热管技术在工业中的研究开发与应用

《化工装备技术》第22卷第6期2001年11

热管技术在工业中的研究开发与应用

张　红3　庄　骏

(南京工业大学机械工程学院国家热管技术研究推广中心)

　　　摘　要　分析了热管技术在工业中应用的优越性, 着重介绍了本单位热管技术在工

业中研究开发的应用实例, 主要为以碳钢—水热管技术为代表的热管空气预热器、热管废热锅炉等热管式余热回收节能环保装置; 以液态金属热管技术为代表的高温热管热风炉、高温热管取热器等热管式工业过程设备以及工业过程中的关键设备——“无限逼近”最适宜反应温度的热管化学反应器。

　　　关键词　热管技术　碳钢2热管化学反应器

, 这些特征已为近年来的工业应用所证实。　　(1) 热管的高热传导性能。热管是一种具有高导热性能的传热元件, 它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与冷凝传递热量, 其导热性能是优良导热材料(铜、银等) 的几倍、甚至上万倍, 具有“超导热体”之称。

　　(2) 热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠、长周期运行的重要保证。现代化大生产追求效率, 由于设备事故造成生产停车将会造成很大的损失。传统的间壁换热设备只要有一处换热元件损坏, 就必须停车检修, 热管设备则不然, 它是二次间壁换热, 即使由热管群组成的换热设备的单根热管破坏, 两种换热流体也不可能互混, 因而并不影响整体换热的效果, 亦无需停车检修, 这就使高效率的现代连续化大生产获得了可靠的保证。

　　(3) 热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。业已证明, 大型电站锅炉及各种工业锅

1　前言

, , , 经过二十多年的努力, 先后相继开发成功了气-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、高温热管热风炉等热管式设备, 在冶金、石油、化工、动力、陶瓷、水泥等工业领域应用中取得了可喜的成果。本文将简介本单位热管技术在工业中研究开发的应用实例, 主要为以碳钢—水热管技术为代表的热管空气预热器、热管蒸汽发生器等热管式余热回收节能环保装置; 以液态金属热管技术为代表的高温热管热风炉、高温热管取热器等热管式工业过程设备以及工业过程中的关键设备——“无限逼近”最适宜反应温度的热管化学反应器的开发与研究。

2　热管技术在工业中应用的几个重要特点

[1]

3张　红, 女, 1963年9月生, 博士, 教授, 博士生导师。南京市, 210009。

12热管技术在工业中的研究开发与应用

设备投资约2万元(1982年价格) , 因之当年即可收回全部投资。该设备主要参数见表1。

炉, 多含尘工业余热锅炉以及其他含尘换热设备的堵塞及露点腐蚀引起的设备效率下降甚至被迫停车的事故, 在改用热管换热器后可以防止和避免。这种技术已在小化肥煤造气炉的余热回收、大型电站锅炉的空气预热器、高温燃煤热风炉的应用中得到了充分证实。

　　(4) 热管的均温热屏蔽及分离式热管技术的完善, 将可能解决化学反应器中温度分布不均匀、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不均匀而出现的过热分

解以及核反应堆安全壳体的散热等问题。

　　(5) 液态金属热管的出现及材料价格的下降, 有可能实现在超高温反应设备中实现连续取热。如实现煤造气炉的连续制气、核电工程的新型热管蒸汽发生器、紧凑高效液态金属热管换热器技术的完善将取代玻璃、中的陶瓷换热器。

3]

图1　热管空气预热器示意图

　表1　高炉热风炉热管空气预热器主要参数

规格

管子 mm 材料尺寸 介质

32×1500, 迎面10排, 115根, 15×厚1125宽空气

3-1115005167～5173 36020℃240200压力损失 412～421333～402Pa 效率 %5030换热量 372(320000kcal k W h ) 燃料高炉瓦斯

, 目前以碳钢—、热管蒸

汽发生器等热管式余热回收节能环保装置最为成熟, 广泛应用于各个领域。　　311　热管空气预热器

　　热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。典型的热管空气预热器结构如图1所示, 其最大特点是:结构简单, 换热效率高。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的, 而热管元件相互又是独立的, 因此即使有某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离密封与换热有多少影响。此外, 热管换热器可以方便地调整冷热侧换热面积比, 从而可有效地避免酸露点腐蚀。我国第一台高炉热风炉热管空气预热器于1982年在马鞍山第一炼铁厂正式投用。使用后效果显著, 燃料煤气耗量减少了4%, 另由于使用热管空气预热器后入炉热风温度升高, 结果使每吨铁的焦炭耗量减少了10kg (当时约折合4175万元 年) , 该

　　312　气—液热管换热器、热管蒸汽发生器

(热管余热锅炉)

　　图2为气-液热管换热器示意图, 它的一个重要特点是可以有效地控制烟气对设备的露点腐蚀。其原理是调整冷、热侧的传热面积比来控制换热器出口处几排热管的管壁温度, 以防止由于管壁温度过低而产生的露点腐蚀。

图2　热管省煤器示意图

《化工装备技术》第22卷第6期2001年

　　图3为热管蒸汽发生器(热管余热锅炉) 的两种结构型式。冷侧一般均为承压的汽包(或与汽包系统相连通) 。目前热管蒸汽发生器产生的蒸汽压力可达215M Pa 。进入蒸汽发生器的烟气温度最高可达800℃。热管蒸汽发生器的最大特点是结构紧凑, 体积小, 质量轻, 安全可靠。与一般的烟管式余热锅炉相比, 其质量仅为烟管式余热锅炉的1 3～1 5, 外型尺寸只为烟管式余热锅炉的1 2～1 3。烟气通过余热锅炉的压力损失一般为20～60Pa , 故引风机的电耗也很小。热管元件的破损, 不影响蒸汽系统的循环, 无须为此停车检修, 大大增强了系统的安全可靠性

。

图4　硫铁矿制酸所用的热管蒸汽发生器

13

这里简单介炉, 对粉料喷雾干, 在许多场合需要600℃甚至更高温度的热风气源, 常规的换热设备很难将空气加热到这一温度范围, 如直接采用燃料烟气往往会带入污染物, 产品质量达不到要求。图5为新的热管式高温热风发生器(1997年2月投入运行) , 换热量为

图3　热管蒸汽发生器示意图

1163k W , 表2为其参数表。这种装置以煤为热

　　高温高含尘气体蒸汽发生器(余热锅炉) 的可靠性一直是化学工业和其它工业界所重视的问题, 典型的这类设备莫过于硫酸工业中沸腾炉后的高温SO 2气体的余热锅炉。一台用于1215万吨 年硫酸生产的SO 2热管蒸汽发生器已于1996年11月在我国某厂运转成功, 其结构示意如图4所示。这台设备的运转成功证明其原理及设计思想正确。随着操作经验的积累及制造技术的完善, 结构设计将不断改进, 其体积及金属耗量均将比现在大大减少。4　热管式工业过程设备[2]

源燃料获得几乎无任何污染的热空气, 干燥后的产品含水量可达2%以下, 产品质量全部达到或超过国际标准。

热风出口温度的提高决定

　　随着热管技术的不断深入, 热管式工业过程设备也得以开发应用, 使得热管设备不仅仅局限于余热回收范畴,

而且成为一些工业过程

图5　热管式高温热风发生器

14热管技术在工业中的研究开发与应用

热管热风发生器参数

烟气850～950150～1704300～4900

1163

　表2　

空气

20470～5306000～6500

进口温度 ℃

出口温度 ℃风量 Nm 3 h -换热量 k W

1

热管式无限逼近最适宜反应温度氨合成塔是一

值得进一步开发研究推广的新型氨合成塔, 具有广阔的前景。6　结束语

于高温区的材料。使用少量的N i C r 抗高温合金钢作为热管材料, 可以获得800℃以上温度的高温热风。

5　工业过程中的关键设备——“无限逼近”最

　　我国的热管技术在工业应用开发研究上,

目前处于世界领先地位, 主要体现在热管设备的数量、质量、应用的领域范围和取得的经济效果几个方面。回顾过去, 展望未来, 我国热管技术的发展将有两大主题:一是推广应用, 将现有较为成熟的热管产品标准化、系列化, 规范其设计、制造、检测质量, , 用, , , , 提高系。

参　考　文　献

　1　庄骏, 张红. 2010年热管技术展望. 化工机械, 1998, 25

(1) :44～49

　　适宜反应温度的热管化学反应器[3]

　　全面利用新技术改造传统的工艺及设备是

当今科技兴国、发展知识经济的必然。在江苏省科委的支持下, 结合氨合成塔的工艺及结构特点和当今热管技术的现状, 目前正致力于研究开发工业过程中的关键设备——管式氨合成塔, 。, 基于, 。通过对回路热管蒸发段螺旋管内两相流的理论及试验研究和热管式氨合成塔最适宜反应温度的控制及工艺模拟计算, 结果表明:氨净值均大于19%, 比现有的氨合成塔的数据(13%左右) 提高了6个百分点, 证实了

　2　庄骏, 张红. 热管技术及其工程应用. 北京:化学工业

出版社, 2000.

　3　张红. 热管式氨合成塔的研究:[博士论文]. 南京:南京

化工大学, 1999.

(收稿日期:2001210231)

开封市信华机械有限公司

总经理:马玉民　　　电话:0378-2859646地址:河南开封市新曹路中段　邮编:475002成都办事处:028-5438613

供

300-800型回流式特殊物料系列粉碎机(粉碎各种含纤维质物料、特殊物料, 制粉50～325目)

粉●

●400-800型系列制砂机(粉碎各种非金属矿物料、化工原料, 制砂5～50目) 碎●微型粉碎机(用于实验室、商场柜台、家庭制药, 制粉50～325目) 设●系列雷蒙机(粉碎各种非金属矿物料、化工原料, 制粉50～400目) 　另供:备●废旧橡胶粉碎机组(粉碎各种废旧橡胶制品, 制粉20～80目) 纸餐盒成型设备

●小型制钉机组, 饲料粉碎机组

●QLM -3-20型气流粉碎分级机(粉碎各种非金属矿物料、化工原料, 制粉325～3000目)

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