热管和内螺纹管在低温空气预热器中的应用

热管和内螺纹管在低温空气预热器中的应用 热管和 空气预热器处在烟气温度最低处的末级受热面，在火电厂普遍存在管式空预器低温腐蚀和堵灰的问题，而且许多电厂这方面的问题已达到相当严重的地步。空气预热器的强烈的低温腐蚀通常发生在空气和烟气温度最低的地方即低温空预器。管式空气预热器腐蚀的机理主要是因为燃料中含有硫(S)，燃烧后生成二氧化硫(SO2)，二氧化硫与烟气中剩余的氧再氧化成三氧化硫(SO3)，烟气中含有水蒸汽，而SO3能与烟气中的水蒸汽化合成硫酸蒸汽(H2SO4)。硫酸蒸汽 本身不腐蚀金属，当受热面温度低于酸露点温度时，硫酸蒸汽就在管子面冷却结成液体，形成硫酸溶液，对金属具有强烈的腐蚀作用。空预器的腐蚀和堵灰往往是相互促进的。腐蚀造成管子泄漏，增加送风机的负荷使冷空气进入烟气侧，降低了烟气温度，加速低温腐蚀和堵灰。堵灰使传热减弱，受热面壁温下降又促进了腐蚀的加剧，构成恶性循环。严重影响锅炉的安全经济运行。如果漏风严重，以致损坏，又必须整组更换空预器。 从腐蚀机理分析中可知导致腐蚀堵灰主要是有腐蚀源即燃料中含有硫而转化成亚硫酸和硫酸。空气预热器管壁温度低于烟气酸露点是产生腐蚀、堵灰的条件，而酸露点温度又是随烟气中三氧化硫(或者说硫酸蒸汽)的含量而增加的，烟气中过剩氧会增大SO3的生成量。因此，常用减轻与防止低温腐蚀和堵灰的处 理方法主要有: (1)提高空预器受热面的壁温，例如采用热风再循环或加暖风管来提高空预器入口风温; (2)冷端受热面采用耐磨耐腐蚀材料，如玻璃管式空预器阻力小，对烟气、空气的传热几乎没有影响，积灰轻，可提高烟、风流速，使传热系数提高。但玻璃管的断管和密封问题需不断完善; (3)烟气中除硫，使用添加剂(如石灰、白云石等碱性物质)喷入燃料室，吸收或中和烟气中的二氧化硫和三氧化硫; (4)降低过量空气和减少漏风。 2 内螺纹管由普通光管冷轧成形，一般通过液轧、冷加工的方法制成。它是一种外凹内凸的螺旋形异形管(如图1所示)。制造工艺简单方便，费用低廉。螺纹管外凹内凸的结构，使它能同时提高管内外侧的传热系数，尤以管内侧更显著。实际试验表明，在相同条件下，其内侧传热系数可以达到光管的2倍，这对提高管壁温度是十分有利的。 螺纹管内传热强化主要有两种流动起作用:一是因为螺纹槽对近壁处流体流动限制，使管内流体产生附加的螺旋运动，这在多头且导程长的螺纹管中更为明显。其作用是提高近壁流体与管壁间相对运动速度，削薄传热边界层，提高传热速度。另一种是因为螺旋槽所导致的形体阻力产生逆向压力梯度，使边界层出现分离，这在单头且导程短的管子中影响显著。其作用是破坏流动边界层，加强流体径向混合，从而提高传热速度。同时，边界层分离引起的压力降小于旋流引起的压力降。为降低旋流，应使夹角β?90?为好，以降低管内阻力。 单相强制对流换热中，当流体为烟气或空气时，试验表明，用内螺纹管代替光管，可使锅 炉空气预热器的重量和体积减少1,2,3,5，流阻有一定增加。螺纹管可有效地使管内传热强化，一般管内放热系数为光管的1(7,2(0倍。经研究表明，螺纹管式空气预热器的传热系数比光管式可提高20,,50,。此外，螺纹管内螺旋形凸出物呈流线形，没有尖锐轮廓，因此，管内烟气的流动不会对壁面上流线形凸出物产生严重磨损。螺纹管式空气预热器的抗磨性能，大体上与光管相当。 由于螺纹管传热系数高，壁温高以及抗积灰性能好等优点，作为电厂和工业锅炉空气预热器传热件是比较理想的。这种空气预热器在设计时各种参数的选取都有较大的余地，因此，用以代替列管式和回转式空气预热器时，可根据锅炉具体情况达到以下目的: (1)降低排烟温度，提高锅炉热效率; (2)提高壁温，减轻低温腐蚀和堵灰; (3)采用大直径管子，解决空气预热器的堵灰和磨损问题; (4)提高热风温度; (5)还可替代回转式空气预热器，解决漏风和堵灰等问题。 3 热管空气预热器 电站锅炉所用的热管空气预热器是由许多根重力热管排列成管束组成，主要部件为热管管束，壳体和隔板对管束起部分支撑作用，其主要功能是密封流道，以阻止两种流体的相互掺混。热管元件的蒸发段和凝结段外壁均需加装翅片，以增大受热面积，强化传热。 一般管式空气预热器(图2)，烟气纵向冲刷管内壁，而空气横向冲刷管外壁。烟气流速尽量大些，使两侧放热系数尽量接近，以得到较大传热系数。热管空气预热器(见图3)，烟气与空气皆横向冲刷管外壁，故传热系数一般大于管式空气预热器。另外，热管空气预热器温压如为逆流形式，则比一般管式空气预热器交叉流形式也略高一些。 热管可以垂直布置，也可采用倾斜布置，倾斜布置一般为7?,15?(如图4所示)。热管空气预热器与常规空气预热器相比，具有下列优良特性。 (1)热管空气预热器传热系数高。烟气与空气的换热均在热管外表面进行，而且热管外表面易翅化，增大换热面积，强化传热;其次，把传统空气预热器的交叉流改为纯逆流流动，增大传热温压;再次，把烟气的管内流动改为管外流动，使得换热系数得到提高，传热性能优越。此外，其体积小，结构紧凑，可节约钢材用量。 (2)热管空气预热器无漏风漏灰现象。冷热流体间用隔板隔开，使烟气与空气之间无泄漏，同时每根热管完全独立，某根或几根热管损坏或失效，不会影响其它热管工作，也不会产生漏风漏灰现象。 (3)热管空气预热器防积灰、堵灰，抗腐蚀能力强。积灰和堵灰与含尘量、结构、流速大小、流动的均匀性等都有关，尤其和腐蚀会相互促进加剧。而通过调节热管冷、热段表面扩展受热面的大小来调节管壁温度，使之高于烟气酸露点或最大腐蚀区，由于壁温高于酸露点，附着热管外表面的积灰呈干燥疏松状态，一定的设计风速可吹灰自净，从而避免积灰或堵灰。 (4)热管空气预热器磨损小，使用寿命长。热管空气预热器的烟气流速一般为8,9m,s。可以避免堵灰，使磨损大为降低，此外，烟气冲刷的仅是热管迎风面的那半圈，在使用一定年限后，可以翻转180?，从而大大提高使用寿命，实践表明，一般电站锅炉所装设的热管空气预热器使用寿命能达到10年以上。 综上所述，热管空气预热器具有解决磨损、腐蚀、堵塞、漏风等能力，适合于电站锅炉的低温级空气预热。 4 热管空预器的实际应用形式可以有以下几种: (1)前置式热管空预器。布置在原低温段管式或回转式预热器之后。它可以取代热风再循环或暖风器，可以提高原空预器的入口风温，而且使锅炉排烟温度进一步降低。缺点可能是现场位置紧张、布置不便、施工困难。 (2)低温段末级热管空预器。通常管式空预器的低温段分为两级，末级是腐蚀、堵灰、漏风最易发生的部位。此类锅炉采用热管空预器来取代末级管式空预器非常适合。 (3)低温段热管空预器。对于燃用高硫高灰及热值低的燃煤锅炉，不仅在低温段末级存在腐蚀、堵灰、漏风，而且在前级空气进口处也还存在这种情况，整个低温段都采用热管空预器比较合适。 内螺纹管空预器较光管式传热系数高，在相同换热量条件下体积小、重量轻。 热管空预器壁温可调、不漏风，较光管式的换热系数更高，体积紧凑，但重量稍偏大。根据内螺纹管式空气预热器和热管式空气预热器的特点，结合电站锅炉空气预热器存在的问题，按照技术先进、经济合理的原则，可以将这两种新型换热器适当组配，在烟气温度较高部分采用螺纹管，在烟气温度较低部分采用热管。通常分界温度可选在保证螺纹管的最低壁温在烟气酸露点以上，而在低温段，利用热管壁温可调的特点，也可以使所有热管管壁温度在酸露点之上。 采用高温级内螺纹管式及低温级热管式换热器组成复合式空气预热器，充分利用了这两种换热器的优点。在国内外有大量成功地将内螺纹管换热器和热管空气预热器组成的复合式空气预热器应用在锅炉空气预热器的改造上的实例，并且都取得了明显的效果，很好地解决了传统空气预热器存在的问题。 下面用一个算例来具体说明内螺纹管和热管的差异。 选择一台 75t, h的锅炉，在如表1所示的烟风温度和流量条件下，设计一台内螺纹管空气预热器和一台热管空气预热器。得到如表2和图5所示的结论。 沿空气流向，热管有6排、而内螺纹管有24排，计算得到两者每排管子的最低管壁温度如图5所示。图5上部的6个点是热管低温空预器的各排最低管壁温度，下部的24个点则对应于内螺纹管低温空预器的各排最低管壁温度。由以上图表可见，采用热管后空预器烟气出口截面的管壁温度比采用内螺纹管的高， 其抗低温腐蚀性能更好(采用光管时，无论空预器的结构如何，由于烟气侧换热系数与空气侧换热系数的接近程度远不及内螺纹管，故其烟气出口截面的壁温显然更小);而且热管的烟气侧阻力也远较内螺纹管小，避免过多地增加风机的负担。然而内螺纹管所需钢材较少、总成本也较小，显然这一点优势在烟气温降增大的场合将更为突出。 5 结 论 (1)热管和内螺管应用于低温空预器时相对于光管都具有很大的优势。 (2)热管空预器较之内螺纹管空预器更能大幅提高管壁温度，其抗低温腐蚀性能更好，在需着重解决低温腐蚀问题时宜采用热管空预器。 (3)内螺纹管的烟气侧阻力相对过高。受风机功率的限制时，可考虑选用热管空预器。 (4)内螺纹管式空预器所需钢材较少，总成本也较小。如采用内螺纹管低温空预器和热管低温空预器的组合，则能够充分发挥两者各自的优越性。 参考文献 ,1, 吴存真，等(热管在热能工程中的应用,M,(北京:水利电力出版社，1993，10( ,2, 冯俊凯，沈幼庭(锅炉原理及计算,M,(北京:科学出版社，1992，7( ,3, 刘才丰，辛明道(三维内肋管管式空气预热器的设计与可行性研究,J,(热能动力工程，2000(4)( ,4, 庄 骏，等(热管与热管换热器,M,(上海:上海交通大学出版社，1989，5( ,5, 周强泰，叶寒根，王绎宁(高效节能螺旋槽管空气预热器,J,(电力技术，1992( ,6, 程俊国，冯 俊，等(螺纹管的传热和流阻性能,J,(重庆大学学报，1980(3)(