热管在工业中的应用

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热管在工业中的应用
——使用热管进行余热回收
上、下行热管蒸汽发生器
上置式热管余热锅炉
性能特点
应用范围广——适用于气-气（汽），气液或液-液等等多介质间热交换；
换热效率高——热管换热器当量传热系数K比列管式换热器要提高5～10倍，换热效率高；流动阻力小——两种介质均在管外流动，流程短且介质流动方向与散热片方向一致，降低了流动阻力；
结构简单紧凑——由加肋片的热管制成的换热器结构紧凑，设备体积小，质量轻，节省钢材和安装空间；
不易产生露点腐蚀——可通过调节冷热介质间的换热面积比来调节热管表面温度，避免发生露点腐蚀和低温腐蚀；
不易结垢、阻塞——设计时可将介质流速调整到自清灰以上，并调整热管的安装位置即可达到自清灰的目的，且结灰后便于清理；
良好的可拆卸性——热管间彼此独立工作，并可与设备使用法兰连接，适于分别拆卸和单独更换；
使用寿命高——热管使用寿命在10年以上，单根热管破坏，不影响整体运行，保证设备长期稳定运行；
维护费用低——无需传动部件，设备正常操作期间不需维护。

适用范围
化工及石油化工
合成氨工业——上、下行煤气余热回收流程；吹风气燃烧气余热回收流程；一段转化炉空气预热器；变换工段气-气换热器；二段转化炉高温高压蒸汽发生器；绝热化学反应器级间热管换热器及其它换热、余热回收设备。

硫酸工业——沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收；沸腾焙烧炉矿渣余热回收；SO2炉气余热回收；SO3气体冷却器；热管SO2转化器；热管开工预热器及其它换热、余热回收设备。

盐酸、硝酸工业——盐酸炉余热回收；氨氧化炉热管蒸汽发生器及其它换热、余热回收设备。

石油化工——热管裂解炉；热管乙苯脱氢反应器；环己醇脱氢化学反应器；热管氧化反应器；催化裂化再生取热器；热管化学反应釜；苯酐热熔冷凝箱；加热炉余热回收及其它换热、余热回收设备。

建材及轻纺工业
高岭土喷雾干燥热风炉；十二醇硫酸钠喷雾干燥热风炉；玻璃窑炉的余热回收；水泥工业中窑尾冷却机的余热利用及窑尾废气的余热利用；纺织工业中热定型机、沙浆机烘干机等余
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热回收设备。

冶金工业
加热炉和均温炉、烧结工序、高炉热风炉等设备的余热回收。

动力工程
油、汽混烧电站锅炉、劣质煤料锅炉空气预热器；工业锅炉；柴油机排气余热回收等。

余热回收的几种流程
用热管换热器从工业炉的排气中回收余热以加热空气，余热后的空气返回工业炉为
助燃空气使用。

流程如图1所示：
用热管散热器从排气中回收余热以加热空气，使之成为热风可作为供房的热源。

流程如图2所示：
图2：热管热风炉
将热管换热器回收的余热用来加热水，使之成为锅炉给水，或使水产生蒸汽供其他方面使用。

其流程如图3、图4所示：
图3：热管余热锅炉
烟囱
烟囱 烟囱
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图4：热管省煤器
将热管换热器从排气中回收来的余热再次加热排气自身，使得经洗涤过的气体温度升高，以免腐蚀排烟设备。

流程如图5所示：
图5：热管换热器余热回收流程
图6：热管在工业中的应用现场照片
热管在工业锅炉中的运用
工业锅炉容量较小，参数低，故此运行效率较低，一般为65%左右，其节能潜力较大。

炉子
烟囱
加热器
加热器
洗涤塔
热管换热器
热管省煤器
给水给水
燃料
烟囱
锅炉
除了改善燃烧、降低灰渣含碳量以外，降低排烟温度减少热量损失是提高工业锅炉效率的重要措施。

工业锅炉的省煤器和空气预热器的效率不高，因之热管技术在工业锅炉尾部的应用显得非常重要。

我们在国内数百家单位使用热管余热回收起到很好的效果。

表1列出了工业锅炉改装热管空气预热器前后的参数对比，可以看出改装后锅炉的效率提高了10%，表2列出了工业锅炉尾部热管空气预热器的参数。

表2. 热管换热器主要参数
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应用实例：某化工厂一台6.5T/h的蒸汽锅炉，由于省煤器及空气预热器效率不高，锅炉出口排烟温度在220℃左右。

回收这部分低温余热可以获得较大的经济效益。

其流程如下：
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余热回收流程图
在锅炉出口的烟道中装设热管蒸汽发生器，出锅炉温度为220℃左右的烟气经过热管的蒸发段，降至140℃以下，经引风机送入烟筒。

给水温度为90℃左右，产生0.25Mpa （绝压）饱和蒸汽送给工艺工段使用。

运行6个月后，检查热管基本无积尘、无腐蚀现象，由于锅炉操作负荷的变动，该蒸汽发生器进口温度一直在180～220℃之间波动，但出口温度始终在140℃以下。

运行3个月、6个月的测试结果如表3：
由此可见：在长期运行过程中，烟气的出口温度始终保持140℃左右，该装置的平均热负荷（以产生蒸汽量计）为7.15ⅹ105KJ/hr，相当于节约标准煤35Kg/h（标准煤按104KJ/Kg，锅炉效率按70%计），年节省标准煤277.2吨，每吨150元计，年收益为4.158万元。

热管蒸气发生器应用实例
表3. 应用热管的余热锅炉热负荷测试结果
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热管在水泥、陶瓷、冶金工业中的运用
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工业窑炉（冶炼炉）是耗能大户，且窑炉的种类十分繁多，炉子的热效率国内平均水平为国外先进水平的一半，总计年耗标准煤一亿多吨，有很大的节能潜力，其排烟温度较高，往往超过300℃，有的达到500~600℃甚至更高，作为余热回收方案而言，较多采用空气预热器（当然也可采用余热锅炉），对于烟气温度在400℃以下的中低温余热，主要采用空气预热器，热管换热器在此能够大显身手。

我国机械工业部标准《机械工业节能设计技术规定》中提到：工业炉窑排烟温度为400℃以下时，宜采用热管换热器。

工业炉窑中有相当大一部分没有装引风机，要求余热设备阻力小，同时因地位狭小，而要求设备紧凑，特别适合应用热管空气预热器。

主要应用以下几种布置方式：
⑴、窑炉＋热管空气预热器
⑵、窑炉＋热管热水器＋热管空气预热器（适用于排烟温度很高时）
⑶、窑炉＋喷流或渗铝管空气预热器＋热管空气预热器（适用于较高的预热空气温度时）
⑷、窑炉＋各种型式空气预热器＋热管热水器或热管开水器与热水器复合装置
⑸、窑炉＋热管余热锅炉
⑹、窑炉＋其它换热器＋热管余热锅炉
⑺、窑炉＋热管余热锅炉＋其它换热器
一、空气预热器或余热锅炉
热管换热器型式的确定，应当从以下几个方面考虑：
1、根据企业的需要，如果工业窑炉需要助燃，应尽可能选用空气预热器。

工艺需要蒸汽时，用余热锅炉。

2、根据余热回收的可能性，余热锅炉只有在排烟温度大于300℃的工业炉中才有可能。

3、可靠性，如果采用碳钢一水热管，其管内工质最高工作温度为300℃，以保证安全；热管外侧最低壁面大于酸露点，以避免腐蚀。

这些限制对换热器式的选择也会有直接的影响。

4、经济性，型式的选择在有多种方案可能时，需进行经济性比较，根据具体情况选用上述几种方式。

二、气-气及气-水组合型热管换热器
由于工业窑炉的排烟温度往往较高，有时超过400℃，可达到500~600℃，甚至更高。

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作为气—气型热管换热器，最高允许的烟气入口温度在一般情况下仅为350~400℃，此时采用气—水及气—气组合型热管换热器是一种很好的方案，即为烟气温度高于350~400℃的区域应用气—水式换热器，而在烟气温度较低的区域应用气—气型热管换热器。

以上的划分温度是以应用碳钢一水热管为依据的，
其工质的最高允许温度为300℃，具体属于上述形式⑵。

三、热管换热器的匹配
工业窑炉有时需要300~400℃或更高温度的热空气助燃。

当热空气温度超过250℃时，只用热管空气预热器会使碳钢一水热管的最高工作温度超过300℃，因此空气从进口温度加热到250℃时采用热管空气预热器，而从250℃上升到更高值时采用常规空气热器，这是一种合理的布置方式，如上述形式⑶。

常规空气预热器可以选用渗铝钢管式或喷流式，因为它们可以与热管空气预热器很好地匹配在一起。

四、热管余热锅炉的不同类型
热管余热锅炉可以分为二大类型：单管型及联箱型，前者适用于小容量的余热锅炉，热管放段直接插入汽包内，我们研制的最大容量为2t／h（蒸发量）；后者适用于大容量的余热锅炉，热管放热段插入垂直的大直径管中，这些大直径管由联箱再引出管子通至汽包，我们研制的容量为1—10t／h（蒸发量）。

这二种形式蒸汽侧的结构是不同的。

由于受至碳钢－水热管工质最高工作温度为300℃的限制，余热锅炉蒸汽工作压力不会超过1MPa，烟气入口温度一般也不能太高，如450~500℃为最高值。

当烟气进口温度很高时，可采用上述形式⑹。

五、工业窑炉中的气—水型热管换热器
在工业窑炉中，由于生活的需要或生产工艺的需要，有时需要应用上述形式⑷，不少情况下，为热管热水器与开水器复合装置，它有相当广泛的应用前景，特别是在乡镇企业。

热管在化工及石油化工中的应用
一、热管技术在合成氨工业生产中有以下几种应用类型：
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1、回收低温余热预热助燃空气，或生产低压蒸汽作为生产原料；
2、回收高温余热产生中压蒸气作原料蒸汽的补充，或生产高压蒸汽作为生产的动力源；
3、控制固定床催化反应器的化学反应温度，使其向最佳反应温度曲线无限逼近，从而提高
CO变换反应器的CO变换率及合成氨塔内氨的合成率。

以上三种应用类型，在不同的生产规模及不同的原料工艺路线中应用的方式及设计思路均不同，必须针对不同的实际条件采用不同的结构设计才能才能收到良好的效果。

以上、下行煤气余热回收为例：
上、下行煤气余热回收的热管蒸汽发生器，如图1、2所示，体积紧凑、占地面积，气体流动方向为从上到下，减少灰尘附着于管壁的可能性；热管的蒸发段全部采用轴向直翅片，一方面可以扩展传热表面，另一方面可消除热管背部的涡流区，不使灰尘在此停聚，减少流动阻力损耗。

适用于小合成氨生产。

热回收流程
表1.是某工段采用热管蒸汽发生器与原列管式余热锅炉的参数对比表。

从中可以看出热管蒸汽发生器的优越性。

中合成氨因工艺的不同，煤造气炉的下行煤气（200℃左右）不经过废热锅炉而直接去洗气塔，造成低温余热的浪费，而且列管式废热锅炉容易损坏，设备利用率不高。

根据这些情况，采用热管技术可有两种途径。

表1. 两种蒸汽发生器参数对比
1、原有废热锅炉后加一台热管低温余热回收装置，将废热锅炉出口270℃的气体降至
140℃，同时将下行煤气也经过热管装置。

热管装置可以是气-气式的，即用回收的低温余热加热进入煤气炉的空气或过热低压水蒸汽；也可以是热管省煤器的形式，加热废热锅炉的给水。

其流程如图3。

图3：低温余热回收流程
2、为充分考虑设备利用率及余热回收率，可在每一台煤造气炉后加一台热管蒸汽发生器专供上、下行煤气余热回收，而将三台煤气炉的吹风气通过一个燃烧室燃烧后进入一台热管废热锅炉，可使设备的利用率达75%～84%。

二、热管技术在硫酸工业中的应用
由于硫酸生产是连续性生产，生产过程中的高温，矿尘磨损，高、低温腐蚀等因素常使设备受到侵害，致使整个生产停顿造成损失。

热管设备的个别管件损坏不会影响整体设备效能，因之不需要停工检修，故热管技术在硫酸生产中具有广阔的应用远景。

热管技术在硫酸生产中可以应用在以下几个工序中。

1、沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收
2、沸腾焙烧炉矿渣余热回收
3、SO2炉气余热回收
4、SO3气体冷却器
5、热管SO2转化器
6、热管开工预热器
以沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收为例。

硫酸生产中沸腾床内沸腾层的温度一般控制在800～900℃之间。

硫铁矿燃烧是一强放热反应，为了维持这一温度必须从床层中导走多余的热量。

根据热量平衡计算，每生产1吨硫酸（100%浓度）从沸腾炉层导走的热量可达1.482MJ。

将此热量折合成标准蒸汽约为0.55吨/吨H2SO4。

一个年产10万吨硫酸的工厂从沸腾炉中回收的蒸汽量约为5.5万吨/年，以每吨60元计，可获利330万元/年。

热管在沸腾焙烧炉中回收热量有两种形式：图4（a）所示纵向插入式。

热管蒸发段的下部直接插入沸腾层内，另一部分在沸腾层的炉膛扩大部分，热管沿炉膛周边布置。

这种布置的优点是热管在沸腾层内受单侧矿尘纵向磨损较轻，热管不仅在沸腾层中吸热，而且沿整个炉膛高度以辐射形式吸热，降低炉气出口温度减轻炉气废热锅炉的负荷；热管由于纵向伸缩自由，不存在温差应力，同时单根热管的损坏不影响设备整体运行，保证生产的稳定性。

图4（b）所示径向插入式。

热管在沸腾床中承受炉气及矿尘的横向冲刷，传热方式为强迫对流换热。

与纵向插入式相比磨损较为严重，但热管长度短，制造简单，管外可以用翅片强化传
热以减少热管数量，同样，单根热管的损坏也不影响整体运行。

三、热管技术在石油化工中应用
热管及热管换热器在石油化工中应用具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一端破坏不会引起两种换热流体互混等优点，不仅提高设备热效率而且可靠性大为增加，减少停车次数。

目前主要应用在以下几个方面。

(b)径向插入式
图4：沸腾焙烧炉内的余热回收
１、热管裂解炉
２、热管乙苯脱氢反应器
３、环己醇脱氢化学反应器
４、热管氧化反应器
５、催化裂化再生取热器
６、热管化学反应釜
７、苯酐热熔冷凝箱
８、加热炉余热回收设备
以热管裂解炉为例。

小型生产的热管裂解炉不仅吸取了管式炉结构简单、操作容易、能连续生产的优点，还使裂解温度均匀，停留时间缩短，烃的分压降低，而且可根据裂解过程前后反应所需温度不同，通过热管长短、翅片的多少方便灵活地调整温度，还可通过流体流过热管的截面大小来调整炉气的裂解停留时间。

如图10所示为一小型裂解炉，热管工作温度为750～900℃，管
内工作液体为金属钠。

单根管的传递功率可达40KW以上。

高温燃烧气直接加热热管的蒸发段，通过介质传至热管上部，使上部管壁和翅片都处于均匀的温度。

如图11所示为原盘管裂解炉，其和热管裂解炉的优缺点比较如表2。

传统的大型裂解炉都是热源加热外管壁，裂解物料在管内受热裂解。

由于管外温度场沿炉体轴向的不均匀性是无法克服的，因而在管内被裂解的工艺流体由于管壁温度的不均匀，局部过热而产生裂解副反应，
表2：盘管裂解炉和热管裂解炉的对比
甚至流体结焦炭化。

利用热管的热屏蔽特性可制成一种等温加热炉管，如图12（a）所示。

由两根同心的内外管组成一个复合管，在内外之间还有一薄壁同心管组成热管内部工作液体循环通道。

图反应，甚至流体结焦炭化。

利用热管的热屏蔽特性可制成一种等温加热炉管，如图12（a）所示。

由两根同心的内外管组成一个复合管，在内外之间还有一薄壁同心管组成热管内部工作液体循环通道。

图12（b）所示为沿管长的温度示意，t1为外管壁温度，t2为热管内循环工作介质温度，t3为内管壁温度，t4为管内工艺流体温度，且t1 > t2> t3> t4。

(a)结构示意图(b)温度示意图
图12：热管等温加热炉。