某冶煉廠原有一系列、二系列制酸系統(tǒng)是利用冶煉工段的閃速爐和轉(zhuǎn)爐煙氣,經(jīng)余熱鍋爐和電收塵,再經(jīng)凈化、轉(zhuǎn)化和吸收工序進行制酸。煙氣轉(zhuǎn)化后的多余熱量通過SO3冷卻后排入大氣,煙氣中的余熱不但沒有回收加以利用,反而還消耗大量能源,既增加了生產(chǎn)成本,又浪費了能源。
另一方面,該企業(yè)原有的冶煉工藝過程需消耗大量的低壓蒸汽,廠區(qū)的蒸汽90%由燃煤鍋爐提供,在能源供應(yīng)十分緊缺的今天,對低溫?zé)煔獾挠酂峄厥占袄蔑@得極為重要。
在眾多形式的余熱鍋爐中,熱管技術(shù)在低溫?zé)煔庥酂峄厥罩械膽?yīng)用顯示出其顯著的特點和優(yōu)勢。
一、熱管特點
1、熱管簡介及工作原理
熱管是一種具有特高導(dǎo)熱性能的新穎傳熱元件。熱管起源于二十世紀六十年代的美國,1967年一根不銹鋼——水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運行成功,熱管理論一經(jīng)提出就得到了各國科學(xué)家的高度重視,并展開了大量的研究工作,使得熱管技術(shù)得以很快發(fā)展。熱管技術(shù)開始主要用于航天航空領(lǐng)域,我國自二十世紀70年代開始對熱管進行研究,自80年代以來相繼開發(fā)了熱管氣-氣換熱器、熱管氣-水換熱器、熱管余熱鍋爐、熱管蒸汽發(fā)生器、熱管熱風(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品,使得熱管在建材工業(yè)、冶金工業(yè)、化工及石油化工、動力工程、紡織工業(yè)、玻璃工業(yè)、電子電器工程等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。
圖1 熱管結(jié)構(gòu)
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。管內(nèi)有工質(zhì),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。熱管與外部熱源相接觸的一端,稱為蒸發(fā)段;與被加熱體相接觸的一端,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)鬏斀o被熱體,熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝后又返回蒸發(fā)段,形成一個閉式循環(huán),包括三個過程:
吸熱段液相工質(zhì)吸熱蒸發(fā);
被蒸發(fā)的工質(zhì)在放熱段放熱冷凝;
冷凝的工質(zhì)又返回吸熱段再蒸發(fā)。
因熱管的熱力循環(huán)是在一個封閉的管內(nèi)實現(xiàn)的,對外界環(huán)境而言,熱管自高溫?zé)嵩刺幬諢崃浚诘蜏囟畏懦鰺崃?。熱管僅是熱量傳輸?shù)墓ぞ?,工質(zhì)則是熱量傳輸?shù)妮d體,驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的動力是管兩端的溫差。
2、熱管的優(yōu)點
1)超強的導(dǎo)熱性:導(dǎo)熱速度快、強度大、效率高,導(dǎo)熱速度可達到音速。
2)良好的等溫性:良好的等溫性使熱管在很小的溫差下,傳遞很大的熱通量,傳熱阻力小。
3)熱流密度可變性:熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積,即以較小的加熱面積輸入熱量,而以較大的冷卻面積輸出熱量,或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量,而以較小的冷卻面積輸出熱量。
4)安全可靠性:不存在管內(nèi)超壓,不怕干燒。液體工質(zhì)汽化后,熱管的內(nèi)壓不隨溫度的變化而變化。
5)環(huán)境的適應(yīng)性:不受環(huán)境的限制,熱管可根據(jù)環(huán)境的需要而單獨設(shè)計。
6)應(yīng)用領(lǐng)域廣。超導(dǎo)熱管形狀具有更大的靈活性,更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境
3、熱管系統(tǒng)的基本特點
1)熱量從高溫介質(zhì)轉(zhuǎn)移到低溫介質(zhì),完全由熱管元件完成,低溫介質(zhì)被間接加熱。
2)系統(tǒng)中熱管元件間相互獨立,單根或數(shù)根熱管失效不影響整個裝置的運行。
3)由于熱管的單向?qū)嵝?,熱量的傳輸只能由受熱段傳至放熱段?/p>
4)熱管外壁采用高頻焊翅片,強化傳熱,傳熱效率高,熱側(cè)阻力小,設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。
5)熱量的傳輸過程不需要任何外界動力,運行管理簡單。
6)熱側(cè)換熱面積可調(diào),可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)換熱管管壁溫度,有效防止低溫露點腐蝕。
二、熱管余熱鍋爐(熱管蒸發(fā)器)
熱管式余熱鍋爐(熱管蒸發(fā)器)是由若干組熱管聯(lián)箱同其外殼組裝而成。其中每組熱管聯(lián)箱又由若干根熱管組成的,為增大傳熱面積,其加熱外表面一般都焊有若干片高頻焊環(huán)形翅片,各熱管之間彼此獨立,構(gòu)成各自獨立封閉傳熱系統(tǒng),其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 熱管余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖(分體式)
由于上述結(jié)構(gòu)的特點,使其具有以下優(yōu)點:
1)熱管由于外壁帶有螺旋翅片,增加了傳熱面積,單根傳熱強度大(相對光管);
2)工作介質(zhì)玄幻是依靠地球重力和壓差作用,無需外加動力,無機械運行部件,增加了設(shè)備的可靠性,也極大的減少了運行費用。
3)由于其冷、熱兩端熱阻方便可調(diào),便于控制管壁溫度,從而有效地解決了設(shè)備的露點腐蝕。
4)根據(jù)工藝要求,可以進行順、逆流混合布置,適應(yīng)較寬的溫度范圍。
5)熱交換系統(tǒng)由眾多熱管組裝而成,各熱管之間相互獨立,一根或幾根熱管損壞或失效不影響整個系統(tǒng)的安全運行,只是余熱鍋爐整體效率會略有降低而已。
6)由于采用上升管、下降管連接汽包結(jié)構(gòu),使設(shè)備水側(cè)能承受較高的壓力范圍。
7)外殼為鋼板連續(xù)焊制,設(shè)有密封檢查門,便于設(shè)備清灰。
三、熱管余熱鍋爐(熱管蒸發(fā)器)的應(yīng)用
1、煙氣參數(shù)
該企業(yè)原有制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化煙氣參數(shù)見表1所示:
表1 制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化煙氣參數(shù)
從表1可以看出來轉(zhuǎn)化煙氣具有以下特點:
1)煙氣溫度低;
2)幾乎不含塵、不含水;
3)SO3濃度高;
4)煙氣連續(xù)但波動量大;
5)煙氣可利用的溫差小。
2、熱管余熱鍋爐參數(shù)
為了充分回收一系列、二系列制酸系統(tǒng)的中、低溫?zé)煔庥酂?,共設(shè)置3臺熱管余熱鍋爐,取代原系統(tǒng)中的熱交換器、SO3冷卻器和SO3冷卻風(fēng)機,在滿足制酸工藝要求的同時,利用煙氣余熱生產(chǎn)飽和蒸汽。
熱管余熱鍋爐技術(shù)參數(shù)見表2。
表2 熱管余熱鍋爐技術(shù)參數(shù)
四、改造后節(jié)能效益
自3臺熱管余熱鍋爐正式投運至今,均達到設(shè)計的額定產(chǎn)汽量,可產(chǎn)1.27MPa飽和蒸汽180000噸/年,,可節(jié)約標(biāo)煤20300噸/年,同時可節(jié)約電耗1383000KW.h/年,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤526噸/年。
熱管余熱鍋爐投產(chǎn)后可減少煙氣排放量290×104Nm3/年,減少煙塵排放量868噸/年,減少SO2排放量303噸/年,在很大程度上減少了污染物的排放,改善了廠區(qū)環(huán)境。