热管烟气换热器的工作原理及特点

热管烟气换热器的工作原理及特点热管烟气换热器是利用热管技术设计、制造的利用热烟气余热加热冷烟气的换热设备。热管是一种具有极高导热性能的元件,它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变等优点。由热管组成的换热器具有传热效率高,流体阻力损失小、烟气不泄漏、没有附加动力消耗、运行及维护费用低等优点。1.1热管烟气换热器的工作原理热管换热器是一种利用高温流体余热加热低温流体的换热设备。换热器中的热管一般由管壳和内部工作液体(工质)组成。钢制、密闭管壳内抽成真空,工质是经特殊处理的液体,如图1所示。热管受热侧吸收高温流体热量,通过热管壁传给管内工质,工质吸热后沸腾和蒸发,转变为蒸汽。蒸汽在压差的作用下上升至放热侧,受管外低温流体的冷却,蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热,低温流体获得热量,冷凝液靠重力回到受热侧。如此周而复始,高温流体热量便传给低温流体,加热低温流体。由于热管内一般抽成10-4～1.3×10-1Pa的真空,工质极易沸腾与蒸发,热管启动非常迅速,因此,它具有很高的导热能力。1.2热管烟气换热器的特点热管烟气换热器具有以下特点:(1)传热效率高。热管烟气换热器中的热管,其冷、热侧均可根据需要采用高频焊翅片来强化传热,弥补了气-气换热器换热系数低的弱点。(2)可有效避免冷、热流体串流。每根热管都是相对**的密闭单元,热管的蒸发段和冷凝段同处于一个整体的上、下2个空间,冷、热流体都在管外流动,中间密封板严密将冷、热流体隔开。(3)可有效防止露点腐蚀。通过调整热管数量或热管冷热侧的传热面积比,使热管壁温提高到露点温度以上。(4)可有效防止积灰。换热器设计可采用变截面结构,保证流体进、出口等流速流动,达到自清灰的目的。(5)运行及维护费用低。由于无任何转动部件,属静设备,没有附加动力消耗,运行费用低;另外,操作和维护简单,不需备品、备件,即使有部分元件损坏,也不影响正常生产。2热管烟气换热器的设计与制造热管烟气换热器最主要的问题是低温区的烟气温度低于酸露点温度,使设备长期处于酸性环境中,因此,低温区的换热元件需采用耐腐蚀材料制造;高温区换热元件可以采用低碳钢制造;壳体则采用碳钢Q235-A材料(内侧喷涂防腐油漆)制造。2.1烧镀搪瓷技术的采用热管是低温区的换热元件,其外表面采用烧镀搪瓷来防止换热器低温露点的腐蚀,即在普通碳钢(翅片管)外涂一层耐酸搪瓷。由于搪瓷层很薄,一般厚度为0.2mm,因而与碳钢结合紧密,对传热效果影响很小。搪瓷管的传热系数大于等于48.3W/(m2?℃),与碳钢管相比,传热系数相对降低率小于7.14%;且搪瓷表面光滑,不易结垢和积灰,又耐磨损、抗腐蚀;与选用耐酸不锈钢材料相比,可降低投资。2.2合理控制热管壁温根据热管的特点,通过调整冷热侧的传热面积比,使热管工作在“允许腐蚀区域”。根据国内、外的试验证明:腐蚀速度不是简单地随温度的降低而增加,而是如图2所示的曲线。从图2中可知,在酸露点,其腐蚀程度并不高,最高腐蚀点在接近酸露点处;然后随着温度的继续降低,腐蚀程度也迅速下降,直至最低腐蚀点;再继续降低温度,腐蚀程度又会增加.这说明,在酸露点以下存在着一个腐蚀速度很小的区域———“允许腐蚀区域”。如果受热面工作在这个区域内,就可把腐蚀降低到最小。可通过调整热管冷热侧的传热面积比,使热管工作在“允许腐蚀区域”。2.3选择合适的烟气流速选择合适的烟气流动速度,使热管具有自清灰性能。一般说来,使热管具有自清灰性能的风速范围是8～12m/s。该热管式GGH中,在满足烟气阻力降的要求下,烟气流速应控制在9～11m/s,此时设备正常运行时,能起到自清灰作用。2.4合理的管排布置与灵活的清灰方式为提高传热效率,热管采用错排形式,但考虑清灰,设备内按一定间距布置了若干组蒸汽吹灰管束;同时,在换热器的冷、热流体通道中,各留出4个人行通道,必要时可采取人工清灰。也利于设备的内部维护。设备底部和中部均留有排污口和排液口,可方便清灰和及时排污。2.5换热器内中孔板的密封热管烟气换热器中孔板是分隔原烟气与净烟气的隔板,为不使原烟气与净烟气串流,其密封性要求较高。设计时必须注意确保密封的可靠性。另外,为了确保热管在运行中不会因热膨胀及振动引起密封破坏,为保证中孔板严格密封,可在每根热管的顶部用弹簧对热管压紧。2.6热管的热膨胀热管在换热器内只有1个固定点,设在中孔板处,其两端可自由膨胀,因此热管的膨胀不会对换热器产生危害。3热管烟气换热器与其他换热器比较3.1回转式烟气换热器回转式烟气换热器的工作原理和结构类似于锅炉回转式空气预热器,是通过作为载热体的波纹金属薄板将高温烟气的热量传递给净化的冷烟气。回转式烟气换热器运行时,热烟气从烟气压力高的一侧通过转子及轴向密封和径向密封系统泄漏到压力低、已净化的冷烟气一侧,导致净化的烟气被污染,使脱硫效率降低。造成回转式烟气换热器漏风的情况有2种,即直接泄漏和携带泄漏。直接泄漏是烟气从烟气压力高的一侧通过转子轴向密封和径向密封系统泄漏到烟气压力低的一侧;而携带泄漏是转子格仓中的烟气,由于转子的转动从烟气的一侧携带到另外一侧。实际应用时,可采取有效措施最大限度地减少漏风量:径向密封系统设计成网格状密封,安装在转子径向格板和径向密封板之间。径向密封板上带有传感器,能自动控制转子与径向密封板之间的间隙,从而使这个间隙一直保持最小值,不受转子发生热变形的影响。另外,在设备中气体压力最大的位置即位于热烟气侧,安装一个特殊的漏风量最小化装置,消除直接泄漏。这个装置包括1个小型风机,为转子和径向密封板之间的间隙吹进处理过的清洁气体,这部分气体可以防止热烟气穿过气体压力大的一侧,同时将转子和径向密封板之间热烟气清除出转子,进入到未处理的热烟气管道中。尽管采用这些措施可以大大减少漏风量,但回转式烟气换热器转子轴向密封和径向密封结构复杂,安装、检修技术要求较高,往往运行一段时间后系统泄漏增大,烟气泄漏量能达到3%～5%。这对于烟气SO2浓度高或者对脱硫效率要求高的电站来说,是不太适宜的。而且回转式烟气换热器的工程造价、运行及维护费用都比较高。3.2各种烟气换热器的性能比较石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中的烟气换热器,除采用上述的回转式烟气换热器和热管烟气换热器外,还采用蒸气管式换热器等烟气换热设备为了对各种换热器进行比较,可以参考美国休斯飞机公司对各种换热器的考评,其考评结果如表1所示。表1中括号内的数字是考评结果。最佳为分,最差为0分,热管换热器以其总分30列于榜首。从对各种换热器的比较看,热管烟气换热器以其具有传热效率高、流体阻力损失小、烟气不泄漏、脱硫系统有较高的脱硫效率、没有附加动力消耗、运行及维护费用低等优点,更适合石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统。回转式烟气换热器的进、出烟道必须垂直、平行布置,烟道转弯点多,所占空间较大;而热管烟气换热器尽管体积庞大,但它的进、出烟道水平布置,实际所占空间较小,且工程投资也低于回转式烟气换热器。因此,一些大型火电厂的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统更倾向于采用热管烟气换热器。