热管技术在湿法水泥窑上的开发应用
摘要 介绍了在湿法水泥窑窑尾余热利用热管技术的设计、安装及调试中应注意的几个问题，并从投入产出及回收期几方面谈了经济性方面的情况。
关键词 热管，回收，湿法水泥窑，低温，余热
1 概述
华新水泥股份有限公司现有3台Φ3.5m×145m湿法回转窑。单台窑原废气排放量8.20×104Nm3/h，气体温度为180～210℃，经多次热工标定，其废气携带热量占窑供给热量的15%左右，能量损失大。通过分析、计算，该废气温度如果降低20℃，单台回转窑约可回收废气余热2.60×106 kJ/h，年运转时间按7884h计，回收余热2.05×1010kJ左右，折合标准煤700余t。为此1994年我们根据水泥窑的尾排废气的工艺特点及现场条件，在1号窑上采用了气液式重力型热管，回收余热开发设计、实施工作。试运行后，取得明显的效果。1995年推广到2号、3号水泥窑上使用，回收的余热解决了冬季办公、职工工作室、休息室取暖及其它季节的生活福利用水问题。
2 尾气余热利用的工程设计与实践
2.1 设计
2.1.1 原则及指导思想
设计总的原则是全窑一体，主次分明，主为水泥熟料生产，次为余热回收。在余热系统安装、维护、操作方便运行可靠的前提下，最大限度地回收余热，以达到回收单位热量投资省的目的。
2.1.2 尾气的主要技术特性及现场条件
①气温低，一般在180～210℃，最高的厂家也仅250℃左右。
②水蒸气含量高，一般高达30%左右。
③含尘浓度高，一般在100g/Nm3左右，有些厂家高达200g/Nm3左右。且尘粒微小小于20μm占80%。
④尾气中含有一定量的SO3。
⑤窑尾烟道处空间窄小，改造烟道较困难。
⑥尾排风机有一定的储备能力，但不很大。
2.1.3 热管的工作原理及特点
热管的类型较多，应用较广泛。目前国内为节省投资，用于低温余热回收的主要是重力型热管(如图1)。其工作原理是下部高温热源将热量经管壳(或管壳加翅片)传入管腔，加热管腔下段的液态工质，使之汽化，由于管内预先抽成真空，故汽化较容易，管内也由于产生压差，驱使蒸汽流向上部。同理，由于上部管壳外低温冷源的吸热作用，蒸汽冷凝成液滴并放出汽化潜热。液滴依靠本身的重力沿管壁回流至下部，再次受热汽化。这样，循环往复不断地将热量自下部高温热源传送到上部低温冷源处。完成其取热回收的任务。
图1 重力型热管原理图
热管的主要特点是：
①利于回收低温余热，热管可在两端温差很小的情况下高效传热，上、下温差仅10℃。
②流体阻力小，不致使系统阻力增加很多。
③结构紧凑，重量轻，使用空间少，节省支承材料。
④可将冷热流体完全隔开，即使单根热管损坏，对系统影响不大。
⑤操作、维护方便，在使用周期内，维护费用极低。
⑥热管制作相对复杂，要求严格做好选材、酸洗、钝化、配液、抽真空、焊接及密封等工作。
2.1.4 设计考虑的主要问题
根据余热的主要用处，我们设计了冬季利用余热热水循环取暖及其它季节生活用热水的方案。系统主要使用了气-液式重力型热管、R型热水循环泵、钢制扁钢型散热器等(如图2)。
图2 余热回收系统简图
根据废气的工艺特点及热管的主要特点，设计时重点考虑以下问题：
①消除或减少积灰。
②阻力尽量小，使原风机系统能够消化掉。
③完全避免冷、热流体相互泄露。
④最大限度回收余热。
积灰的形成及消除或减少积灰的方法：低温热管积灰一般有两种形式，其一是低温粘结灰，它的形成是由于一般积灰与冷凝在管壁上的硫酸作用而形成以硫酸钙为基质的水泥状物质。因此废气温度应尽量高于酸露点15℃以上。其二是疏松积灰，这种积灰主要是分子引力和静电引力所形成，适当提高风速可基本解决这一问题，即使背风面积灰也易吹掉。
①将热管换热器安置在一适当位置，即选择在烟道的温度相对较高且倾斜的管段，使热管热侧捕积下来的灰尘不能沉积。
②适当提高热管热侧风速，使风速在10m/s左右。
③热管采用叉排提高传热效果。但为避免或减少积灰尽量缩小纵向节距。
④适当减少后几排热管温降以避免结酸露(尾气酸露点在90～110℃)引起腐蚀并积灰。
热管系统阻力降问题：窑系统阻力增加，势必造成窑内通风量降低。但根据我公司多次对出窑废气的标定情况，其氧含量一般在2.5%～4.8%之间，窑内过剩空气系数偏大，且风机进口烟道上的阀门未全开，说明风机有一定储备能力。当热管换热器装入烟道后，只要阻力增加不大，风力降低适当，使氧含量降至正常范围1.5%～2.5%之间将有利于节能。通常窑内出现结圈等不正常现象，采取调节阀门开度来调节窑内通风量。综合分析后，我们确定热管阻力降小于一定值250Pa对系统不但不会产生不利影响，而且可因风量降低而节能。实际设计阻力值为231.8Pa。
杜绝冷热体互泄问题：为防止冷热流体互泄问题，设计上采取了“双保险”方案，即冷流体水从水套管中通过不会泄露这是一道保险，冷热流体之间还有一道隔板保险。
热管换热器取热量：在考虑上面直接影响到系统可靠运行的几点问题的情况下，如何取得较多的余热也是非常重要的问题。通过一系列计算，在废气流量为82000Nm3/h，温度为180℃时，冷流体水(回水)入口温度60℃，热管总传热面积为129m2，热侧阻力降为231.8Pa，总传热可达624.95kW以上。对生产不会产生不良影响。
2.2 安装及调试运行
2.2.1 安装
热管是系统的“心脏”，安装时主要注意的是吊装过程中，切不可碰坏热管元件，烟道法兰与热管换热器法兰的对接一定要密封好。对于热水泵、散热器、管道及管件按常规的安装规范(如GBJ242—82“采暖与卫生工程施工及验收规范)安装即可。
2.2.2 调试与运行
余热回收系统调试、操作、维护方便简单，运行安全可靠。其操作、维护不需要单设岗位，只需窑尾排风机岗位人员代管。
2.2.3 运行经验及教训
①热管热侧基本无积灰现象，背风面有少量积灰，易于吹掉。阻力降很小，对水泥窑生产无不利影响。
②因热管安装在风机进口烟道上，入风机气温降低，工况流量减少，风机电流下降，节能效果完全可抵消循环水泵电机的耗电量。
③回收热量基本达到设计要求，可供离水泥窑较远的用户供暖、洗澡之用。
④热管换热在热水取暖系统中，给水不需软化，但在产生蒸汽的季节，给水应进行处理，否则结垢厉害，应定期进行除垢工作。
⑤选择热管时，应严格把好质量关。操作时严格控制热管干烧问题的发生。或尽量选用在低温(250℃)以下干烧对其寿命无影响的热管换热器，使其寿命达到3～8年。充分发挥其效益。
⑥阀门特别是热管出口处阀门应选用质量好或比其实际压力高一档次的阀门，以确保不漏水。
⑦冬季取暖时散热器处不得随意放出热水供作它用。否则补水过多使热管进水温度太低，进而影响出水温度。
3 经济性分析
3.1 投入
取暖系统的全部投入因各厂的供热管线布局不同而不同，不便比较。现仅就取热主件考虑。实际上辅件投入较空调、取暖器投入低得多，现以回收一台Φ3.5m×145m湿法回转窑8.20×104Nm/h，温度180℃，取热2.05×1010kJ/a为例，热管投入为20万元(包括运杂费、安装费等)。
3.2 产出
按回收热量：2.05×1010kJ/a，每kg标煤发热量为29270kJ，价格按300元/t标煤粉，则年节约标煤700.37t，年创效：21.01万元。
3.3 回收期
回收期为：
投入资金/〔产出-运行费用(除垢费)〕=20/(21.01-0.40)=1年
4 结论及建议
(1)采用热管换热器回收湿法窑低温余热，运行安全可靠，操作维护简单，如在全国其它回转窑上推广效益相当可观。
(2)余热利用后，可降低尾排废气温度、工况流量，可减轻窑尾电收尘负荷延长电收尘使用周期。
(3)热水取暖较空调、红外取暖器取暖舒适，还可减少污染物排放，且回收单位余热钢材用量较常规余热水管锅炉低。
(4)适用于湿法水泥回转窑的恶劣条件的低温尾气余热回收的热管，对其它水泥窑的低温余热回收将也会适用。