熱管技術(shù)是一種密閉腔內(nèi)的相變傳熱技術(shù)^[1]。我國熱管的工業(yè)應(yīng)用研究開發(fā)始于1976年，經(jīng)過三年的開發(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，我國第一臺熱管換熱器在南京投入工業(yè)試運行，同年12月通過江蘇省科委鑒定；1982年7月，我國第一臺碳鋼－水熱管余熱鍋爐在如東化肥廠運行成功并通過鑒定；同年，我國第一臺用于高爐熱風(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運行成功，至此奠定了熱管技術(shù)在我國工業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)^[2]。

時至今日，熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用及研究發(fā)展迅速，可謂遍地開花，航天、核電、新能源的開發(fā)、民用節(jié)能、電子器件冷卻、化工、動力、冶金、陶瓷等行業(yè)都能找到其蹤影，可參見近幾屆的全國熱管會議論文集及文獻[3]。

熱管技術(shù)的應(yīng)用分為兩大類：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，其詳細結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計計算可參見文獻[2]。本文將重點介紹熱管技術(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。回收其低溫余熱可用來：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充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動力源。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烈的腐蝕性。這便對設(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，不會發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象，抗露點腐蝕等優(yōu)點，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)用廣泛的一個主要原因。

1.1空氣預(yù)熱器

一段轉(zhuǎn)化爐是30萬噸/年大型合成氨廠的關(guān)鍵設(shè)備。其排出煙氣溫度大多在300℃左右。煙氣量達140000 ~ 240000 Nm³/h。如果將其降溫到140℃排空，則回收的熱量可達8400 ~ 15000 kW。回收這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：免去了回轉(zhuǎn)式電機的動力消耗；熱回收效率提高了18.3%；減少了維修工作量。

圖2為某廠的熱管空氣預(yù)熱器，a為換熱器內(nèi)部簡圖，b為實物照片，采用的是分離式結(jié)構(gòu)型式，連接管線達50m，實現(xiàn)遠程傳熱。此外該型式換熱器還可實現(xiàn)煙氣同時與多種氣體進行熱交換，除了加熱空氣外，還可加熱其他工藝氣體，從而實現(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，或稱熱管省煤器，多用于回收低溫?zé)煔庥酂醽眍A(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是為某硫酸廠設(shè)計的熱管省煤器，配備于年產(chǎn)15萬噸硫酸裝置，用于鍋爐給水預(yù)熱。煙氣流量為37000 Nm³/h，進出口溫度340/160^oC,加熱水量為25噸/小時，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，其詳細結(jié)構(gòu)及應(yīng)用可參見文獻[5]。

圖3 熱管省煤器

1.3蒸汽發(fā)生器

熱管蒸汽發(fā)生器，又稱熱管余熱鍋爐，兼有水管鍋爐和火管鍋爐的優(yōu)點，啟動迅速。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)10萬噸硫酸的某硫酸廠，采用了一臺熱管式蒸汽發(fā)生器用以回收SO₂爐氣余熱，產(chǎn)生2.5MPa，9.50 噸/小時飽和蒸汽，回收熱量6497.5kW，如圖4b所示。爐氣經(jīng)過熱管蒸汽發(fā)生器后降為355℃進入電除塵室。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, 即使出現(xiàn)有個別熱管磨損破壞，也只會是熱管內(nèi)部少量工作流體流入煙道，不會影響正常生產(chǎn)，避免了大量爐水向煙道泄漏而導(dǎo)致停產(chǎn)。各熱管通過控制加熱段傳熱面積使管壁溫度>230℃，可有效地防止露點腐蝕。如每噸蒸汽按60元計，年運行7200小時效益可達430余萬元，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)注意如下問題：

1) 在高溫條件下，碳鋼－水熱管內(nèi)部Fe與H₂O反應(yīng)會產(chǎn)生不凝性氫氣，直接導(dǎo)致熱管性能降低。在無防范條件下，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，降低酸露點溫度；

3) 提高排煙溫度，避開酸露點溫度，實踐經(jīng)驗表明，排煙溫度以高于140^oC為宜；

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

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

6) 對熱管換熱器進行定期評估，方法可參見文獻[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)型式參見文獻[7]。密閉腔由兩端孔板與筒體殼體組成，內(nèi)沒有多余的部件，故而結(jié)構(gòu)簡單；同時冷熱流體均走管內(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)，通過合理對管箱分程設(shè)置冷、熱流體的流速，或者采取管子內(nèi)側(cè)強化傳熱措施，即可實現(xiàn)整體換熱器的高效傳熱；即使熱流體溫度在三、四十度，也會使密閉腔內(nèi)的介質(zhì)汽化進行工作。工作時，密閉腔內(nèi)工作介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，并維持一個穩(wěn)定的壓力和溫度，當調(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。總的說來，該換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、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。

圖5密閉腔式換熱器

該換熱器結(jié)構(gòu)可大可小，對于小流量廢液或廢汽，可將其作為小型管道設(shè)備來使用，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，來增加蒸汽的湍流效果。

該型式換熱器還未在工程實踐中應(yīng)用，處于試驗和規(guī)范設(shè)計計算階段。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

通過具體的實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。

在整個社會倡導(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

[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]. 化工進展, 2006, 25(6): 670-674.

[4] 李綱, 陳式榮. 熱管式空氣預(yù)熱器在我廠的應(yīng)用[D]. 西南大化肥第5屆年會,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、開發(fā)和應(yīng)用[J]. 磷肥與復(fù)肥, 2003, 18(6):39-42.

[6] 馬永錫, 儲小燕, 張紅. 在役熱管有效性模糊評估技術(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, CN200710039328.4, 2008.8.