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1、1 0 8 2 0 0 6 年全国硫酸工业技术交流会论文集 大型硫酸装置中热管省煤器设备的研发应用 王虹 ( 江苏科圣热能设备工程有限公司) 1 前言 在硫酸工艺过程中，热的S O ，气体必须经过 冷却后才能进入吸收塔。由于S O ，气体冷却过程 中的结露腐蚀问题，以前通常采用空冷器来冷却 S O ，气体。采用这种方法，一方面空冷器的鼓风 机消耗动力电能，另一方面空冷器的热空气排放 浪费能源并造成污染。上世纪9 0 年代初，随着热 管技术在废热回收过程的推广应用，一些高校和 科研单位尝试将热管技术应用于s O ，气体冷却过 程。那时热管技术主要应用于一些小型硫酸装置 ( 1 0 0k t a
2、规模以下) 的省煤器，热管类型采用的 是轴向热管形式。其工作原理与设备结构形式如 图1 、图2 所示。 蒸汽 ( 工质) 液体 ( 工质) 图l轴向热管省工作原理图 轴向热管省煤器的最主要特点是利用轴向热 管蒸发段的换热面积可调来实现热管元件传输功 率可调，达到换热管壁温可调，使换热管壁温设计 调整至酸露点以上，试图以此来解决S O ，气体冷 却过程中的结露腐蚀问题。 图2 轴向热管省煤器结构 但是，由于轴向热管省煤器自身存在的以可 靠性低为主要特征的某些局限以及当时热管技术 产品研发不够成熟，轴向热管省煤器在推广应用 了2 3 年以后，未能取得多少进展，便悄然隐退， 淡出硫酸行业。 到了上世
3、纪9 0 年代中期，硫磺制酸得到迅猛 发展，硫磺制酸装置也越建越大，从1 9 9 7 年到 2 0 0 2 年不到5 年的时间内，单套硫磺制酸装置先 后从2 0 0k t a 规模逐步发展到10 0 0k t a 规模。 在这期间，S O ，气体冷却设备的课题也随之摆在 了热管技术研究推广单位面前。 具有高校科技产业背景的江苏科圣热能设备 工程有限公司利用其自身雄厚的热管技术产品研 发能力，承担了大型硫酸制酸装置国产化S O ，气 体冷却设备研发课题，自主开发研制出以径向热 管为传热元件组合而成的径向热管省煤器，作为 大型硫酸制酸装置S O ，气体冷却设备。径向热管 省煤器具有好的传输性能，热
4、管内流体运动阻力 小，传热热阻小，管内布有吸液芯，可以全方位工 王虹 大型硫酸装置中热管省煤器设备的研发应用 1 0 9 作，能更有效地控制壁面温度，具有很高的等温性 能，管内不凝性气体对其影响极小，设备的运行可 靠性高等优点。 径向热管省煤器具有的上述一系列优点彻底 克服、消除了轴向热管省煤器所存在的以可靠性 低为主要特征的各种局限。从这种意义上讲，径 向热管省煤器可以看作是轴向热管省煤器的升级 换代技术与产品，因此在国内硫酸行业的热能综 合利用中得到广泛的应用，取得极好的效果。 2 功率型径向热管的基本结构 我们开发出的径向热管是作为功率传递的热 管，对此种热管的要求是具有好的传输性能，即
5、热 管内流体的运动阻力要小，热管的传热热阻要小， 而保持温度的一致性变为次要的。这恰好与轴向 型热管相反。我们称此为功率型径向热管，并对 功率型径向热管进行了全面系统的试验、研究和 分析。完成了一个完整的课题任务。 热管是一种高效导热元件。径向热管是众多 热管形式中的一种，径向热管如图3 所示，由外 管、内管、吸液芯、工作介质和端盖组成，管腔内具 有一定的真空度而形成热管。由于管内蒸汽是沿 着径向运动的，所以称之为径向热管。其工作原 理是：在静态时，工质充满了紧贴外管内壁的吸液 芯内，吸液芯利用毛细力的作用，具有提升、输送 和均布工作介质的功能，将放热侧冷凝的液体输 送到吸热侧，对径向热管而言
6、，就是将工质由热管 的底部提升到顶部，同时也使工质均布在吸热侧 的壁面上。吸液芯也是热流传输的通道，工作介 质通过外管管壁吸收流过管外的热流体的热量而 汽化，在管腔内蒸汽的微小压差作用下，蒸汽流向 位于径向热管元件中心的内管，在内管的外壁凝 结放出热量并通过内管管壁传给在内管中流过的 冷流体，蒸汽凝结成的液体后，在重力的作用下回 到下部的吸液芯上，再通过吸液芯毛细泵力的作 用，使液体充满吸液芯，并再次吸取外管壁传来的 热量而汽化、冷凝，如此周期性的循环而完成热量 的传递过程。 通过试验证实开发出的径向热管作为功率传 输元件具有很好的工作性能，它有很好的等温性 和传输功率性能，带吸液芯的径向热管
7、有较大的 传输功率能力，在实际运行中不会出现传热极限， 体现出很好的稳定运行特性。 ， “ 冒卅磊L 己气俘 图3 径向热管结构图 3 径向热管省煤器的形式和特点 径向热管省煤器是由径向热管按一定的排列 形式组合而成。其基本结构形式见图4 ，外观见 图5 。 软水进口 软水出口 右侧管板 图4 径向热管省煤器结构示意 炉气进口 省煤器I 省煤器I I 图5 径向热管省煤器外观 以硫磺制酸中的径向热管省煤器为例，分析 之可得出下述优点： ； a 径向热管换热器内的热管管内是布有吸 液芯的，流体回流是靠毛细泵力实现的，因此热管 的工作位置和流体的流动不受任何限制，可以全 l1 0 2 0 0 6
8、年全国硫酸工业技术交流会论文集 方位工作，硫磺制酸中烟气是垂直方向流动的，如 使用轴向热管就较难布置。 b 径向热管换热器与重力热管换热器相比， 在处理量相同的情况下，其占据空间较小，一般体 积可缩小3 0 一4 0 ，重量可减轻1 5 一2 0 。 c 径向热管能更有效的控制壁面温度，由于 其热侧的面积远远大于冷侧的面积，所以能更好 地提高壁面温度，硫磺制酸的燃烧气中s O ：、S 0 3 含量较高，一般要求壁温应高于1 4 0 1 6 0 。径 向热管很容易达到这些要求。 d 径向热管具有很高的等温性能，不凝性气 体的影响极小，其传热性能相对较好，工作稳定 可靠。 e 可大大提高系统运行的
9、可靠性，这对硫磺 制酸更为重要，一旦发生水泄漏，设备将极快地被 腐蚀。某化工厂曾使用某种省煤器，由于焊接质 量问题造成水泄漏进人烟气，设备在一个月内腐 蚀报销，造成极大的经济损失。本省煤器即使外 管腐蚀后，水和燃烧气也不会串流。 径向热管换热器气、液两侧流体的流动阻 力均较小，设备的运行费用低。 g 在径向热管省煤器中水是在管内流动，因 此具有很好的承压能力，硫磺制酸水的压力一般 为5 5 MP a 。 h 由于水路的焊接点均在省煤器外侧，维修 方便。 4 硫磺制酸径向热管省煤器的流程 大型硫磺制酸系统的省煤器的流程如图6 所 示，省煤器A 是单台式，流程简单。而省煤器B 是由两台省煤器组合而
10、成，炉气为并联，而水路为 串流，为了进一步提高局部管壁温度，在流体的流 动型式上采用了逆、顺流混合布置，以确保最低壁 温分别高于1 4 0 和1 6 0 。 具体过程是来自于三段、( 四) 五段的炉气并 联由上而下或由下而上通过各自的省煤器，而每 台省煤器内是由两台省煤器串联而成，水则是以 串联的形式按一定的路线通过省煤器，所以其特 点是炉气为并联，水路则串联，由4 台省煤器组成 一个径向热管省煤器系统。 五段出口气体 四段出口气体 3 6 C3 5 0 鹅= 了8 = 王虹 大型硫酸装置中热管省煤器设备的研发应用 1 11 表1径向热管省煤器基本参数 注：1 省煤器A 为混合式( 热管+ 翅
11、片管) ，省煤器B 为全热管式。 2 省煤器A 换热管根数括号外为热管数目，括号内为翅片管数目。 6 结论 a 通过试验和研究已证实径向热管作为传 热管具有良好的等温性、功率传输性能和较高的 传热极限。 b 用径向热管组装成的径向热管省煤器具 有许多优点，能有效提高管壁温度，尤其适用于硫 磺制酸系统。 c 根据硫磺制酸的工艺流程，设计出由多台 径向热管省煤器组合而成径向热管省煤器系统， 具有良好的运行稳定性和可靠性，能有效地控制 低温腐蚀。 d 通过对已运行的径向热管省煤器的现场 运行数据的测试，证实所研制的径向热管省煤器 的实测值与设计值基本一致，说明现行设计方法 是可靠可信的。 e 径向热管省煤器已在全国硫磺制酸装置 中获得广泛的应用，运行可靠并具有明显的经济 效益，值得进一步推广使用。 径向热管省煤器是江苏科圣热能设备工 程有限公司专利产品。专利号：Z L0 0 21 9 4 3 6 8 。 参考文献( 略)
