热管余热锅炉

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小氮肥行业热管换热器应用现状

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小氮肥行业热管换热器应用现状

发布日期:2016-07-27 作者: 点击:

分析了目前小氮肥行业热管换热器的应用现状及存在的问题,对该行业热管换热器研究与开发的前景提出了建议。

  热管技术自70 年代引入我国以来,已在许多领域得到应用,特别是在低温余热回收方面发展较快,取得了非常明显的效果。本文拟结合热管换热器的结构特点,对其在小氮肥行业的应用现状及前景作一分析,并对热管换热器的选用提出一些建议。

  1  热管换热器的结构特点

  热管的结构有多种,综合考虑其制造的难易程度、生产成本和维修及经济效益等因素,在小氮肥行业最具前途、应用最多的是两相闭式热虹吸管。该热管元件的结构与工作原理如图1 所示,主要特点如下。

  (1) 传热效率高。对气—气换热器来说,由于冷热两侧气体都可以在热管外流动,因此两侧都可以在热管外加装翅片从而大幅度增加换热面积,以弥补气体换热系数低这一弱点。

  (2) 热管的表面温度均匀。热管是依靠内部工质的蒸发、冷凝来传递热量的,工质在管内的流动阻力又很小,故其沿轴向的表面温度基本上是均匀的,而且在热管表面不会存在传热死区所造成的低温区,可有效地避免露点腐蚀造成的危害。

  (3) 可实现固体与固体、固体与流体间的传热。一般的换热器其换热介质为流体,即进行的是气体或液体之间的传热。而热管则可将蒸发段嵌入固体热源内,冷凝端的吸热介质既可是固体也可是流体,这样就实现了固体与固体或固体与流体间的传热。而且借助于热管内工质的蒸发、冷凝传热,其传递的热量比固体元件导热量有所提高。如a6 ×300 的热管,其传热系数为相同尺寸铜棒的导热系数的27. 5 倍。因此,热管换热器对于固体的散热是非常适宜的。

  (4) 流体间不易掺混。热管换热器由若干热管元件组成,且高温流体和低温流体用隔板隔开,故某一元件的一端发生泄漏失效后,并不会使2 种流体掺混,换热器可继续使用。

  (5) 压力损失小。因为冷热流体均在管外流动,因此换热器内流阻小,压力损失少,可降低功率消耗。

  (6) 无需热补偿。热管的中间部分固定在隔板上,两端可自由伸缩,故热管元件和筒体间不会产生温差应力,因此无需进行热补偿。

  2  热管技术在小氮肥行业的应用现状

  2. 1  造气工段

  2. 1. 1 半水煤气显热回收器

  小氮肥厂煤气发生炉产生的半水煤气温度一般在250~350 ℃,如果不进行热回收,则每吨合成氨多消耗蒸汽300~400 kg ,而且大量的热只靠冷却水带走,大大增加冷却负荷。许多企业因冷却水量不足或冷却效果差,使煤气温度高,压缩机排气量下降,动力消耗增高。传统的煤气显热回收器多为列管式,传热系数低,换热面积大,气体流动有死角。常因温度较低的死角处出现冷凝水,使H2S 等酸性物质溶于其中引起腐蚀、泄漏。水漏到气侧不仅加快了露点腐蚀,而且易使煤气所带灰尘粘在管壁上形成硬垢堵塞列管,严重时使整台换热器失效。

  将废热回收器改为热管式(普通钢—水热虹吸管) 后,收到了较理想的效果。主要表现在: ①可以采用翅片强化气侧传热,减小换热器体积; ②利用热管表面温度高、等温性能好的优点,消除低温死角,减少露点腐蚀的机会; ③单根热管失效后整台热回收器仍可继续使用,设备使用周期大大延长。

  2. 1. 2 吹风气燃烧余热锅炉

  吹风气余热锅炉是回收吹风气燃烧炉出来的气体(650~900 ℃) 的余热以产生蒸汽。该余热锅炉的型式主要有水管和热管2 种。热管式由于在传热系数较小的气侧用翅片强化,因此改善了传热效果,使结构紧凑,体积小,仅为水管式锅炉的一半左右。

  2. 2  变换工段

  以煤为原料生产的半水煤气中O2 、CO2 含量较高,特别是有水的环境下,因温度、湿度较高,具有很强的腐蚀作用。因此,与煤气接触、温度较高又有可能出现液滴的主热交换器(简称大热交) 的腐蚀是小氮肥企业非常棘手的问题。为防止大热交的腐蚀,常用的办法是在大热交前串一小热交作为预腐蚀器。由于腐蚀严重,预腐蚀器的使用寿命仅半年左右。多年来,预腐蚀器结构几经改进,如采用中心管式、套筒式或不同材质的列管等,均没有从根本上解决问题,使用寿命最长也只1 年左右。河北遵化县化肥厂80 年代中期采用自制的热管换热器,收到了非常明显的效果,使用寿命可达3 年。再如山东宁阳化肥厂变换工段的第一热交(相当于预腐蚀器) ,采用普通列管式换热器寿命一般为6 个月左右,而采用热管换热器后1 年多仍完好如初。分析其中原因,笔者认为它主要是利用单根热管失效不致造成整台换热器失效的特点,同时由于热管的等温性能也有效地避免了露点腐蚀。而且换热器两侧流体压差不大,密封问题容易解决。显然,在这种场合应用热管换热器是比较合适的。

  2. 3  铜洗工段

  吸收CO2 、CO 后的铜液需加热再生,传统上多采用蒸汽作热源。自80 年代中期以来,为了增加工艺余热的回收,减少热量消耗,许多厂家采用变换工段的低位能热水加热铜液,这样每吨合成氨可节约蒸汽300 kg 左右,但要求热水不能漏入铜液中(热水压力为0. 8 MPa 左右,而铜液为常压) 。虽然可以从工艺、设备材质上解决此问题,若采用热管仍不失为一个先进的方案。如河北遵化县化肥厂在铜洗立式再生器中采用热管换热器,以蒸汽或热水作为热源供铜液再生,不仅换热效果好,而且使用近4年从未发生泄漏事故。

  3  热管换热器的局限性

  虽然热管换热器有许多优点,而且在某些场合得到较好的应用,但由于其自身结构的局限性,在实际应用中也遇到了一些问题。

  (1) 热管换热器的工作温度与热管内部工质的适用温度要匹配。如常用的钢—水热管,其工质水的适用温度一般为300 ℃以下,否则会使热管内压力升高,当超过其耐压极限时,就会造成热管爆裂。这种事故已在一些厂家发生过,应引起足够的重视。

  (2) 冷热流体压差不可过大。热管元件与隔板的连接一般采用可拆结构,这主要是考虑到更换的方便;另一方面,若采用焊接方式,施焊时可能造成热管失效。可拆结构密封性能较差,不能承受过大压差。小氮肥厂采用较多的吹风气余热锅炉蒸汽侧设计压力为0. 4 MPa ,就是基于这种考虑。

  (3) 热管与管板的可拆密封结构,使得管间距较大,排管密度较低,对于管外加装翅片强化传热是较为适宜的。当管外不需加装翅片时,则会因热管换热器体积较大而失去竞争力。

  4  小氮肥行业有待开发的热管技术应用场合

  4. 1  变换工段第二水加热器

  变换第二水加热器的任务是用变换气(95~110 ℃) 的低位能余热加热锅炉给水,一方面回收余热,另一方面降低冷却负荷。对于小氮肥厂,软水除氧效果一般较差或根本不除氧,所以生产中第二水加热器的氧化腐蚀比较严重,寿命较短。若采用热管换热器估计可使其使用寿命延长。

  4. 2  压缩机气缸及轴套的冷却

  压缩机气缸与活塞、轴与密封填料之间由于摩擦产生大量的热,如不及时移走,则会减少压缩机的打气量,加快填料及活塞环的损坏。目前常用的方法是用冷却水或油通过气缸夹套、轴套冷却,由于结构和空间布置的原因,难以取得较为满意的效果。还因结垢等原因不得不停车清洗,消耗人力、物力。若采用热管换热器则能很好地解决上述问题。利用热管可有效地将固体元件的热量传递出去,还可以将传热面积向气缸或轴套外扩展。若散热端采用风冷,既解决了结垢问题,还可降低动力消耗。

  5  结语

  综上所述,与普通换热器比较,由于热管换热器有一些特殊优点,在小氮肥行业许多场合适宜应用。但采用该项新技术之前,既要看到它的优越性,又要充分认识其弱点与局限性,应根据工艺要求,合理选型,精确设计,以获得满意的使用效果。


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