高溫?zé)峁軗Q熱器前景展望
近幾年來,隨著高溫?zé)峁芗夹g(shù)研究的不斷成熟和深入,高溫?zé)峁軗Q熱器的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大,目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用和國防等各個領(lǐng)域。
在冶金、化學(xué)、陶瓷、建材及輕工等工業(yè)生產(chǎn)中,常需要500℃以上的清潔空氣以滿足助燃、干燥和供氧等需要,采用高溫?zé)峁芸諝饧訜崞骺梢暂p易地達(dá)到這一要求,并且從根本上解決常規(guī)空氣加熱器所無法解決的傳熱難題[2]。
筆者通過高溫?zé)峁軗Q熱器成功應(yīng)用實例,闡述了高溫?zé)峁軗Q熱器廣闊的應(yīng)用前景以及對工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展所產(chǎn)生重大的影響,同時簡要分析了高溫?zé)峁軗Q熱器目前存在的問題,提出幾點建議供設(shè)計者參考。
1、結(jié)構(gòu)特點
高溫?zé)峁軗Q熱器是由管內(nèi)充有不同工質(zhì)的熱管組成的組合式熱管換熱器,主要由熱管、隔板和殼體3部分組成(圖1)。冷、熱流體通道之間用隔板絕對隔開,熱管作為傳熱元件實現(xiàn)冷、熱流體間的熱量傳遞。
整個換熱器又分為高溫?zé)峁軈^(qū)和中溫?zé)峁軈^(qū)和低溫?zé)峁軈^(qū)。在低溫區(qū),工作溫度限制在250℃以下,采用水(經(jīng)化學(xué)處理后的)作為熱管工質(zhì)較理想;在中溫區(qū),工作溫度限制在250～400℃范圍內(nèi),采用萘作為熱管工質(zhì),萘熱管在400℃左右具有可靠的熱穩(wěn)定性和良好的傳熱性,且與碳鋼有良好的相容性和安全性,預(yù)計有很長的使用壽命[3～5] ;在高溫區(qū),工作溫度在600℃以上常采用液態(tài)金屬熱管,液態(tài)金屬有良好的熱穩(wěn)定性和較低的飽和蒸氣壓,如鈉在800℃時飽和蒸氣壓僅為0. 047MPa ,因此在高溫條件下液態(tài)金屬熱管的殼體幾乎不承受內(nèi)壓,而且常用的幾種液態(tài)金屬在高溫下均具有較高的汽化潛熱,如800℃時鈉的汽化潛熱為3 977kJ / kg ,因而高溫?zé)峁苣軌騻鬟f很高的熱量。
2、應(yīng)用實例
2. 1、噴霧干燥中的應(yīng)用
2. 1. 1、十二醇硫酸鈉噴霧干燥[6]
十二醇硫酸鈉是優(yōu)良的陰離子表面活性劑,它是一種熱敏感性多泡性物質(zhì),其干燥所需的高溫?zé)嵩?450～500℃)一般采用煤氣直接燃燒產(chǎn)生的煙氣。對于沒有煤氣或煤氣價高的地方,熱源成為一大難題,若使用液化氣、輕柴油等其他熱源,均會對十二醇硫酸鈉產(chǎn)生污染而影響色澤。一般的板式、列管式和板翅式換熱器所能提供的熱源溫度在400℃以下,且熱效率低,而熱管的各種特性適于解決這一難題。如圖2所示,由煤燃燒爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔?950～850℃)直接進(jìn)入高溫?zé)峁軗Q熱器的吸熱段(熱管的蒸發(fā)段)逐步經(jīng)過高溫?zé)峁軈^(qū)、中溫?zé)峁軈^(qū)和低溫?zé)峁軈^(qū)降至200℃以下排入煙囪?？諝庥沙?0℃進(jìn)入熱管換熱器的放熱段,通過熱管與煙氣的逆流換熱被加熱至470～500℃去噴霧塔,干燥十二醇硫酸鈉。
2. 1. 2、高嶺土噴霧干燥[7]
高嶺土是化工、造紙和建材中一種重要的添加劑,其濃度高達(dá)63 %～66 % ,料漿粘度為500～1 200mPa·s。如此高濃度和粘度的料漿,噴霧干燥具有一定難度,其關(guān)鍵是要有溫度達(dá)到500℃的熱風(fēng),由于對高嶺土的白度有較高的要求,因而在干燥過程中應(yīng)該力求避免污染物混入料粉中。以燃燒煙道氣為熱源的高溫?zé)峁苁娇諝饧訜崞骺蓾M足這種要求。如圖3所示,常溫空氣由鼓風(fēng)機自熱管換熱器的底部進(jìn)入熱管換熱器低溫段,經(jīng)中溫段及高溫段加熱達(dá)500℃后排出,進(jìn)入噴霧塔作為干燥熱風(fēng)。自煤燃燒爐出口的煙氣溫度達(dá)900～1 100℃,由換熱器頂部向下流動與冷側(cè)空氣形成逆流換熱,溫度降到200℃以下由引風(fēng)機排入煙囪。
2. 2、小氮肥余熱回收中的應(yīng)用[8]
江蘇新苑集團(tuán)公司化肥廠于1994年對其合成氨造氣工段進(jìn)行技術(shù)改造,采用高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器(圖4)回收半水煤氣的余熱,至今已安全運行8年。該工段煤氣流量為135 000m3/ h ,溫度為950℃,通過高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器將其溫度降至250℃,每小時可生產(chǎn)4t蒸汽,蒸汽壓力高達(dá)1. 57MPa。全年運行時間為7 200h ,每噸蒸汽按40元價格計,則全年可回收價值115. 2萬元,氨年產(chǎn)量為20kt ,則平均每噸氨可降低成本57. 6元,扣除固定資產(chǎn)折舊、大修費用和運行成本,每噸氨可凈降低成本39. 78元,年收益為79. 56萬元。
高溫?zé)峁芗夹g(shù)在小氮肥余熱回收中的應(yīng)用獲得了令人滿意的效果。實際運行表明,高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器達(dá)到的某些性能指標(biāo),是其他類型的換熱器所達(dá)不到的。該項技術(shù)已在江蘇、安徽、遼寧、廣東、山西及青海等省十多個小氮肥“二改一”工程中得到推廣應(yīng)用。
3、應(yīng)用前景
高溫?zé)峁芗夹g(shù)在噴霧干燥中的應(yīng)用取得成功,并已收到了令人滿意的實際效果。根據(jù)現(xiàn)場測試的參數(shù)表明,高溫?zé)峁軗Q熱器達(dá)到的某些性能指標(biāo),是其他類型熱風(fēng)發(fā)生器所達(dá)不到的,因而在某些特定工況條件下的應(yīng)用也是無法取代的:a .向各類干燥設(shè)備(噴霧于燥、沸騰干燥、氣流干燥、隧道干燥及鏈板式干燥等)提供清潔的高溫?zé)犸L(fēng)。b.向氣流焙爐提供800℃以上的高溫?zé)犸L(fēng),對物料直接進(jìn)行氣流焙燒。c.向各類燃燒器提供助燃熱風(fēng),改善燃燒狀況,提高燃燒效率,節(jié)約燃料。據(jù)資料介紹,用普通換熱器將助燃風(fēng)加熱到300～400℃可節(jié)約燃料15 %～25 % ,用高溫?fù)Q熱器可節(jié)約燃料40 %以上。d.高溫預(yù)熱煤氣(或助燃?xì)? ,使冶金工廠大量的低熱值高爐煤氣(其熱值約為4 187J )資源在加熱爐上的利用成為可能。e .回收利用六大耗能工業(yè)(冶金、化工、煉油、玻璃、水泥及陶瓷)的高溫余熱,使這些領(lǐng)域的能源利用率達(dá)到一個新的水平。由以上可以預(yù)見,高溫?zé)峁軣犸L(fēng)發(fā)生器將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景,對工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。
4、存在的問題
當(dāng)前,高溫?zé)峁軗Q熱器在傳熱方面還面臨兩大急需解決的問題:a.結(jié)構(gòu)龐大,成本昂貴,極大地阻礙了高溫?zé)峁軗Q熱器工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程;b.過渡段的銜接不合理,導(dǎo)致部分熱管處于不工作和非正常工作狀態(tài)。要解決好上述問題的關(guān)鍵:a .優(yōu)化高溫?zé)峁軗Q熱器結(jié)構(gòu)有兩個途徑:一是對單根熱管進(jìn)行傳熱強化研究;二是合理預(yù)測殼程的流場與溫度場的分布,二者的優(yōu)化組合研究是今后熱管換熱器強化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。b.過渡段的強化傳熱對優(yōu)化高溫?zé)峁軗Q熱器結(jié)構(gòu)、安全銜接各區(qū)域熱管換熱器起著非常重要的作用。
5、結(jié)束語
高溫?zé)峁芗夹g(shù)在噴霧干燥中的應(yīng)用研究取得成功,充分體現(xiàn)了高溫?zé)峁芗夹g(shù)的優(yōu)越性。為加快高溫?zé)峁軗Q熱器實現(xiàn)工業(yè)化進(jìn)程,筆者認(rèn)為應(yīng)盡快提高高溫?zé)峁軗Q熱器設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性。具體實施的方法;a .采用數(shù)值模擬的方法模擬高溫?zé)峁軗Q熱器內(nèi)溫度場和流場分布,以便實現(xiàn)高溫?zé)峁軗Q熱器在線檢測、故障分析和變工況分析。b.采用強化換熱技術(shù),優(yōu)化高溫?zé)峁軗Q熱器結(jié)構(gòu),降低成本,提高設(shè)計經(jīng)濟性。加快高溫?zé)峁軗Q熱器在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)程。
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