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热管换热器在焦化厂的应用及节能分析

晨怡热管 太原大四方节能环保有限公司, 山西 太原 030024 张其斌 胡庆彦 2008/4/6 21:15:22
摘要: 热管换热器是一种新型的高效换热装置, 介绍了热管换热器的工作原理、特性及在焦化厂炼焦炉烟气余热回收中的应用, 可在我国炼焦系统中推广, 以提高焦炉的热效率。
  关键词: 热管; 换热器; 焦炉; 节能环保
  中图分类号: TE08     文献标识码: B
  1 重力热管工作原理与特性
   热管是一种高效传热元件, 工业上普遍采用的热管形式是结构简单、成本低廉、工作可靠的重力热管( 简称热管) 。其工作原理见图 1, 在一密闭的容器内( 例钢管) 有一定数量的工质( 如水) , 工质数量约占钢管内腔容积的 20%左右, 由于热管内腔有很高的真空度, 壳体内的工质处于饱和的气液二相共存状态。管内工质在加热段( 蒸发段) 接受热流体( 例烟气) 的热量使工质受热汽化变成水蒸汽, 由于存在微小压差, 故水蒸汽在腔中上升通过绝热段到达热管上部的放热段(冷凝段),并向管外冷流体( 例空气) 放出潜热, 重新凝结于内壁面。由于重力作用, 液滴沿壁往下流动到达热管下部的加热段一端, 从而完成了一个循环, 这样反复地、不断地循环, 热管就把热量从热流体( 例烟气) 侧源源不断地传到了冷流体( 例空气) 侧。重力热管有以下几个特征:
       
  1.1 安全性
   热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠及长周期运行的重要保证。它能有效地减少连续化工业生产的停车。现代化大生产追求效率。由于设备事故导致生产停车将会造成很大的损失, 传统的间壁换热设备只要有一处换热元件损坏, 必须停车检修。热管设备则不然, 它是二次间壁换热, 即使由热管群组成的换热设备中的单根热管破坏, 两种换热流体也不可能互混, 因而并不影响整体换热的效果, 亦无需停车检修,这就使高效率的现代化连续大生产获得了可靠的保证。
   1.2 防腐蚀性
   热管换热器的热流变换及自吹灰特性是防止工作上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。现已证明大型电站锅炉及各种工业锅炉、含尘量大的工业余热锅炉以及其他含尘换热设备的堵塞及露点腐蚀引起的设备效率下降甚至被迫停车的事故, 在改用热管换热器后可以防止和避免。在热管技术开发中曾经产生过的一种错误概念, 即利用翅片管作为二次换热面, 虽然提高了换热效率, 但不适应含尘气体的换热, 否则将会引起灰尘堵塞致使设备报废, 然而在不断的工业实践应用中, 人们发现翅片管换热并不与积灰堵塞成等号。相反, 只要求得一个最佳风速, 不仅不会积灰反而可不断靡刷垢层更新换热表面, 保持高效换热。在含有露点的气体换热过程中, 可以巧妙地利用调整热管两侧的翅片间距使管壁温度保持在气体结露温度以上, 避免因露点腐蚀引起的管壁穿孔和积灰堵塞。
      
   1.3 两侧热阻的可调节性
   热管两侧的热阻可以调节, 不仅可以调节内热阻(长度与直径),而且热流体或冷流体为气体时, 可以加胁片强化换热, 胁片的几何尺寸间距均有灵活的改变余地, 可以调节加热段或放热段与气体之间的外部换热热阻。
  2 应用举例
   某焦化厂排放的烟气量为 150 000 Nm3/h, 排烟温度为600 #, 通过回收烟气中的余热给附近住宅进行供暖( 约 350户, 第户约 100 m2, 由于住宅保温性能不好, 热负荷取 120w/m2, 留有充分的富裕量) 。
   2.1 热管余热回收器( 气 - 水)
   热管余热回收器安装在焦炉烟口, 回收烟气余热加热供热用水或生活用水。其构造见 27 页图 2: 下部是烟道, 上部为水箱, 中间有隔板。顶部有安全阀、压力表、温度表接口, 水箱有进出水和排污口。工作时, 烟气流经热管余热回收器烟道冲刷热管下端, 热管吸热后将热量导至上端, 热管上端放热将水加热。为了防止堵灰和腐蚀, 余热回收器出口烟气温度一般控制在露点以上。
   2.2 结构特性
   根据能量平衡原理可知把 40 000 Nm3/h的烟气从600 # 降到 180 # , 回收热量产生的 热 水( 95 # ) 即 可满足供暖的要求, 有关参数见表 1。
   3 节能效益
   本项目建设完成后, 仅使用烟气量的 27%, 可有效回收利用17280000kJ,该部分即是本项目的节能效益。在此我们按年运行时间3600h(采暖期为 5 个月),煤的价格为400 元 /t,则节能效益如下: 每小时回收热量 =ρV·CP·Δt=1.295" 40 000" 1.1"·420=23 930 000 kJ每年节约煤的量 = 每小时回收热量" 年运行时间 / 标煤的发热量 =23 930 000" 3 600/29171.2/1 000=2 953 t/a
    节 能 效 益 = 每 年 节 约 煤 的 量 " 煤 的 价 格 =2 132"
400/10 000=118.1 万元
    通过利用余热集中供暖, 同时减少了居民烧煤取暖引起的大气污染。减少向大气排放的烟气量为:排放的烟气量=每吨煤的 排 烟 量"每年燃烧的煤
=310 m3/t" 2 953 t/a=91.5 万 m3/a 环保效益显著。
    投资回收期 = 工程总投资 / 节能效益 =59/118.1=0.5( a)
            
   4 结论
    热管余热回收器可将烟气热量回收, 回收的热量根据需要可加热水作不同用途。可节省燃料费用, 降低生产成本, 减少废气排放, 节能环保一举两得。改造投资 3 ̄10 个月可回收, 经济效益显著。
  参考文献:
  [ 1] 庄骏, 张红.热管技术及工程应用[ M] , 北京: 化工出版社, 2000.
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