热管技术在有色金属冶炼烟气余热回收中的应用
一、热管技术原理
热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过密闭真空管壳内工作介质的相变潜热来传递热量，其导热性能是金属铜、银的数千倍。因此，它具有传热能力大，传热效率高等特点。在冶金、石化、建材等高耗能行业中主要采用经济的水 - 碳钢重力热管作为高效传热元件，重力热管又可分为轴向传热重力热管和径向传热重力热管。
轴向重力热管如图 1 所示，在密闭的管壳内先抽成一定的负压，在此状态下管内充入适量工质，在热管的下部蒸发段（也称吸热段），工质吸收高温流体的热量汽化为蒸汽，在微小的压差下，上升到热管上部冷凝段（也称放热段），凝结换热并向外界放出热量加热管外低温流体，此时，管内工质凝结为液体，在重力的作用下，沿热管内壁返回到蒸发段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断地将热量由下部传向上部。由于是相变传热，因此热管内热阻很小，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点。热管传热元件，可以单根使用，也可以组合使用，根据现场的条件，配以相应的流通结构组合成多种形式，达到高效传热的目的。
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图1 轴向重力热管
径向重力热管如图 2 所示，一种以径向方向传热为主的相变传热元件，它由内管、外管、端盖和充装的工质构成，内、外管呈水平布置，其内管、外管和端盖之间构成一个密闭的环状间隙空腔，腔内充装一定量的工质并形成一定的真空度。当热流体流经外管外，间隙腔内的工质受热后蒸发汽化，蒸汽沿径向流动至内管外壁面凝结放出热量，来加热内管内流经的冷流体，而内管外壁上的蒸汽凝液，依靠重力回流到间隙空腔下部再次吸收热量，如此通过工质的蒸发与凝结不断将外管外的热量传向内管内。为加大内、外管环状间隙内工质蒸汽在内管外表上的凝结换热面积，将内管由中心位置向上偏离一定的距离，形成径向偏心结构形式，进一步提高传热效率。该结构特别适用于制酸余热锅炉系统的省煤器，含有腐蚀性的烟气从外管外流经，锅炉给水流经内管内被加热，即使出现外管被腐蚀、磨损，内管内的水也不会与烟气发生窜漏，提高了设备运行的可靠性。
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图2 径向重力热管
二、热管余热锅炉及热管余热回收器
1、热管余热锅炉
为充分利用烟气热量，提高余热利用率，来自不同工段的烟气温度较高部分用于产中压蒸汽，低温部分用于产低压蒸汽或加热锅炉给水。余热锅炉系统装备主要采用热管式余热锅炉，热管式余热回收器（热管省煤器），其独特的结构形式和相变传热方式提高了在腐蚀性气体中系统运行的可靠性。
1.1 热管蒸发器原理与结构
热管式蒸汽发生器是由若干热管元件组合而成，其结构形式通常有整体式和分离套管式两种，图 3(a)为热管蒸发段置于热流体通道，冷凝段直接置于汽包内，中间由管板（亦称中孔板）隔开的整体式结构形式，综合考虑结构件的承压能力，该结构形式作为产低压蒸汽用装置，所产蒸汽压力一般小于 0.8MPa。随着对所产蒸汽压力要求的提高，热管冷凝段可设计成分离套管形式，图 3(b)。分离套管结构如图 4，采用轴向热管的蒸发段放置在高温烟道内，冷凝段放置在套管内，套管通过蒸汽上升管、液体下降管与汽包相连，在具有一定的位差条件下构成水汽的自然循环，无需外加动力。
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图3 热管蒸汽发生器
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图4 热管产汽结构示意图
当高温烟气通过烟道横掠热管加热段外壁时，热管内部工质吸收热量开始蒸发并迅速到达热管冷凝段凝结放热，加热套管中的水并汽化，形成汽水混合物，通过上升管进入汽包后进行汽水分离，产生饱和蒸汽，套管中的水由汽包给水通过下降管补充。根据现场布置条件，热管可以采用立式或斜置式布置方式，在斜置式中热管倾角与水平方向夹角宜≥ 12°，对于含尘量高的烟气首选垂直烟道热管斜置式。这里热管的蒸发段与冷凝段套管中气—汽（水）完全隔离，相互独立，互不影响，即使热管蒸发段在高温烟气中腐蚀泄漏，其冷凝段套管与汽包中水—汽也不会进入烟道而造成事故。热管蒸汽发生器最大特点是，安全可靠。热管元件的破损，不影响蒸汽系统的循环，无需为此停车检修。
1.2 模块化布置
针对烟气含有腐蚀性介质的特点，热管余热锅炉采用了多单元模块式的灵活布置方式，如图 5，高温烟气依次进入模块式热管锅炉。
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图5 模块式热管余热锅炉
（1）对于含尘烟气，热管余热锅炉宜采用斜置式布置，烟气从上而下流经换热管，烟气流向与烟尘下落方向一致。
（2）在结构上沿烟气流向锅炉蒸发管排迎风面采用变截面形式，即调整每个换热单元模块的流通截面积，控制烟气的工况流速范围，使烟尘随气流携带，而不易沉积在换热管表面。
（3）每根热管独立存在于系统中，热管的加热段与冷凝段分别置于烟道和套管中，并形成有效隔离，即使单根热管损坏也不影响整体运行。
（4）热管处于中间固定，高温端有支撑无约束结构，从结构上解决了由温差引起的应力。
（5）热管加热段可缠绕翅片以拓展传热面积，对于在高含尘烟气中的应用，一般需要加大翅片螺距，降低翅片高度，同时控制气体流速，以防积灰、灰堵与磨损。
1.3 热管工作温度与材料
热管内部的传热是一个复杂的过程，包含了气液两相的流动及蒸发、对流、热传导现象，其中有工质的池沸腾传热、液膜蒸发、冷凝段的膜状冷凝以及管内工质的往复脉动引起的热量传递等。因此，对热管的设计主要参数的选择与计算尤为重要。
由若干支热管所组成的产汽设备，热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递， 对于高温烟气部分还要考虑其辐射换热量。综合考虑管内、管外传热以及热管在含 S、含尘烟气中的结构参数，采用 HPE/V1.0 热管换热器设计校核系统软件进行设计计算，可以得到换热器中每排热管的极限传热量、实际传热量、管内蒸汽温度、管壁温度、流体流经每排管的温度与压力降等。
热管的工作温度取决于换热系数大的一侧流体温度，通过调整热管蒸发段与冷凝段的传热面积，控制单根热管的传输功率，调节热管管内蒸汽温度，控制热管管壁温度，具体措施为：相对减少蒸发段的换热面积采用光管或大螺距翅片管，缩短蒸发段长度，减少热流密度；同时增加冷凝段传热面积，即加长冷凝段长度和套管长度，达到控制热管管内蒸汽温度，从而控制管壁温度，在此每根热管的传热量必须小于其所处位置的极限传热量，满足热管正常运行，对于含S 烟气，通过计算其酸露点温度，同样可采用调整热管内工质蒸汽温度的方法控制管壁温度在露点以上。图 6 为一套烟气进口 1000℃，产蒸汽压力 2.5MPa 的热管余热锅炉中各模块内每排热管的传热量、极限传热量、管内蒸汽温度、管壁温度等曲线图，每排热管对应的管内工质蒸汽温度均在 280℃以下，管壁温度均在 300℃以下，热管工作介质可以经济地采用去离子水，管材选用 20# 锅炉钢管，根据图 6 中每排热管内工质的蒸汽温度可得到所对应的饱和蒸汽压力来进行强度计算，热管在高温烟道内的一端为自由段，不受任何约束，而在热管冷凝段，其产汽套管与热管间采用焊接，结构复杂，需要采用有限元分析法对此局部结构进行应力分析与应力强度评定。
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图6 热管性能曲线
2、热管余热回收器（热管省煤器）
径向热管余热回收器（热管省煤器）是由若干根水平径向偏心热管元件组成，如图 7 径向热管水平置于炉气风道内，热风由下而上掠过外管，锅炉给水走内管内。由于径向热管的独特结构使得给水加热系统完全和热源分离，给水加热不受烟气的直接冲刷。
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图7 径向偏心热管余热回收器示意图
（1）由于采用水平径向偏心热管作为传热元件，并在其外管外侧采用高频焊螺旋翅片来强化传热，因而整套装置传热效率高，设备紧凑，占据空间较小。
（2）水平径向偏心热管具有很高的等温性能，不凝性气体对其影响极小，其传热性能相对较好。
（3）热量由烟气传输到水，完全由水平偏心热管元件完成，水被间接加热，烟气与水完全隔开，即使外管被腐蚀，也不会出现烟气与水窜流。
（4）系统中换热元件相对独立，单根或数根损坏不影响系统的运行。
（5）水侧的焊接点均在省煤器壳体外侧，不与烟气接触，大大提高了设备运行的可靠性，即使焊接点出现泄漏，维修也较方便。
（6）操作简单、工作可靠，整个系统的热量输送过程不需要任何外界动力，故障率低，效率高。
三、应用举例
在冶炼烟气工艺中各转化和吸收工序的余热根据现场条件及能源的综合利用，均可设置轴向水 -碳钢热管式余热锅炉和径向水碳钢热管余热回收器（热管省煤器），达到低成本余热回收与可靠利用。在图 8~10 中为我公司近年来在铜、铝等有色冶炼烟气中所采用的热管式余热锅炉和余热回收器的现场部分图片，根据用户的要求，余热锅炉的产汽压力在 0.8~1.6MPa，产汽量达到各自的设计要求，设备运行稳定。
