸液芯热管—重力热管成为首选方案；而为了降低成本，碳钢-水组合热管逐步替代了铜-水组合热管及钢铜-水组合复合热管，并多年来一直致力于管壳-工质组合的研究。热管技术在我国的应用始于70年代初，回顾其发展历程，大体可分为三个阶段，第一阶段从70年代初到1980年为热管的研制阶段，主要开始了热管的研制和实验研究工作，取得可喜的成绩。第一支钠热管就诞生于1972年，随后又研制成功铜-水热管，氨热管等等，在这期间，应用成果较少。第二阶段从1980年至1983年，为开始实用化应用阶段，这一阶段特征为以节能为目的热管换热器在某些企业和地区得到成功应用，并带来较显著的经济效益，受到社会的关注。尤其是碳钢-水热管的研制成功，为节能推广应用奠定了基础。从1983年到现在，是第三个阶段，进入了较系统地理论和应用技术的研究以及热管产品的推广应用阶段。在这阶段热管技术不断被人们所认识，并在各种节能换热设备中发挥越来越重要的作用。经过20多年的努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平。目前，气-气热管换热器、热管蒸汽发生器（余热锅炉）、高温热管（液态碱金属热管）蒸汽发生器、高温热管热风炉等节能产品已广泛用于冶金、石油、化工、动力、电子电器及陶瓷等工业领域，发展势头方兴未艾。2222热管的基本原理和结构图1111热管结构示意图3热管的分类由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有一下几种。（1）按照热管内工作温度区分低温热管（-273～0℃）、常温热管（0～250℃）、中温热管（250～450℃）和高温热管（450～1000℃）。（2）按照工作液体回流动力区分有芯热管、重力式热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。（3）按管壳与工作液体的组合方式划分铜-水热管、钢-水热管、钢铜复合-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等等。（4）按结构形式区分普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等等。（5）按热管的功用划分传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。4444热管应用过程中存在的几个关键问题在热管技术蓬勃发展的今天，在工业应用中仍然存在一些问题，这些问题得不到很好的解决，将极大的限制热管技术的使用和深入发展。因此，有必要对这些问题去研究、去探索，以求找到合理的解决办法。4.1热管的积灰问题及对策在热管余热回收设备中，热管积灰是普遍存在的问题，积灰增加了受热面热阻，降低设备的传热能力。积灰还可以减少流体的通道面积，增加流动阻力，降低换热表面温度，造成低温露点腐蚀。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行，甚至被迫停用，因此积灰已成为了节能设备是否能够正常运行的一个主要问题，应给予高度重视。4.1.14.1.14.1.14.1.1积灰形成机理积灰按温度分可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰，热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般都为疏松式积灰，主要是发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂，一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成的。资料表明：一方面，当灰粒的当量直径小于3μm时，灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量，烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时，就吸附在金属表面或积灰表面上；另一方面，烟气流动时，因为烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应，虽然受热面的材质是良导体，但当受热面积灰后，其表面就变成了绝缘体，很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒（当量直径小于10μm）吸附在其表面上，形成疏松式积灰。疏松式积灰在以下两方面条件下均可形成低温粘结性积灰。其一，燃料燃烧不充分而形成高粘度聚合物，此种聚合物极容易吸附于管壁上，不容易脱落而形成粘结性积灰。其二，当灰垢吸收烟气中的SO3和水蒸汽后转化成硫酸盐，并与腐蚀产物混合形成难溶解、难清除的粘结性灰垢，灰垢的基本成分是:镁、钙、铁的氧化物及其硫酸盐等。4.1.2防止和减少积灰的对策防止和减少积灰的方法归纳起来有下述几种：（1）不停车常用方法A、根据流体含尘的状况，合理选择换热设备及其传热元件的结构和形式，以达到不积灰或少积灰的目的。B、改变换热设备内流体的流速，以减少或清除积灰。C、采用化学清灰剂清灰。D、吹扫和用机械方法清除管子表面积灰。以上几种方法中最有效的是A和B两种，C和D两种方法是在积灰生成以后再去清除，有滞后性。（2）停车清灰垢方法A、化学清洗。一般运行一周期在不停车除灰防垢方法无效的情况下，应进行外表面的化学清洗，一般由专业清洗公司进行。B、干冰清洗。干冰即固体二氧化碳，喷射清除表面灰垢，此方法费用较高，且存在死角。4.1.2.14.1.2.14.1.2.14.1.2.1合理选择热管管外翅片结构气相换热的热管换热器，管外都采用加肋强化传热，翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片，这些翅片的结果紧凑，肋化比高，效果明显，但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到12～20mm，在某些情况下也会出现严重积灰，因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构：（1）轴对称单列纵向直肋翅片轴对称单列纵向直肋翅片结构简单，制作方便，相对肋化比低，不易积灰。如果将翅片做成不等高，即降低背后翅片高度，可进一步减少积灰。目前此种结构的热管换热器投入工业应用的已见报道，效果不错。（2）钉头管钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位，如燃油加热炉的对流室中，为了减少热管换热器的积灰堵塞，已有将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中，投入以下多年，一直无积灰堵塞现象。以上两种结构的共同点就是简单、易制做，但肋化比较低。4.1.2.24.1.2.24.1.2.24.1.2.2合理选择换热设备内流体速度及结构形式换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数，它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法，这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降，近出口处的密度、动力粘度、导热系数有明显变化，从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力的下降将带来的负面影响，造成换热设备后排的积灰。解决该问题可采用变截面设计法，以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备，质量流量是一个常数，如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化，随着烟气温度的降低，密度将增大，要维持流速一定，换热设备的流通面积将减小，所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。变截面换热设备能保证其进出口具有相同的自清灰能力，一般认为换热设备内实际流体流速达到8m/s便可起到自清灰的作用，设计时可取8～12m/s，对于可能引起严重磨损的部位流体流速可取6～8m/s，以免引起管子快速磨损而损坏穿孔。4.24.24.24.2热管的露点腐蚀及对策当热管换热器在低温烟气中使用，换热器热管常常会遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下，在烟气出口侧（在没有前置预热器的情况下）最后几排热管也存在低温露点腐蚀。根据传热学我们可知道，烟气侧壁温主要与冷、热流体的温度、传热系数及换热面积有关，它与热流体的温度、换热系数、面积及冷流体的温度从正比，而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷、热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下，在冷流温度较低时，烟气侧壁温就有可能在露点温度以下，而发生露点腐蚀。解决露点腐蚀问题我们可以从以下及方面做工作：（1）合理的控制排烟温度根据烟气的露点温度合理确定排烟温度，一般而言，排烟温度应高于露点温度20～30℃。另外，在冬、夏季节环境温度相差较大的情况下，应控制不同的排烟温度在冬季排烟温度应适当提高。（2）增设前置预热器，提高空气入预热器的温度，可有效的防止露点腐蚀。（3）对空气风道进行傍路设计，当烟气温度较低或环境温度较低时，可将部分换热后空气混合到冷空气中，以提高空气的入口温度。（4）进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数，提高热管换热器的最低壁温，防止低温腐蚀。结构参数中，冷热端长度的变化对壁温的变化最敏感，但热端的长度不能增加太多，这样出口烟气的温度升高，单支热管传热能力下降，空气侧流动阻力增大，目前应用得最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中，一般建议冷热侧同时改变某一参数，这样壁温变化较快，且单排热管的传热量基本不变，不用增加管排即可保证原有的传热性能。在壁温与露点温度相差不大时，优先选择翅片