热管空气预热器在锅炉中的应用

(1.云南省节能监察中心,昆明 650041；2.云南省节能技术开发经营有限责任公司,昆明 650041)

0 引 言

传统管式预热器换热方式一般为换热管采取平行布置，烟气在换热管内流动，空气垂直于烟气流动方向管外横掠进行换热，大量锅炉的换热器均为这一类型。从各工业企业长期运行经验看，传统管式空气预热器往往存在如下问题：

(1)腐蚀

对于传统管式空气预热器，烟气在管内自上而下流动，经换热后温度逐渐降低，空气垂直于烟气流动方向在管外横掠管束流动，温度逐渐升高。因此，管壁温度分布不均。就单根管子而言，低部烟气出口处壁温最低；就管束而言，空气进出口处的管壁温度最低。设计中，在一定的排烟温度下，管壁温度不可调。运行中，壁温一旦低于烟气中的酸露点，烟气中水蒸汽凝结于管子内壁，SO2溶于水中形成H2SO3，会形成严重的酸腐蚀。

(2)堵塞

由于管壁上H2O及H2SO3的存在，对烟气中飞灰有极强的粘附作用，随运行时间延长，管内积灰相应增多甚至全部堵死。导致锅炉出现正压向外喷灰，被迫降负荷运行等。若保证不了生产时，只能停炉检修。工人进入烟道采用高压水、蒸汽、铁条等手段清理管内积灰，造成了锅炉运行、检修的恶性循环。由于停炉检修次数增多，开、停炉热胀冷缩频繁，炉门、煤闸板、炉拱、碎渣机、阀门垫片等的损坏加快，导致工作环境恶化，严重时供汽得不到保障，直接影响生产经营。

(3)漏风

一旦空预器换热管束因H2SO3腐蚀穿孔，大量管外正压空气经穿孔处压入管内负压烟气中，进入烟道。一方面使引风机、送风机负荷增大，耗电增多；另一方面炉排底部助燃热空气压力下降，造成燃烧恶化，炉渣含碳量升高，锅炉出力下降。对于上述问题，传统的处理方法是打入小套管或将漏管上下堵死。这样虽能局部解决空预器漏风问题，但烟气通流面积也受到影响，到一定程度时整台空气预热器就必须进行更换。因场地限制，旧空气预热器的拆装及新预热器的吊入均很困难，既费力又费时。

以上问题使很多锅炉运行的安全性、经济性受到影响，供汽不平稳，检修费用高，锅炉房积灰严重，生产环境恶化。

1 热管及热管空气预热器工作原理

热管是一种通过管内介质相变进行传热的换热元件，热管的传热能力能达到铜的数百倍，热管技术广泛应用于电力、冶金、化工、石油、烟草、纺织、食品和陶瓷等行业，节能效果显著。

热管结构如图1所示。由管壳、封头、吸液芯、工质等组成。热管内工质被吸附在多孔的毛细吸液芯内,一般为气、液两相共存,并处于饱和状态。对应于某一个环境温度,管内有一个与之相应的饱和蒸汽压力。热管与外部热源(T1)相接触的一端,称为蒸发段；与被加热体(T2)相接触的一端,称为冷凝段。热管从外部热源吸热,蒸发段吸液芯中工质蒸发,局部空间的蒸汽压力升高,管子两端形成压差,蒸汽在压差作用下被驱送到冷凝段,其热量通过热管表面传递给被加热体,热管内工质冷凝后自流返回蒸发段,形成一个闭式循环。整个循环包括三个过程: 蒸发段液相工质吸热蒸发； 被蒸发的工质在冷凝段放热冷凝； 冷凝的工质又返回蒸发段再蒸发。

热管为一封闭的钢管，外焊高频螺旋翅片，内注入适量的工作液后抽成真空。热管在倾斜状态下工作，与水平的夹角一般不小于12度。吸热端在下部，放热端在上部。当热流体(如锅炉烟气)对吸热端加热时，管内工作液体吸热而汽化，蒸汽在压差作用下高速流向放热端，向冷流体(如空气)放出潜热而凝结。凝结液体靠重力作用从冷端返回至热端。如此循环把热量不断从热流体传给冷流体。

热管具有如下优良性能：①输送能力强，有热超导之称；②均温性能好。热管内一端为饱和液，一端为饱和汽，故均为相应压力下的饱和温度；③热流密度可控，管壁温度可调。通过调整冷、热端的翅片间距和数量就可以达到目的；④对环境的适应能力强；⑤无外加辅助动力设备；⑥结构简单，运行可靠。由热管元件优化设计组装的换热器在各行业的余热回收、加热、均温、散热和干燥等方面获得了广泛应用，效果良好。

2 热管式锅炉空气预热器的优点

电站锅炉、工业锅炉应用热管空气预热器，解决了过去长期难以解决的腐蚀、堵灰和漏风问题。降低了炉渣含碳量、减少了排烟热损失。保证锅炉长周期负压燃烧，提高锅炉安全、经济运行水平。

热管空气预热器为长方体管箱，热管元件一根根插入管箱中，中隔板将其分成冷、热两段，分别通过空气及烟气。热管元件中部设计有密封部件，采用高温密封胶与中隔板粘贴密封。同时，热端设计有螺杆上紧螺母压在端隔板上，从而拉紧热管，使中隔板与密封面紧贴。热管空预器与管式空预器相比有如下优点：

(1)防腐蚀：设计中，可通过调整热管冷、热段翅片的间距、多少来调整管壁温度，使其高于露点，防止H2SO3的形成，达到减少腐蚀之目的。

(2)防堵塞：热管空气预热器把管式空气预热器传统的烟气在管内流动转化为管外流动横掠换热，管外流动阻力小，烟气扰动加强。同时管壁温度升高，管壁更加干燥，不易粘附烟灰，有效防止堵塞。

(3)防漏风：热管元件为一封闭体，中隔板处进行了可靠密封，即使烟气侧热管管壁因多年飞灰磨损穿孔，而空气侧仍保持密闭，所以烟气、空气也不会出现串流。这就彻底解决了漏风问题。这是传统管式空预器所无法解决的。

(4)检修方便：运行多年后，若部分热管元件实效，只需将热管管箱两端盖拆开，抽出失效热管，插入备用的热管元件(管子中部密封面先涂上一层密封胶)，热端上螺母拉紧即可。不需要打套管、堵管或整台更换。

(5)换热效率高：利用热管的高传热性能，将冷空气的管内换热转换为管外换热，这样就很容易扩展换热面积，从而减少换热器的体积和重量，节能效果显著。

3 热管空预器设计及配置

在旧锅炉改造中，根据原有锅炉工况，对热管空预器进行合理设计选型是改造能否成功的重要因素。为保证改造后新装热管空预器能满足锅炉的换热量和烟风阻力的要求，需要对原锅炉烟气量、烟气进出口温度、新风量、新风进出口温度，以及鼓、引风机风压，锅炉的烟、风道设计阻力等参数详细校核，并进行详细计算和验证，结合现场可利用安装尺寸，确定热管的数量、长度、排列方式、翅片间距等相关参数，使热管空预器达到最好的使用效果。

4 技改方案

随着热管技术的发展，目前可供选择的材料、工艺以及设计参数都比较完备。热管空预器一般采用铝轧翅片管，其结构为分离式热管结构，比较容易布置换热面。技改过程只需拆除原管式空预器；安装热管空预器；烟风道进行重新配置设计、安装。

热管空气预热器的安装、使用：

4.1 安装

(1)停炉后，应对整个锅炉进行彻底清灰，以免影响施工及防止省煤器积垢脱落堵塞热管空预器。

(2)对旧空气预热器进行拆除。

(3)安装前应检查每个换热组件中的紧固螺母是否松脱，以确保烟风侧的密封性。

(4)安装过程中应对换热组件上部进行遮盖，以防杂物进入管箱内。

(5)热管空气预热器安装完毕，再装焊烟、风道。烟、风道焊接均为满焊，焊装完毕，分别启动送、引风机对风、烟道进行气密性检查，发现泄漏应补焊。

(6)管箱、热风道、烟道按标准进行可靠保温。冷风道刷二遍防锈漆。

4.2 使用

(1) 投运前，应对烟气侧换热组件进行清理(如安装过程中，遗留的电焊条，保温材料等)，以免堵塞，增大阻力。

(2)锅炉启动，停炉或低负荷过程中，有旁通烟道的锅炉应打开旁通烟道，当空预器进口烟温高于200度时，将旁通关闭。

(3)当烟气阻力明显增加，空气出口温度明显降低时，利用压缩空气进行清灰，吹灰时间10～20 min。停炉或压火前，也需清灰。

(4)保持煤种稳定，负荷或煤种变动时，应及时调整燃烧，保证炉膛的合理配风。

5 结束语

热管式冷却器与传统的列管式空预器比较，具有换热效率高、重量轻，造价低、解决了管道堵塞问题，减少维护工作量，等优点的。

热管式空预器替代传统的列管式空预器，在锅炉空气预热中的应用，可以给运行性能和检修维护带来明显效益，为企业节能增效提供显著的助力。