熱管技術(shù)是一種密閉腔內(nèi)的相變傳熱技術(shù)^[1]。我國(guó)熱管的工業(yè)應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)始于1976年，經(jīng)過(guò)三年的開(kāi)發(fā)研究，首先解決了工業(yè)制造技術(shù)。即：碳鋼－水相容性技術(shù)；高真空下的管子充液技術(shù)；管子封口技術(shù)；冷熱氣流分隔等技術(shù)。1980年，我國(guó)第一臺(tái)熱管換熱器在南京投入工業(yè)試運(yùn)行，同年12月通過(guò)江蘇省科委鑒定；1982年7月，我國(guó)第一臺(tái)碳鋼－水熱管余熱鍋爐在如東化肥廠(chǎng)運(yùn)行成功并通過(guò)鑒定；同年，我國(guó)第一臺(tái)用于高爐熱風(fēng)爐余熱回收的碳鋼－水空氣預(yù)熱器在馬鞍山第一煉鐵廠(chǎng)運(yùn)行成功，至此奠定了熱管技術(shù)在我國(guó)工業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)^[2]。

時(shí)至今日，熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用及研究發(fā)展迅速，可謂遍地開(kāi)花，航天、核電、新能源的開(kāi)發(fā)、民用節(jié)能、電子器件冷卻、化工、動(dòng)力、冶金、陶瓷等行業(yè)都能找到其蹤影，可參見(jiàn)近幾屆的全國(guó)熱管會(huì)議論文集及文獻(xiàn)[3]。

熱管技術(shù)的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：一是以熱管為單元構(gòu)成的換熱器，二是按熱管工作原理運(yùn)行的整體設(shè)備。在化工行業(yè)中的應(yīng)用的最為成功，也最具代表性當(dāng)屬碳鋼（不銹鋼）－水重力式熱管換熱器，有整體式和分離式兩種主要結(jié)構(gòu)型式，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)計(jì)算可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。本文將重點(diǎn)介紹熱管技術(shù)及設(shè)備在余熱回收方面應(yīng)用。

1在煙氣回收中的應(yīng)用

在化工工業(yè)中，很多余熱是蘊(yùn)含在煙氣中排放的，以合成氨和制酸行業(yè)產(chǎn)生的廢煙氣為最?；厥掌涞蜏赜酂峥捎脕?lái)：預(yù)熱助燃空氣、預(yù)熱鍋爐給水、或生產(chǎn)低壓蒸汽作為生產(chǎn)原料；回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作原料蒸汽補(bǔ)充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動(dòng)力源。圖1為熱管式換熱器在廢氣余熱回收中的典型流程。

圖1 煙氣余熱回收流程

在制酸行業(yè)中，由于爐氣中含有較高濃度的SO₂、SO₃，或HCl，或NO₂氣體，一旦與水或水蒸氣接觸便具有強(qiáng)烈的腐蝕性。這便對(duì)設(shè)備提出了特殊的要求, 其必須具有高度的可靠性、安全性和防止低溫露點(diǎn)腐蝕的能力。熱管式換熱器因具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，不會(huì)發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象，抗露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸替代傳統(tǒng)的列管式和回轉(zhuǎn)式換熱器。這也是熱管式換熱器在該領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛的一個(gè)主要原因。

1.1空氣預(yù)熱器

一段轉(zhuǎn)化爐是30萬(wàn)噸/年大型合成氨廠(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。其排出煙氣溫度大多在300℃左右。煙氣量達(dá)140000 ~ 240000 Nm³/h。如果將其降溫到140℃排空，則回收的熱量可達(dá)8400 ~ 15000 kW?；厥者@部分熱量最合理的用途是加熱助燃空氣。資料表明^[4]：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器改為熱管式空氣預(yù)熱器后有如下優(yōu)點(diǎn)：免去了回轉(zhuǎn)式電機(jī)的動(dòng)力消耗；熱回收效率提高了18.3%；減少了維修工作量。

圖2為某廠(chǎng)的熱管空氣預(yù)熱器，a為換熱器內(nèi)部簡(jiǎn)圖，b為實(shí)物照片，采用的是分離式結(jié)構(gòu)型式，連接管線(xiàn)達(dá)50m，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳熱。此外該型式換熱器還可實(shí)現(xiàn)煙氣同時(shí)與多種氣體進(jìn)行熱交換，除了加熱空氣外，還可加熱其他工藝氣體，從而實(shí)現(xiàn)廢熱利用的最大化。

2分離式熱管空氣預(yù)熱器

1.2水預(yù)熱熱器圖

熱管水預(yù)熱器，或稱(chēng)熱管省煤器，多用于回收低溫?zé)煔庥酂醽?lái)預(yù)熱除氧器給水，或鍋爐給水。水側(cè)通常采用套管聯(lián)箱結(jié)構(gòu)型式，可以承受較高的工作壓力，如圖3a所示。圖3b是為某硫酸廠(chǎng)設(shè)計(jì)的熱管省煤器，配備于年產(chǎn)15萬(wàn)噸硫酸裝置，用于鍋爐給水預(yù)熱。煙氣流量為37000 Nm³/h，進(jìn)出口溫度340/160^oC,加熱水量為25噸/小時(shí)，回收熱量2600kW。該換熱器傾斜安裝，煙氣自上而下沖刷熱管，從而避免積灰現(xiàn)象，同時(shí)也不影響熱管工作。還一種常用熱管省煤器為水平夾套式結(jié)構(gòu)，如圖3c所示，采用的是徑向偏心熱管，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用可參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

圖3 熱管省煤器

1.3蒸汽發(fā)生器

熱管蒸汽發(fā)生器，又稱(chēng)熱管余熱鍋爐，兼有水管鍋爐和火管鍋爐的優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)迅速。其結(jié)構(gòu)可以是熱管冷端直接插入汽包，也可以是前面介紹的夾套聯(lián)箱與汽包連通的結(jié)構(gòu)型式，如圖4a所示。年產(chǎn)10萬(wàn)噸硫酸的某硫酸廠(chǎng)，采用了一臺(tái)熱管式蒸汽發(fā)生器用以回收SO₂爐氣余熱，產(chǎn)生2.5MPa，9.50 噸/小時(shí)飽和蒸汽，回收熱量6497.5kW，如圖4b所示。爐氣經(jīng)過(guò)熱管蒸汽發(fā)生器后降為355℃進(jìn)入電除塵室。圖4a中隔板的下部為熱管的吸熱段，焊有螺旋翅片。上部為熱管的放熱段，采用水夾套結(jié)構(gòu)，經(jīng)集箱集汽后經(jīng)上升管與汽包連接。冷熱側(cè)由隔板完全分開(kāi), 即使出現(xiàn)有個(gè)別熱管磨損破壞，也只會(huì)是熱管內(nèi)部少量工作流體流入煙道，不會(huì)影響正常生產(chǎn)，避免了大量爐水向煙道泄漏而導(dǎo)致停產(chǎn)。各熱管通過(guò)控制加熱段傳熱面積使管壁溫度>230℃，可有效地防止露點(diǎn)腐蝕。如每噸蒸汽按60元計(jì)，年運(yùn)行7200小時(shí)效益可達(dá)430余萬(wàn)元，設(shè)備投資可在一年內(nèi)收回。

圖4熱管式蒸汽發(fā)生器

影響前面提及的熱管換熱器性能和壽命的因素有：低溫酸露點(diǎn)腐蝕、積灰、磨損，以及熱管內(nèi)部產(chǎn)生不凝性氣體，低溫酸露點(diǎn)腐蝕和產(chǎn)生不凝性氣體往往是造成熱管換熱器失效的主要原因。因此，在熱管換熱器制造和使用中應(yīng)注意如下問(wèn)題：

1) 在高溫條件下，碳鋼－水熱管內(nèi)部Fe與H₂O反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不凝性氫氣，直接導(dǎo)致熱管性能降低。在無(wú)防范條件下，通常熱管換熱器工作一兩年后，其性能要下降30％－50%。為此可采取：熱管內(nèi)表面化學(xué)處理形成鈍化膜；水中加入緩蝕劑；熱管頂部加裝排氣裝置，定期排氣；熱管內(nèi)頂部懸掛H₂吸收劑等改善措施；

2) 減少煙氣中酸性氣體的含量，降低酸露點(diǎn)溫度；

3) 提高排煙溫度，避開(kāi)酸露點(diǎn)溫度，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，排煙溫度以高于140^oC為宜；

4) 對(duì)煙氣除塵；安排合理的煙氣流速，流速太低容易積灰，太高又會(huì)對(duì)熱管產(chǎn)生磨損，以10m/s 為宜；

5) 煙氣盡量自上而下流動(dòng)，對(duì)于水平流向，應(yīng)對(duì)裝置定期除灰，以減少積灰現(xiàn)象；

6) 對(duì)熱管換熱器進(jìn)行定期評(píng)估，方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2廢液/汽余熱回收

由于廢液及廢汽量小、不集中以及熱值低等因素，目前在化工企業(yè)中通常不回收此類(lèi)低品位能源。此外，傳統(tǒng)的管殼式換熱器，由于傳熱溫差較小，效率低下，而無(wú)用武之地。

密閉腔式換熱器是熱管技術(shù)衍生的一種新型管殼式換熱器，如圖5所示，其他結(jié)構(gòu)型式參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。密閉腔由兩端孔板與筒體殼體組成，內(nèi)沒(méi)有多余的部件，故而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；同時(shí)冷熱流體均走管內(nèi)，可以承受高壓而不至于增加殼體厚度，達(dá)到節(jié)約成本的目的；真空密閉腔內(nèi)為相變傳熱，因而冷、熱流體管束外側(cè)具有較高的傳熱系數(shù)，通過(guò)合理對(duì)管箱分程設(shè)置冷、熱流體的流速，或者采取管子內(nèi)側(cè)強(qiáng)化傳熱措施，即可實(shí)現(xiàn)整體換熱器的高效傳熱；即使熱流體溫度在三、四十度，也會(huì)使密閉腔內(nèi)的介質(zhì)汽化進(jìn)行工作。工作時(shí)，密閉腔內(nèi)工作介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，并維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力和溫度，當(dāng)調(diào)整冷熱流體任一方的參數(shù)，腔內(nèi)的工作介質(zhì)的溫度和壓力回迅速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而方便控制另一側(cè)的出口溫度。總的說(shuō)來(lái)，該換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、熱相應(yīng)快、熱控方便、易于清洗、傳熱效率高，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

圖5密閉腔式換熱器

該換熱器結(jié)構(gòu)可大可小，對(duì)于小流量廢液或廢汽，可將其作為小型管道設(shè)備來(lái)使用，直接加熱附近的其他低溫流體介質(zhì)，或者加熱水作為伴熱用于管道或設(shè)備的保溫，以及其他用途。對(duì)于用于廢汽回收，熱流體管道可以加粗，內(nèi)部放置導(dǎo)流片，來(lái)增加蒸汽的湍流效果。

該型式換熱器還未在工程實(shí)踐中應(yīng)用，處于試驗(yàn)和規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算階段。除了用于廢液/汽余熱回收外，還可用于：化工單元操作中的的液－液換熱設(shè)備；管式反應(yīng)器，可以精確地控制反應(yīng)管內(nèi)的工作溫度；電加熱器，以電為熱源加熱液體介質(zhì)。

3結(jié)論

通過(guò)具體的實(shí)例介紹了多種熱管換熱器在化工廢氣余熱回收中的經(jīng)典應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了密閉腔式換熱器及其回收廢液和廢汽中低品位熱量的可行性。

在整個(gè)社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)能降耗減排的今天，為熱管技術(shù)及設(shè)備的推廣應(yīng)用鋪平了道路。在化工領(lǐng)域中，除了應(yīng)用于余熱回收，熱管技術(shù)還將滲透到化工單元操作中換熱、攪拌、反應(yīng)、分離等多個(gè)環(huán)節(jié)，從根本上提高能源利用率，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Cotter T P. Theory of heat pipes[R]. Los Alamos Scientific Lab. Report No. LA-3246-MS. 1965

[2] 莊駿, 張紅. 熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000. 2-4

[3] 馬永錫, 張紅. 電子器件發(fā)熱與冷卻技術(shù)[J]. 化工進(jìn)展, 2006, 25(6): 670-674.

[4] 李綱, 陳式榮. 熱管式空氣預(yù)熱器在我廠(chǎng)的應(yīng)用[D]. 西南大化肥第5屆年會(huì),1994.10

[5] 牟楷, 王虹. 硫磺制酸中的中、低溫余熱的利用-徑向熱管省煤器的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J]. 磷肥與復(fù)肥, 2003, 18(6):39-42.

[6] 馬永錫, 儲(chǔ)小燕, 張紅. 在役熱管有效性模糊評(píng)估技術(shù)的研究[J]. 石油化工設(shè)備, 2005, 34(4): 6-9.

[7] 馬永錫, 密閉腔式換熱器[P], 中國(guó), CN200710039328.4, 2008.8.