熱管空氣預(yù)熱器在鍋爐中的應(yīng)用

(1.云南省節(jié)能監(jiān)察中心,昆明 650041；2.云南省節(jié)能技術(shù)開發(fā)經(jīng)營有限責(zé)任公司,昆明 650041)

0 引 言

傳統(tǒng)管式預(yù)熱器換熱方式一般為換熱管采取平行布置，煙氣在換熱管內(nèi)流動，空氣垂直于煙氣流動方向管外橫掠進行換熱，大量鍋爐的換熱器均為這一類型。從各工業(yè)企業(yè)長期運行經(jīng)驗看，傳統(tǒng)管式空氣預(yù)熱器往往存在如下問題：

(1)腐蝕

對于傳統(tǒng)管式空氣預(yù)熱器，煙氣在管內(nèi)自上而下流動，經(jīng)換熱后溫度逐漸降低，空氣垂直于煙氣流動方向在管外橫掠管束流動，溫度逐漸升高。因此，管壁溫度分布不均。就單根管子而言，低部煙氣出口處壁溫最低；就管束而言，空氣進出口處的管壁溫度最低。設(shè)計中，在一定的排煙溫度下，管壁溫度不可調(diào)。運行中，壁溫一旦低于煙氣中的酸露點，煙氣中水蒸汽凝結(jié)于管子內(nèi)壁，SO2溶于水中形成H2SO3，會形成嚴重的酸腐蝕。

(2)堵塞

由于管壁上H2O及H2SO3的存在，對煙氣中飛灰有極強的粘附作用，隨運行時間延長，管內(nèi)積灰相應(yīng)增多甚至全部堵死。導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)正壓向外噴灰，被迫降負荷運行等。若保證不了生產(chǎn)時，只能停爐檢修。工人進入煙道采用高壓水、蒸汽、鐵條等手段清理管內(nèi)積灰，造成了鍋爐運行、檢修的惡性循環(huán)。由于停爐檢修次數(shù)增多，開、停爐熱脹冷縮頻繁，爐門、煤閘板、爐拱、碎渣機、閥門墊片等的損壞加快，導(dǎo)致工作環(huán)境惡化，嚴重時供汽得不到保障，直接影響生產(chǎn)經(jīng)營。

(3)漏風(fēng)

一旦空預(yù)器換熱管束因H2SO3腐蝕穿孔，大量管外正壓空氣經(jīng)穿孔處壓入管內(nèi)負壓煙氣中，進入煙道。一方面使引風(fēng)機、送風(fēng)機負荷增大，耗電增多；另一方面爐排底部助燃熱空氣壓力下降，造成燃燒惡化，爐渣含碳量升高，鍋爐出力下降。對于上述問題，傳統(tǒng)的處理方法是打入小套管或?qū)⒙┕苌舷露滤馈＿@樣雖能局部解決空預(yù)器漏風(fēng)問題，但煙氣通流面積也受到影響，到一定程度時整臺空氣預(yù)熱器就必須進行更換。因場地限制，舊空氣預(yù)熱器的拆裝及新預(yù)熱器的吊入均很困難，既費力又費時。

以上問題使很多鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟性受到影響，供汽不平穩(wěn)，檢修費用高，鍋爐房積灰嚴重，生產(chǎn)環(huán)境惡化。

1 熱管及熱管空氣預(yù)熱器工作原理

熱管是一種通過管內(nèi)介質(zhì)相變進行傳熱的換熱元件，熱管的傳熱能力能達到銅的數(shù)百倍，熱管技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、石油、煙草、紡織、食品和陶瓷等行業(yè)，節(jié)能效果顯著。

熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。由管殼、封頭、吸液芯、工質(zhì)等組成。熱管內(nèi)工質(zhì)被吸附在多孔的毛細吸液芯內(nèi),一般為氣、液兩相共存,并處于飽和狀態(tài)。對應(yīng)于某一個環(huán)境溫度,管內(nèi)有一個與之相應(yīng)的飽和蒸汽壓力。熱管與外部熱源(T1)相接觸的一端,稱為蒸發(fā)段；與被加熱體(T2)相接觸的一端,稱為冷凝段。熱管從外部熱源吸熱,蒸發(fā)段吸液芯中工質(zhì)蒸發(fā),局部空間的蒸汽壓力升高,管子兩端形成壓差,蒸汽在壓差作用下被驅(qū)送到冷凝段,其熱量通過熱管表面?zhèn)鬟f給被加熱體,熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝后自流返回蒸發(fā)段,形成一個閉式循環(huán)。整個循環(huán)包括三個過程: 蒸發(fā)段液相工質(zhì)吸熱蒸發(fā)； 被蒸發(fā)的工質(zhì)在冷凝段放熱冷凝； 冷凝的工質(zhì)又返回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。

熱管為一封閉的鋼管，外焊高頻螺旋翅片，內(nèi)注入適量的工作液后抽成真空。熱管在傾斜狀態(tài)下工作，與水平的夾角一般不小于12度。吸熱端在下部，放熱端在上部。當(dāng)熱流體(如鍋爐煙氣)對吸熱端加熱時，管內(nèi)工作液體吸熱而汽化，蒸汽在壓差作用下高速流向放熱端，向冷流體(如空氣)放出潛熱而凝結(jié)。凝結(jié)液體靠重力作用從冷端返回至熱端。如此循環(huán)把熱量不斷從熱流體傳給冷流體。

熱管具有如下優(yōu)良性能：①輸送能力強，有熱超導(dǎo)之稱；②均溫性能好。熱管內(nèi)一端為飽和液，一端為飽和汽，故均為相應(yīng)壓力下的飽和溫度；③熱流密度可控，管壁溫度可調(diào)。通過調(diào)整冷、熱端的翅片間距和數(shù)量就可以達到目的；④對環(huán)境的適應(yīng)能力強；⑤無外加輔助動力設(shè)備；⑥結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。由熱管元件優(yōu)化設(shè)計組裝的換熱器在各行業(yè)的余熱回收、加熱、均溫、散熱和干燥等方面獲得了廣泛應(yīng)用，效果良好。

2 熱管式鍋爐空氣預(yù)熱器的優(yōu)點

電站鍋爐、工業(yè)鍋爐應(yīng)用熱管空氣預(yù)熱器，解決了過去長期難以解決的腐蝕、堵灰和漏風(fēng)問題。降低了爐渣含碳量、減少了排煙熱損失。保證鍋爐長周期負壓燃燒，提高鍋爐安全、經(jīng)濟運行水平。

熱管空氣預(yù)熱器為長方體管箱，熱管元件一根根插入管箱中，中隔板將其分成冷、熱兩段，分別通過空氣及煙氣。熱管元件中部設(shè)計有密封部件，采用高溫密封膠與中隔板粘貼密封。同時，熱端設(shè)計有螺桿上緊螺母壓在端隔板上，從而拉緊熱管，使中隔板與密封面緊貼。熱管空預(yù)器與管式空預(yù)器相比有如下優(yōu)點：

(1)防腐蝕：設(shè)計中，可通過調(diào)整熱管冷、熱段翅片的間距、多少來調(diào)整管壁溫度，使其高于露點，防止H2SO3的形成，達到減少腐蝕之目的。

(2)防堵塞：熱管空氣預(yù)熱器把管式空氣預(yù)熱器傳統(tǒng)的煙氣在管內(nèi)流動轉(zhuǎn)化為管外流動橫掠換熱，管外流動阻力小，煙氣擾動加強。同時管壁溫度升高，管壁更加干燥，不易粘附煙灰，有效防止堵塞。

(3)防漏風(fēng)：熱管元件為一封閉體，中隔板處進行了可靠密封，即使煙氣側(cè)熱管管壁因多年飛灰磨損穿孔，而空氣側(cè)仍保持密閉，所以煙氣、空氣也不會出現(xiàn)串流。這就徹底解決了漏風(fēng)問題。這是傳統(tǒng)管式空預(yù)器所無法解決的。

(4)檢修方便：運行多年后，若部分熱管元件實效，只需將熱管管箱兩端蓋拆開，抽出失效熱管，插入備用的熱管元件(管子中部密封面先涂上一層密封膠)，熱端上螺母拉緊即可。不需要打套管、堵管或整臺更換。

(5)換熱效率高：利用熱管的高傳熱性能，將冷空氣的管內(nèi)換熱轉(zhuǎn)換為管外換熱，這樣就很容易擴展換熱面積，從而減少換熱器的體積和重量，節(jié)能效果顯著。

3 熱管空預(yù)器設(shè)計及配置

在舊鍋爐改造中，根據(jù)原有鍋爐工況，對熱管空預(yù)器進行合理設(shè)計選型是改造能否成功的重要因素。為保證改造后新裝熱管空預(yù)器能滿足鍋爐的換熱量和煙風(fēng)阻力的要求，需要對原鍋爐煙氣量、煙氣進出口溫度、新風(fēng)量、新風(fēng)進出口溫度，以及鼓、引風(fēng)機風(fēng)壓，鍋爐的煙、風(fēng)道設(shè)計阻力等參數(shù)詳細校核，并進行詳細計算和驗證，結(jié)合現(xiàn)場可利用安裝尺寸，確定熱管的數(shù)量、長度、排列方式、翅片間距等相關(guān)參數(shù)，使熱管空預(yù)器達到最好的使用效果。

4 技改方案

隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，目前可供選擇的材料、工藝以及設(shè)計參數(shù)都比較完備。熱管空預(yù)器一般采用鋁軋翅片管，其結(jié)構(gòu)為分離式熱管結(jié)構(gòu)，比較容易布置換熱面。技改過程只需拆除原管式空預(yù)器；安裝熱管空預(yù)器；煙風(fēng)道進行重新配置設(shè)計、安裝。

熱管空氣預(yù)熱器的安裝、使用：

4.1 安裝

(1)停爐后，應(yīng)對整個鍋爐進行徹底清灰，以免影響施工及防止省煤器積垢脫落堵塞熱管空預(yù)器。

(2)對舊空氣預(yù)熱器進行拆除。

(3)安裝前應(yīng)檢查每個換熱組件中的緊固螺母是否松脫，以確保煙風(fēng)側(cè)的密封性。

(4)安裝過程中應(yīng)對換熱組件上部進行遮蓋，以防雜物進入管箱內(nèi)。

(5)熱管空氣預(yù)熱器安裝完畢，再裝焊煙、風(fēng)道。煙、風(fēng)道焊接均為滿焊，焊裝完畢，分別啟動送、引風(fēng)機對風(fēng)、煙道進行氣密性檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏應(yīng)補焊。

(6)管箱、熱風(fēng)道、煙道按標準進行可靠保溫。冷風(fēng)道刷二遍防銹漆。

4.2 使用

(1) 投運前，應(yīng)對煙氣側(cè)換熱組件進行清理(如安裝過程中，遺留的電焊條，保溫材料等)，以免堵塞，增大阻力。

(2)鍋爐啟動，停爐或低負荷過程中，有旁通煙道的鍋爐應(yīng)打開旁通煙道，當(dāng)空預(yù)器進口煙溫高于200度時，將旁通關(guān)閉。

(3)當(dāng)煙氣阻力明顯增加，空氣出口溫度明顯降低時，利用壓縮空氣進行清灰，吹灰時間10～20 min。停爐或壓火前，也需清灰。

(4)保持煤種穩(wěn)定，負荷或煤種變動時，應(yīng)及時調(diào)整燃燒，保證爐膛的合理配風(fēng)。

5 結(jié)束語

熱管式冷卻器與傳統(tǒng)的列管式空預(yù)器比較，具有換熱效率高、重量輕，造價低、解決了管道堵塞問題，減少維護工作量，等優(yōu)點的。

熱管式空預(yù)器替代傳統(tǒng)的列管式空預(yù)器，在鍋爐空氣預(yù)熱中的應(yīng)用，可以給運行性能和檢修維護帶來明顯效益，為企業(yè)節(jié)能增效提供顯著的助力。