楚天隧道烘箱工作原理(热管余热回收工程技术)

Posted 2023-05-30

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楚天隧道烘箱工作原理(热管余热回收工程技术)

一、技术背景

在目前全球能源紧张的严峻形势下，提高能源利用效率，节约能源成为当前极为紧迫的经济任务和政治任务。我国工业耗能占整个国民经济总能耗的比重为70％以上，目前的工业炉行业能源利用率低下，平均只有50～60％，还有30～40％的节能利用空间。

工业余热

工业余热可分为低温余热(＜300℃)、中温余热（300℃～650℃）和高温余热（＞650℃）。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废水余热、高温炉渣余热、化学反应余热等。

热管作为一种最早在航天工业应用的高效换热元件，目前被越来越广泛的应用于工业炉排烟余热的回收利用领域，有着良好的经济效益和社会效益。目前工业炉的烟气余热主要是650℃以下的低中温余热，可采用经济性好的碳钢-水型中低温热管（有工质配方和热管制造工艺），进行余热回收。

二、热管工作原理

热管，按较精确的定义，称之为“封闭两相传热系统”，即在一个封闭体系内，依靠流体的相态变化（液相变为汽相和汽相变为液相）来传递热量的装置。

热管是制造余热回收装置的核心元件, 热管是由钢、铜、铝管抽成一定的真空后，灌充“导热介质”密封而成。热管超强的导热性能使其导热系数是一般金属的数千倍（是铜的1490倍），传导温度不衰减。热管内的“导热介质”是在真空状态下不断发生相变来导热的，所以我们称之为真空相变热管技术。

这种导热介质在常温下呈液态，热管一端受热后，导热介质被激活并极速汽化，由液态变为汽态，并以分子震荡相变形式、亚音速传递热量，到热管的另一端遇冷放热，“导热介质”放热后冷凝，由汽态变为液态，回流到原端继续吸热、蒸发、传递、放热、冷凝、回流，如此往复、高速循环，达到热量从一端传输到另一端的目的。

热管工作原理图

三、热管技术特性

①导热速度快。以金属银为例，其值为415W/m.K左右，经测定，热管的导热系数是银的上千倍，故热管有超导体之称。

②传热温差小。由于热管内的传热过程是相变过程，而且工质的纯度很高，因此热管内蒸汽温度基本上保持恒温，经测定：热管两端的温差不超过5℃。

③工作温度范围广。目前，热管能适应的温度范围一般为-200℃～2000℃，这也是其它传热元件所难以达到的。

④使用安全可靠。经过热交换的两种换热介质，中间由一块管板隔开，换热介质各走各的通道。运行中即使有个别热管损坏，由于每支热管都是一个独立的换热元件，可任意拆换，不会造成两种换热介质相混，不必停车堵漏、维修性好。

四、热管应用举例

4.1在印染行业中应用

在印染行业热定型机的排气口可安装热管余热回收器，利用热定型机外排的大量废热空气的余热，把外部新鲜空气加热到一定温度来供给定型机烘箱内。新鲜的高温空气输入，可节约大量的能量，生产效率可以增加20-30%。高温空气的加入防止了烘房内温度的下降。烘箱内因外部冷空气的注入量减少，减少了水汽现象的发生，同时降低因此而造成的温差和色差，通过供热系统的改变，面料比以前手感更好，更柔软，提高了产品品质。其构造如图所示：

热管余热回收器

左右侧是烟箱，顶部有高压蒸汽或压缩空气接口装置（是为清灰而设置的），烟箱一侧底部有排污口。右侧或左侧为新风箱，中间有隔板。工作时，烟气流经热管余热回收器烟箱一侧冲刷热管下端，热管迅速吸热后将热量传导至上端，热管上端放热将新风加热，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，根据烟气中粉尘含量不同，采用不同形式的热管和吹灰装置，确保了余热回收效率，单根热管热效率≥95％，余热回收器热效率≥80％，投资回收期短：一般在6个月至1年就可回收全部投资。

4.2在铁合金工业中应用

冶金领域的铁合金是炼钢和机械铸造的主要原料，我国铁合金企业有300余家，铁合金电炉1000余台，在冶炼过程中，会产生大量的烟尘，含尘量8～12g/m3，将严重污染环境，铁合金电炉的环保治理是我国目前亟待解决的问题。

铁合金电炉烟气含尘粒度较小，其直径为40~300目，这一粒度的灰尘一般采用布袋除尘器收集。但是电炉尾气温度为400～600℃，这一温度超出了布袋除尘器的许用工作温度。如果不进行降温处理，布袋很快烧穿，无法运行。目前，我国的电炉烟气降温一般采用多管降温器，利用空气与烟气换热来降低烟气温度。多管降温器存在如下问题：一是烟气余热未能利用，造成大量的能源浪费；二是积灰严重经常无法正常运行，维护困难。

通过研究排烟灰尘的特性，设计出不易积灰的热管蒸汽发生器代替传统除尘系统中的多管降温器，将烟气温度降低到180℃，保证烟气排出温度低于布袋除尘器的许用工作温度。

热管蒸汽发生器

热管蒸汽发生器主要由内筒体、热管、外筒体三部分组成。热管放射状焊接在内筒体上，换热的水在内筒体，内筒体和外筒体之间走烟气。热管采用翅片管、叉排。通过热管将烟气热量传递与水，产生饱和蒸汽。该结构形式不易积灰。

由于工业电炉的烟气中含有大量的粉尘，例如生产1吨工业硅就会产生300kg粉尘，因此蒸汽发生器运行一段时间，就会出现积灰现象，可以在外筒体顶部设几个压缩空气进口, 用压缩空气垂直向下吹扫清灰。

以某铁合金401号炉的烟气除尘项目为例，安装一台热管蒸汽发生器需200万元，产饱和蒸汽11t/h，蒸汽价格以外购每吨60元计，设备年运行10个月，则： 11吨×60元×24小时×30天×10个月==4752000元，设备成本回收期半年，经济效益十分巨大。

4.3 在石化工业中的应用

在烃类热解炉、乙苯脱氢反应器、环已醇脱氢化学反应器，催化、裂化再生取热器及其它各种加热炉中均可应用。小合成氨上、下行煤气余热回收，中合成氨上、下行煤气余热回收，合成氨吹风气燃烧的余热回收，合成氨一段转化炉烟气余热回收，30万吨／年合成氨二段转化炉余热回收。

4.4 在建材工业中的应用

可在高岭土喷雾干燥热风炉、玻璃窑炉、水泥窑炉及各种陶瓷倒燃炉、隧道窑中广泛应用。

4.5 在冶金工业中的应用

可广泛应用于轧钢连续加热炉和均热炉、坯件加热炉、线材退火炉、烧结机中的余热回收。以一台180M2的烧结机为例，可回收蒸汽量达10～22T／h。

4.6 在工业和民用锅炉中的应用

工业燃油、燃气、燃煤锅炉的使用效率70%左右，在浪费的热量中，烟气热量占绝大部分。通常情况下热水、蒸气锅炉烟气温度在200度以上，导热油炉烟气温度270～350度。这样的高温不仅污染环境，还浪费大量燃料，增加企业生产成本。

利用热管余热回收器将这部分热量回收，并用以提高锅炉进水、鼓风温度，或直接产生蒸汽。锅炉尾部烟气冲刷热管吸热端，使热管中工质蒸发成气体向冷却端流动，在冷却端冷凝放热，把水或空气加热，产生热水、蒸汽、热风，满足生产生活需要。

五、碳钢热管介质配方

配比（按重量百分比）：二次蒸馏水××％、硫酸钾（化学纯）××％、重铬酸钾（化学纯）××％。化学原料可到当地化学试剂门市部或医药供应站购买。介质如出现结晶，可加温溶解后再用，不影响效果。

制作方法：（以配制100克传热介质为例）先将上述比例的二次蒸馏水、硫酸钾、重铬酸钾依次加放烧杯中，然后烧杯下面加热，边加热边搅拌，溶液温度不得超过60摄氏度，待完全溶解后，将烧杯离开热源冷却至室温。通过端部小孔将溶液充灌入清洁干燥的碳钢管内，在另一端加热驱除管内空气并点焊密封。

六、热管技术大全