无机热传导热管空气预热器的技术与经济分析

无机热传导热管空气预热器的技术与经济分析

石油管道分公司

一、技术应用情况概况

4650 kw热媒炉是输油管道上普遍采用的原油加热设备，目前全公司共有58台在管线上服役，根据多年的运行管理及设备测试发现，该炉型在生产运行中主要存在以下问题：

1、炉子的运行达不到额定负荷：其原因是炉膛出口温度和热媒出炉温度过高，导致烟道气温度超标，使其自动化控制系统温度超标报警或停炉。

2、吹灰效果差：由于列管式空气预热器烟管较长（达5m），且为高密翅片式换热管，而所配吹灰设备结构不太合理，造成换热器内堵灰严重不易清除，换热效率低、烟气压降增大，排烟温度过高（如2000年1月22日管道节能监测中心对熊岳输油站2# 热媒炉在最大负荷运行工况下进行热工测定，负荷率为71.3%，热效率为78.16%，排烟温度为250℃。超过合理排烟温度100℃左右。），余热得不到充分利用。

3、低温露点腐蚀严重：由于烟管较长，而空气预热器尾部壁温低，燃油中含硫较高，容易造成低温露点腐蚀。不仅大大降低了空气预热器的使用寿命，且不便于维护和保养。

针对4650kw热媒炉所存在的以上问题，为解决该炉型空气预热器积灰、排烟温度过高和低温腐蚀等问题，管道公司运销处、管道科技中心节能监测室与美国熵立得（SUNNET）大连公司（以下简称熵立得公司）联合，利用熵立得公司无机热传导元件的技术特点共同研制开发了无机热传导空气预热器，并于2000年7月1日在我公司大连输油管理处熊岳输油站2#炉上安装，投入运行。

二、无机热传导热管工作原理及技术特点

六十年代，在密闭真空体腔内以液体为工质进行热传导的“热管”元件的发明，使热能进行远距离传导并实现高效率转换成为可能。八十年代末我国物理学家渠玉芝教授研究发明了以无机元素作为导热工质来实现热传导的新型传热元件——无机热传导元件，它克服了常规热管元件存在的高温爆管及载体材料与其

内部工质材料不相容产生不凝气体的弊病，使元件的传热速度与热交换能力在原基础上具有明显提高，同时实现了传热元件几何形状的多样化及微型化，使传热元件的应用领域得到进一步拓展。

无机热传导技术是以无机元素为介质，将其注入到金属管内，经密封后成型。无机热传导元件将热量由元件的一端向另一端快速传递，在整个传热过程中，元件的表面呈现出热阻趋于零的特性。无机热传导元件，通过其传热媒介—无机导热介质受热后利用分子的震荡、摩擦将热能成波状进行快速激发并传递。

无机热传导元件启动迅速，导热速度快，自元件一端加热数秒钟就可将热量传递到另一端；均温性好，沿传热元件轴向温差趋于零；热阻小，当量导热系数为3.2×10W/m℃，是白银的7000余倍；传热能力大，轴向热流密度8.6×106W/m2，径向热流密度45×103W/m2；适应温度范围广，在-60～1000℃之间；相容性好；操作压力低等。

三、无机热传导热管空气预热器的技术原理及特点

无机热传导热管空气预热器与原列管式空气预热器相比有以下特点：

1、流动阻力小。无机热传导热管空气预热器的空气和烟气均走管外，无需多程往返，且流程短降低了流动阻力。

2、不易积灰，不易堵塞。设计时介质流速调整到自清灰流速以上，并将原来的高密翅换热管调整为翅片间距12-16mm的低密翅热管，且将热管与地面成10℃倾斜角放置，利用重力和调整传热管的翅片面与烟气流向一致来达到自清灰的目的。

3、不易腐蚀。由于露点腐蚀都是发生在烟气侧温度低于露点温度处，热管式空气预热器不易发生露点腐蚀的原因一方面是由于烟气集中在热端，冷端无烟气；另一方面由于热管内的介质温度高，两方面决定了热端壁温高于空气预热器壁温，从而不易发生低温酸露点腐蚀。

4、维修方便。导热元件之间彼此独立工作，而该换热器设计为侧面可开式，侧面打开后可将导热元件抽出。

5、传热系数高。当量传热系数K比列管式换热器提高5—10倍。

四、无机热传导热管空气预热器的结构及技术分析

无机热传导热管空气预热器的设计结构见下图：

注：1.底座、2.左管箱、3.快开门、4.管板、5.烟气侧框架、6天圆地方Ⅰ、7.短管、8.阀兰、 9.管板Ⅱ、 10.空气侧框架、11.空气侧槽体框架、12. 天圆地方Ⅱ、 13短管Ⅱ、14.阀兰、15.管板Ⅲ、16.右管箱、17.螺栓、18.螺母、19.压板Ⅰ、20. 压板Ⅱ、21.定距管Ⅰ、22. 定距管Ⅱ、23. 压板Ⅲ、24.无机热传导元件Ⅰ、25. 无机热传导元件Ⅱ、26.无机热传导元件Ⅲ、27.无机热传导元件Ⅳ。

1、空气预热器热管采用无机热传导换热管，无机热传导热管带有高频焊接的翅片扩展换热面，其壳体轴线与水平面成5度夹角布置，空气预热器中烟气侧与空气侧用管板隔开，空气和烟气为逆向流动，烟气流向为从上到下，空气流向为从下到上。以便于良好的换热和换热面自清灰。

2、空气换热器纵向布置28排共计224根无机传热导管，换热管基管尺寸为

Φ32×3基管材料采用20#（GB8613）钢管，翅片材料采用08AL钢带。管子翅片方向与烟气流向一致，有利于换热面自清灰。

3、为了提高换热器后段换热面的管壁温度，沿烟气流向的28排换热管分两段选用不同规格的无机热传导换热管。

4、根据换热面的温度工况，沿烟气流向的28排换热管分两段设计，各段采用不同翅片参数，加大了烟气侧翅片间距减少积灰，以避免低温段翅片管表面产生低温露点腐蚀。各段翅片管参数见表1。

表1 排换热管各段翅片管参数表

项目单位

数值

前段后段

管排数

排18 10

翅片高度烟气侧mm

16

16

空气侧mm 16 16 翅片厚度

烟气侧mm 1.2 1.2

空气侧mm 1.2 1.2 翅片节距

烟气侧mm 16 16

空气侧mm 5 12

5、空气预热器沿烟气流向布置三段压缩空气吹灰装置，该装置利用九根管板拉杆及定距管，在其烟气端等距离开12孔，孔径为Φ8。共分三组，每段设一组三根定距管，用于设备运行时吹灰。

6、在其壳体两侧上、中、下部共设六个快开门，底部设一个清灰门用于停炉时方便清灰。

五、无机热传导热管空气预热器的经济分析

无机热传导热管空气预热器的热工测试结果对比情况见表2：

表2 无机热传导热管空气预热器的热工测试结果对比表