應用熱管壁溫調(diào)節(jié)技術(shù)解決空預器堵灰、磨損、腐蝕問題

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　1、前言

　　現(xiàn)有工業(yè)鍋爐均使用生產(chǎn)廠家原配的鋼管空氣預熱器，運行中發(fā)現(xiàn)在管子下部出口及四角煙氣流速較小的管子中都存在嚴重的堵灰現(xiàn)象，積灰較硬，極難清除，而且具有腐蝕性，鍋爐出現(xiàn)正壓燃燒現(xiàn)象，排煙溫度上升，導致鍋爐效率下降。這給空預器的維護、管理工作帶來了很多問題，為解決這一問題，我們采用了當今先進的熱管技術(shù)對空預器進行了改造，徹底解決了這一問題。

　　2、常規(guī)管式空預器的問題

　　管式空預器中的煙氣和空氣的換熱是由煙氣在管內(nèi)，空氣在管外通過一個壁面直接進行的。就傳熱機理而言，煙氣以強制對流方式把熱量傳給間壁內(nèi)表面，再通過管壁以導熱方式把熱量傳至外表面，接著有空氣流對管外壁的強制對流換熱使空氣得到熱量。在該傳熱過程中管壁導熱熱阻與其它環(huán)節(jié)熱阻相比很小，可以忽略不計。根據(jù)熱路分析方法，在空氣預熱器正常運行（穩(wěn)定工況）時，該過程傳遞的熱量可由下式表達：

　　Q=（Tg-Tw）/Rg=（Tw-Ta）/Ra （1）

　　由（1）式解得：

　　Tw=（Tg Ra+ Ta Rg）/（Ra+ Rg）（2）

　　式中Tw、Tg、Ta—分別為管壁、煙氣、空氣的平均溫度，℃；Rg、Ra—分別為煙氣、空氣對管壁的對流換熱熱阻，℃/W.

　　對于（2）式，當Rg= Ra時，可得：

　　Tw=1/2（Tg+ Ta） （3）

　?。?）式表明，若管式空預器煙氣側(cè)與空氣側(cè)的對流換熱熱阻相待（或相近），則空預器壁溫將為煙氣流與空氣流溫度的平均值（或相近值），這是設計所希望的情況，只有新設計的空預器或許有可能辦到。當空預器投運后，煙側(cè)壁面將積灰垢，并且不斷增厚?；夜笇拥膫鳠嵝阅軜O差，將使煙側(cè)換熱阻力急劇增大，使之達到：

　　>> Ra （4）

　　此時，傳熱總熱阻（+ Ra）增大，（2）式中Tg[Ra/（+ Ra）]份額將減至最小，使壁溫接近于空氣溫度，即：

　　Tw≈ Ta （5）

　　空預器空氣的入口溫度一般都很低（約為20℃左右），將使壁溫低于煙氣的水露點（一般為25～60℃），此時，煙氣中的水蒸汽將附于受熱面壁面結(jié)露，即受熱面被水潤濕，煙氣中的硫酸蒸汽結(jié)露附于壁上，其它腐蝕性氣體也均溶于水構(gòu)成腐蝕性酸附于壁上，導致受熱面的腐蝕速度劇增。煙氣中的灰塵也沾于壁上結(jié)成灰垢。此種灰垢干后變硬難以除掉，不僅影響受熱面的傳熱效果，而且堵塞煙氣流道，使煙側(cè)流阻劇增。再加上流道堵塞是無規(guī)律的，某些部分堵塞程度較輕，某些較重，煙氣流量不變，將使堵塞較輕受熱面的流速增大，這就加劇了該部分受熱面的磨損、腐蝕、堵塞三大問題相伴出現(xiàn)，使鍋爐的尾部受熱面遭受損害，嚴重影響設備安全及鍋爐出力。

　　此外，管式空預器的煙側(cè)阻力設計值較低，但由于結(jié)露腐蝕的同時發(fā)生積灰，且由于煙氣在管內(nèi)縱向流動，擾動性不強，故實際運行阻力大幅度上升，而設計值只有350Pa.如某廠鍋爐改造前測得煙側(cè)阻力高達700 Pa，因此，一旦積灰嚴重，加上空氣經(jīng)由破損的管子進入煙道，鍋爐即出現(xiàn)正壓燃燒且日趨嚴重，導致鍋爐出力越來越低。

　　從以上分析可知，如果采取措施，能使最低金屬壁溫顯著提高，就可基本避免以上問題的發(fā)生，從傳熱原理分析，管式空預器主要包含了煙氣、空氣兩個對流換熱過程，對于對流換熱熱阻，其中包含了兩個方面的影響因素，即換熱系數(shù)α，換熱面積F，其關(guān)系為：

　　R=1/αF （6）

　　Rg=1/Fi；=1/；Ra=1/ （7）

　　=ξ （8）

　　=nπDiL；= nπDoL （9）

　　以上式中：、—分別為煙氣側(cè)未結(jié)灰垢和已結(jié)灰垢時的對流換熱系數(shù)，W/（㎡℃）；—空氣側(cè)對流換熱系數(shù)，W/（㎡℃）；ξ—煙側(cè)換熱面的灰垢系數(shù)；n—管式換熱器換熱管數(shù)；i、Do—換熱管內(nèi)外直徑，m；L—換熱管長度，m

　　從（7）式可以看出，對流換熱系數(shù)α受流體流動、物性、壁面幾何狀況等多種因素影響，在鍋爐運行條件確定后一般變化不大，是煙氣對流換熱面積，煙氣走管內(nèi)，即為換熱管束的管內(nèi)側(cè)表面，管內(nèi)空間狹小，加工不便，不可能采用人工方法（例如增加翅片）來使內(nèi)表面積擴展，即不能用增大換熱表面來減小換熱阻力以增高受熱面壁溫Tw，因此，這種列管式空預器不能從設計上調(diào)節(jié)，提高壁溫，即從其結(jié)構(gòu)原理上便不能妥善處理低溫煙氣的腐蝕、堵灰和磨損問題，所以其使用壽命短。

　　3、熱管空預器的壁溫調(diào)節(jié)技術(shù)

　　熱管空預器的結(jié)構(gòu)原理與列管式空預器完全不同，它是熱管元件的組裝體，利用熱管元件的特性把列管式空預器傳統(tǒng)的煙氣管內(nèi)流動轉(zhuǎn)化為管外橫掠換熱，煙氣在管外，空氣也在管外通過一個壁面分別經(jīng)上、下兩段間接進行換熱，其下段的煙氣鍘放熱和上段的空氣側(cè)吸熱均為管內(nèi)介質(zhì)利用相變（沸騰、冷凝）完成的。它的最低金屬壁溫可設計成趨近于熱側(cè)流體的溫度，且熱管兩端具有優(yōu)良的等溫性能，測試資料表明，熱管冷熱兩端的壁溫之差運行時不超過5℃。

　　據(jù)熱管傳熱計算可知，其內(nèi)阻份額僅在總熱阻10%的范圍內(nèi)，因此，在以下分析中忽略熱管內(nèi)阻不會引起大的誤差。

　　當熱管元件正常工作時，其加熱段、冷卻段有如下的熱量平衡式：

　　Q=（Th-Tp）/Rh=（ Tp-To）/Rc （10）

　　則 Tp=（Th Rc+Tc Rh）/（Rh+ Rc） （11）

　　式中　Th、Tc—熱源（煙氣）及冷源（空氣）的溫度，℃；Tp—熱管元件管壁平均溫度，℃；Rh、Rc—加熱段、冷卻段的熱阻，℃/W.

　　由式（11）可知，熱管壁溫除與熱、冷源溫度相關(guān)外，還與加熱段、冷卻段的外阻緊密相關(guān)，若：

　　Rc< Rh，Tp<1/2（Th+ Tc）； （12）

　　Rc=Rh，Tp=1/2（Th+ Tc）； （13）

　　Rc>Rh，Tp>1/2（Th+ Tc）； （14）

　　即當熱管加熱、冷卻兩段熱阻相等時，熱管工作在熱、冷源的平均溫度上；當冷卻段熱阻大于加熱段熱阻時，熱管平均壁溫將高于熱、冷源的平均溫度。

　　對于熱管空預器，煙氣與空氣對熱管元件的換熱均為管外橫掠強制對流換熱，為了彌補煙氣、空氣換熱強度小的弱點，熱管元件的加熱、冷卻兩段均加裝翅片以增大換熱面積，減小對流熱阻，按對流熱阻的定義，熱管加熱段熱阻Rh、冷卻段熱阻Rc的表達式為：

　　=1/=1/hπ （15）

　　=1/=1/Cπ （16）

　　式中， 、—熱管元件與熱源（煙氣）、冷源（空氣）的對流換熱系數(shù)；W/（㎡℃）；、—加熱、冷卻段的灰垢系數(shù)，若空氣清潔可取=1；、—加熱、冷卻兩段換熱壁面的翅化面總效率；、—加熱段、冷卻段長度，m；—熱管元件基管外直徑，m.

　　在設計熱管空預器時，我們可以按需要調(diào)節(jié)煙氣側(cè)熱阻和空氣側(cè)熱阻的相對大小，以使熱管元件具有較高的壁溫，根據(jù)（15）、（16）式來調(diào)節(jié)熱阻，由于煙氣、空氣的熱物性相近，在流速差異不大時，換熱系數(shù)、的數(shù)量級接近，不可能產(chǎn)生較大變化，欲調(diào)兩段熱阻一般從換熱面積入手。在此，與換熱面積相關(guān)的因素有β、L、，其中最關(guān)鍵的因素為β、L，在設計時可用這種手段，從而獲得較高壁溫，使之高于煙氣的水露點，甚至酸露點，使受熱面免于或減小含硫煙氣的酸腐蝕。當煙塵落于具較高溫度的壁面時，不結(jié)硬灰垢，呈疏松狀態(tài)，可隨煙氣流進入除塵器，也可用其它簡單方式除去。

　　4、實例設計時經(jīng)過多方案比較計算，選出最佳方案實施。

　　如某廠一臺SHL20-1.25/350-AⅢ鍋爐進行改造，經(jīng)計算。

　　根據(jù)以上計算可知，熱管空預器的最低壁溫可以高達126℃，大大高于煙氣水露點的最高溫度60℃，同時也高于該煤種的酸露點（約120℃），這樣就可以有效防止空預器低溫段結(jié)露腐蝕、堵灰和磨損。