应用热管壁温调节技术解决空预器堵灰、磨损、腐蚀问题

1、前言

现有工业锅炉均使用生产厂家原配的钢管空气预热器，运行中发现在管子下部出口及四角烟气流速较小的管子中都存在严重的堵灰现象，积灰较硬，极难清除，而且具有腐蚀性，锅炉出现正压燃烧现象，排烟温度上升，导致锅炉效率下降。这给空预器的维护、管理工作带来了很多问题，为解决这一问题，我们采用了当今先进的热管技术对空预器进行了改造，彻底解决了这一问题。

2、常规管式空预器的问题

管式空预器中的烟气和空气的换热是由烟气在管内，空气在管外通过一个壁面直接进行的。就传热机理而言，烟气以强制对流方式把热量传给间壁内表面，再通过管壁以导热方式把热量传至外表面，接着有空气流对管外壁的强制对流换热使空气得到热量。在该传热过程中管壁导热热阻与其它环节热阻相比很小，可以忽略不计。根据热路分析方法，在空气预热器正常运行（稳定工况）时，该过程传递的热量可由下式表达：

Q=（Tg-Tw）/Rg=（Tw-Ta）/Ra（1）

由（1）式解得：

Tw=（TgRa+TaRg）/（Ra+Rg）（2）

式中Tw、Tg、Ta—分别为管壁、烟气、空气的平均温度，℃；Rg、Ra—分别为烟气、空气对管壁的对流换热热阻，℃/W。

对于（2）式，当Rg=Ra时，可得：

Tw=1/2（Tg+Ta）（3）

（3）式表明，若管式空预器烟气侧与空气侧的对流换热热阻相待（或相近），则空预器壁温将为烟气流与空气流温度的平均值（或相近值），这是设计所希望的情况，只有新设计的空预器或许有可能办到。当空预器投运后，烟侧壁面将积灰垢，并且不断增厚。灰垢层的传热性能极差，将使烟侧换热阻力急剧增大，使之达到：

>>Ra（4）

此时，传热总热阻（+Ra）增大，（2）式中Tg[Ra/（+Ra）]份额将减至最小，使壁温接近于空气温度，即：

Tw≈Ta（5）

空预器空气的入口温度一般都很低（约为20℃左右），将使壁温低于烟气的水露点（一般为25～60℃），此时，烟气中的水蒸汽将附于受热面壁面结露，即受热面被水润湿，烟气中的硫酸蒸汽结露附于壁上，其它腐蚀性气体也均溶于水构成腐蚀性酸附于壁上，导致受热面的腐蚀速度剧增。烟气中的灰尘也沾于壁上结成灰垢。此种灰垢干后变硬难以除掉，不仅影响受热面的传热效果，而且堵塞烟气流道，使烟侧流阻剧增。再加上流道堵塞是无规律的，某些部分堵塞程度较轻，某些较重，烟气流量不变，将使堵塞较轻受热面的流速增大，这就加剧了该部分受热面的磨损、腐蚀、堵塞三大问题相伴出现，使锅炉的尾部受热面遭受损害，严重影响设备安全及锅炉出力。

此外，管式空预器的烟侧阻力设计值较低，但由于结露腐蚀的同时发生积灰，且由于烟气在管内纵向流动，扰动性不强，故实际运行阻力大幅度上升，而设计值只有350Pa.如某厂锅炉改造前测得烟侧阻力高达700Pa，因此，一旦积灰严重，加上空气经由破损的管子进入烟道，锅炉即出现正压燃烧且日趋严重，导致锅炉出力越来越低。

从以上分析可知，如果采取措施，能使最低金属壁温显著提高，就可基本避免以上问题的发生，从传热原理分析，管式空预器主要包含了烟气、空气两个对流换热过程，对于对流换热热阻，其中包含了两个方面的影响因素，即换热系数α，换热面积F，其关系为：

R=1/αF（6）

Rg=1/Fi；=1/；Ra=1/（7）

=ξ（8）

=nπDiL；=nπDoL（9）

以上式中：、—分别为烟气侧未结灰垢和已结灰垢时的对流换热系数，W/（㎡℃）；—空气侧对流换热系数，W/（㎡℃）；ξ—烟侧换热面的灰垢系数；n—管式换热器换热管数；i、Do—换热管内外直径，m；L—换热管长度，m

从（7）式可以看出，对流换热系数α受流体流动、物性、壁面几何状况等多种因素影响，在锅炉运行条件确定后一般变化不大，是烟气对流换热面积，烟气走管内，即为换热管束的管内侧表面，管内空间狭小，加工不便，不可能采用人工方法（例如增加翅片）来使内表面积扩展，即不能用增大换热表面来减小换热阻力以增高受热面壁温Tw，因此，这种列管式空预器不能从设计上调节，提高壁温，即从其结构原理上便不能妥善处理低温烟气的腐蚀、堵灰和磨损问题，所以其使用寿命短。

3、热管空预器的壁温调节技术

热管空预器的结构原理与列管式空预器完全不同，它是热管元件的组装体，利用热管元件的特性把列管式空预器传统的烟气管内流动转化为管外横掠换热，烟气在管外，空气也在管外通过一个壁面分别经上、下两段间接进行换热，其下段的烟气铡放热和上段的空气侧吸热均为管内介质利用相变（沸腾、冷凝）完成的。它的最低金属壁温可设计成趋近于热侧流体的温度，且热管两端具有优良的等温性能，测试资料表明，热管冷热两端的壁温之差运行时不超过5℃。

据热管传热计算可知，其内阻份额仅在总热阻10%的范围内，因此，在以下分析中忽略热管内阻不会引起大的误差。

当热管元件正常工作时，其加热段、冷却段有如下的热量平衡式：

Q=（Th-Tp）/Rh=（Tp-To）/Rc（10）

则Tp=（ThRc+TcRh）/（Rh+Rc）（11）

式中Th、Tc—热源（烟气）及冷源（空气）的温度，℃；Tp—热管元件管壁平均温度，℃；Rh、Rc—加热段、冷却段的热阻，℃/W.

由式（11）可知，热管壁温除与热、冷源温度相关外，还与加热段、冷却段的外阻紧密相关，若：

RcRh，Tp>1/2（Th+Tc）；（14）

即当热管加热、冷却两段热阻相等时，热管工作在热、冷源的平均温度上；当冷却段热阻大于加热段热阻时，热管平均壁温将高于热、冷源的平均温度。

对于热管空预器，烟气与空气对热管元件的换热均为管外横掠强制对流换热，为了弥补烟气、空气换热强度小的弱点，热管元件的加热、冷却两段均加装翅片以增大换热面积，减小对流热阻，按对流热阻的定义，热管加热段热阻Rh、冷却段热阻Rc的表达式为：

=1/=1/hπ（15）

=1/=1/Cπ（16）

式中，、—热管元件与热源（烟气）、冷源（空气）的对流换热系数；W/（㎡℃）；、—加热、冷却段的灰垢系数，若空气清洁可取=1；、—加热、冷却两段换热壁面的翅化面总效率；、—加热段、冷却段长度，m；—热管元件基管外直径，m。

在设计热管空预器时，我们可以按需要调节烟气侧热阻和空气侧热阻的相对大小，以使热管元件具有较高的壁温，根据（15）、（16）式来调节热阻，由于烟气、空气的热物性相近，在流速差异不大时，换热系数、的数量级接近，不可能产生较大变化，欲调两段热阻一般从换热面积入手。在此，与换热面积相关的因素有β、L、，其中最关键的因素为β、L，在设计时可用这种手段，从而获得较高壁温，使之高于烟气的水露点，甚至酸露点，使受热面免于或减小含硫烟气的酸腐蚀。当烟尘落于具较高温度的壁面时，不结硬灰垢，呈疏松状态，可随烟气流进入除尘器，也可用其它简单方式除去。