详解热管技术在工业余热回收中的应用
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上海宣锋实业集团有限公司（宣锋节能）是一家专注于节能环保设备研发、制造和销售的公司，致力于为社会提供高效、环保的节能设备。
公司成立于2013年，主营压力容器、超导热管、余热锅炉、余热回收设备、工业窑炉节能设备、空压机节能设备的研发、制造；锅炉安装、销售；工业节能改造工程、水暖、电安装工程、环保工程施工；节能环保技术领域的技术开发、技术服务；合同能源管理等。
宣丰能源拥有一批专业的管理和技术人才，不断进行技术创新，提高服务质量，开发多领域应用的产品，为客户创造更大的经济效益，为社会节省大量能源，保护环境。
1. 概述
节能环保是当今全球关注的重要问题，节约能源、提高能源利用率在国家规划纲要中被列为基本国策，节能对企业最直接的好处就是节约成本，提高经济效益，增强市场竞争力。
余热资源无处不在，尤其在钢铁、化工、石油、建材、轻工、食品等行业的生产过程中，余热资源更是随处可见。但由于我国工业装备落后，能源利用率低，生产中产生大量的余热资源，直接排放既浪费能源，又污染环境。余热回收就是将余热能源再利用，提高能源利用率，降低生产成本，保护环境。因此，充分利用余热资源是企业节能的主要内容之一。
2.工业余热
2.1工业余热的定义
按照-2000年，以环境温度为基准，被研究系统排出的热载体所释放的热量称为废热。也就是说，废热是指可以利用但未被利用的热能。
2.2 余热的分类
2.2.1工业余热供暖主要热源有：
①各种工艺设备排出的高温烟气。例如冶金炉、加热炉、工业窑炉、燃料气化装置等，都有大量的高温烟气排出，通常将高温烟气引入余热锅炉，产生蒸汽后送往锅炉。余热锅炉又分为火管锅炉、自然循环和强制循环水管锅炉。由于余热锅炉前的燃烧设备工况不稳定，烟气中含尘量较高，要求锅炉的金属材料对热负荷或烟气温度的突变有很好的适应性，能经受含尘烟气的冲刷和腐蚀。余热利用的经济性通常随烟气量的增加而提高，即使起始温度很高，也未必经济合理。
②工艺设备冷却水。中国一些钢铁企业利用焦化厂一次冷却循环水的余热，进行大面积集中供热，取得了良好的效果。冷却水经冷却后加热到50～55℃，作为热网循环水使用。如鞍山、本溪等城市利用此余热供热的建筑面积已超过120万平方米。
2.2.2余热利用潜力巨大，在当前节能减排中发挥着重要作用。具体有以下几类：
余热资源按来源可分为六类：
1.高温烟气余热
2.高温产物及炉渣产生的余热
3、冷却介质废热
4、可燃废气、废液、废料产生的余热
5.废蒸汽、废水产生的废热
6. 化学反应产生的废热
2.2.3 余热资源按其温度可分为三类：
1、高温余热（温度高于500℃的余热资源）
2、中温余热（温度为200-500℃的余热资源）
3、低温余热（烟气温度低于200℃、液体温度低于100℃）
2.2.4 余热资源按行业可分为以下几类：
2.3 余热回收应用
2.3.1工业余热加热在回收利用中的应用：
据调查，各行业总余热资源约占其燃料总消耗量的17%-67%，而可回收利用的余热资源约占总余热资源的60%。余热回收的方式多种多样，但一般分为热回收（直接利用热能）和电能回收（转换成动力或电能再利用）两大类。回收余热时，首先要考虑的是回收的余热必须是有用的、经济可行的，比如为了回收余热，设备投资很大，而回收后的利润又不大，那就得不偿失了。余热回收的原则是：
1、对排出高温烟气的各种热力设备，应先将余热供设备或系统利用，如预热助燃空气、预热燃料等，提高设备的热效率，降低燃料消耗。
2、当余热、废能无法回收用于设备本身加热，或使用后仍有一部分可回收时，应用来生产蒸汽或热水，以及生产电力等。
3、根据余热类型、排放条件、介质温度、数量、利用可能性，进行企业综合热效率和经济可行性分析，确定余热回收设备的类型和规模。
4.对必须回收余热的冷凝水、高低温液体、固体高温物体、可燃物以及有余压的气体和液体的温度、数量和范围制定具体的管理标准。
2.3.2 余热回收利用方式：
1、一般来说，余热综合利用最好；其次是直接利用；第三是间接利用（产生蒸汽发电）。
2、余热蒸汽的合理利用顺序为：电力与供热联合利用；发电与供热联合利用；生产过程利用；生活利用；冷凝发电利用。
3、余热热水的合理利用顺序为：全年生产工艺使用；返回锅炉发电使用；生活使用。
4、余热空气的合理利用顺序为：生产；暖通空调；电力；发电。
2.3.3余热回收技术及回收方法：
1、分离热管余热回收技术；
2、整体热管余热回收技术；
3、余热回收方法：余热回收的不同设计和方法可以带来完全不同的结果，即回收的余热或蒸汽的量是完全不同的。
2.3.4应用示例：
1.城市供热
利用工业设备废热作为热源的城市集中供热方式。大部分耗能设备，如原动机、加热炉等，只利用了一小部分热能。供热可以节约一次能源，提高经济效益，减少污染。
高炉冲渣水、浸渣水等工业余热近年来也开始用于城市供热。高炉炉渣是炼铁过程的产物，可采用炉前水力冲渣或渣罐浸渣的方法进行处理。冲渣水或浸渣水吸热后，可作为循环水用于供暖。例如北京石景山钢铁厂就为约50万平方米的建筑提供了这种工业余热蒸汽锻锤，余蒸汽是小型集中供热系统的一种热源，一般用于满足工厂和居民区的供暖需要。这种余蒸汽的量波动很大，必要时可采用蓄热器进行负荷调节。
2、工业加热：
工业生产过程排出的余热一般波动较大，且与热负荷的波动不同步，因此在回收利用工业余热时，往往需要通过蓄热来平衡波动。蓄热方式有多种，但由于具体条件的要求和限制，往往需要对样机进行改进，以获得可靠、经济的结构。冷热水交换蓄热装置经研究改进，在余热高峰时将余热回收系统中的95℃热水储存起来，当余热输出小于热量需求时，将储存的热水取出填补缺口。采暖季热负荷为住宅供暖，非采暖季为吸收式制冷所需热源。
3.热管技术在余热回收中的应用
3.1热管简介：
热管是一种具有极高热导率的新型传热元件，热管起源于20世纪60年代的美国，1967年首次将不锈钢—水热管送入地球卫星轨道并运行成功，热管理理论一经提出就受到各国科学家的高度重视，开展了大量的研究工作，使得热管技术得到了迅速的发展，热管技术主要应用于航空航天领域，我国在20世纪70年代开始对热管进行研究。 20世纪80年代以来，各种热管产品相继问世，有热管气-气换热器、热管气-水换热器、热管余热锅炉、热管蒸汽发生器、热管热风炉等，使得热管在建材工业、冶金工业、化学工业等部门得到了广泛的应用，在石油化工、电力工程、纺织工业、玻璃工业、电子电气工程等领域得到广泛应用。热管是余热回收装置的主要导热元件，与普通的热交换器有着本质的区别。
热管余热回收装置的热交换效率可达98%以上，是普通热交换器无法比拟的。
3.2热管的工作原理：
3.2.1热管的组成及分类
热管由管壳、液芯和端盖组成。管内抽真空至负压1.3×(10-1～10-4)Pa后注入适量的工作液体，使紧贴管内壁的液芯上能有多孔材料充满液体后密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要，两段之间可设保温段。热管是一种利用温度变化来传递热量的传热元件，具有非凡的热活性和热敏感性，遇热吸热，遇冷放热。热管为铝(轧)翅片管，内壁开有凹槽，两端密封，经清洗、抽高真空后注入最佳液态工作液。根据注入液体工质的成分及比例不同，可分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。
热管作为超导高效传热元件，利用全封闭真空管内部工作流体的连续相变完成热量的连续传递，自身不发热，具有导热系数高、等温性能好，两侧传热面积可任意改变等特点。
3.2.2热管工作原理：
热管利用驱动流体（加热端）的相变，将热量立即传递至另一端（冷却端），再利用毛细结构将热量从冷却端拉回到加热端，实现连续的传热。
热管蒸发段中的工质受热后会沸腾或蒸发，吸收外界热源的热量，产生汽化潜热，由液体变成蒸汽，产生的蒸汽在管内一定压差作用下流向冷凝段，蒸汽遇到冷壁及外界冷源冷凝为液体，同时释放出汽化潜热，并通过管壁传递给外界冷源，冷凝后的液体在重力（或吸液芯）作用下流回蒸发段，再次蒸发，如此往复过程，实现了外部冷、热两种介质之间的热量传递与交换。
带翅片的热管：
3.3热管换热的理论基础：
传热的基本方式有三种，热管换热设计考虑了其中两种，即热传导和对流。对流传热又分为有相变的传热和无相变的传热。下面主要介绍蒸汽冷凝传热当蒸汽处于低于饱和温度的环境中时，就会产生冷凝现象。蒸汽冷凝主要有两种类型：膜状冷凝和珠状冷凝：
3.4 热管的基本特性
1、超强导热性：导热速度快、强度高、效率高，导热速度可达音速。
2、等温性能好：良好的等温性能使得热管在较小的温差下，能够以较小的传热热阻传递较大的热流密度。
3、热流密度可变性：热管可以独立地改变蒸发段或者冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以用较大的传热面积输入热量而以较小的冷却面积输出热量。
4、安全可靠：管内不存在过压，无干烧之忧，液态工质汽化后，热管内部压力不会随温度的变化而变化。
5、环境适应性：不受环境限制，可根据环境的需要对热管进行单独设计。
6、应用领域广泛。超导热管形状灵活性更大，应用领域更广泛，能适应各种恶劣的工作环境。
4.热管换热器
4.1 热管换热器
热管换热器是利用热管导热能力高、传热能力大的特点，以多根热管作为中间传热元件，实现冷、热流体热交换的装置。在框架壳体内，用中间隔板将热管的加热段与散热段隔开，构成热管换热器。根据热流体的状态，热管换热器可分为气-气型、气-液型、气-汽型。从热管换热器结构上看，热管换热器可分为整体式、分离式、旋转式和组合式。
1.整体式热管换热器
热管换热器的典型结构如图所示，热管在换热器内平行交错排列，每根热管被中间的隔板分成两部分，一部分接在热流体通道上，为热管的蒸发段；另一部分接在冷流体通道上，为冷凝段。冷、热流体在热管外均作水平流动，热量通过热管作轴向传递，将热量从热流体传递给冷流体。
根据热管换热器的传热特点，它最适合用于气体与气体之间的换热，由于它可在冷热段均加翅片，扩大传热面积，在管基基础上大大提高传热效果；也可用作气液换热器，此时只需在烟气侧加翅片即可强化传热，而热管换热器在液体与液体之间的换热则不能充分发挥其优势。
下图是空气-液体热管换热器的示意图，它的一个重要特点就是当空气侧的热管管壁损坏时，水侧的水不会漏到空气侧，增加了设备的可靠性。
下图为热管余热锅炉的两种结构型式，冷侧一般为增压锅筒（或接在锅筒系统上），目前热管余热锅炉产生的蒸汽压力可达12MPa，进入余热锅炉的烟气温度最高可达1100℃。热管余热锅炉最大的特点是结构紧凑、体积小、安全可靠，与一般烟管余热锅炉相比，其质量只有其1/3-1/5，外形尺寸只有烟管余热锅炉的1/2-1/3，烟气经过余热锅炉的压力损失一般为20-60Pa，因此引风机的耗电量也很小，热管元件的损坏不影响蒸汽系统，可循环使用，无需停机检修。
2.分离式热管换热器
如图所示，分离式热管换热器的蒸发段与冷凝段相互分离，二者通过蒸汽上升管和冷凝水下降管相通形成循环回路，循环动力为下降管系统（含冷凝段）与上升管系统（含蒸发段）中工质的密度差，即不需要外加动力，但存在一个最小高度差Hmin，冷凝段与蒸发段之间的高度差必须大于Hmin。分离式热管换热器具有常规换热器所不具备的一些特点：蒸发段与冷凝段可根据现场实际情况灵活布置；一种热流体可以同时加热两种不同的冷流体（例如图中所示的空气和气体）。如图所示，在分离式热管换热器中，通过改变蒸汽上升管和凝结水下降管的连接顺序，可以调节管排内蒸汽温度。避免因管内温度过高造成高温侧压力过大而引起的安全问题，以及因低温侧温度过低而引起的露点腐蚀问题。
3.旋转热管换热器
这种类型的热交换器有两个显著的优点：首先，它利用旋转的离心力来实现工作液体的循环，同时旋转使气流发生搅拌，强化传热，对于含尘较多的气体更为有效。这种类型的热交换器还兼有鼓风机的功能。但是，增加旋转机构使得结构复杂化，同时也增加了功耗。旋转热管热交换器可分为离心式、轴流式和涡旋式，如下图所示。
4.组合式热管换热器
整体式热管换热器是由同种类型的热管组成，组合式热管换热器根据换热器内不同的温度范围，选用最适合该温度范围内工作的热管。
4.2热管换热器在工业余热中的应用
根据热管两端冷热流体的不同，可以选择气-气热管换热器、气-液热管换热器、气-蒸汽热管换热器、液-液热管换热器。下面举两个例子：
1、XFRG-B热管余热回收装置（气-水）
XFRG-B热管余热回收装置是燃煤、燃油、燃气锅炉的专用设备，安装于锅炉烟气出口处，回收烟气的余热来加热生活用水或锅炉水，其结构如图所示：下部为烟道，上部为水箱，中间有隔板，上方有安全阀、压力表、温度表接口，水箱有进出水口、排污口。工作时，烟气流经热管余热回收装置烟道对热管下端进行冲洗，热管吸收热量后，将热量传递给热管，热管通向上端，在此处释放热量对水进行加热。为防止堵灰、腐蚀，余热回收装置出口烟气温度一般控制在露点以上，即燃油、燃煤锅炉排烟温度≮130℃，燃气锅炉排烟温度≮100℃，节省燃料4-18%。
2、XFRG-A型热管余热回收装置（气-气）
XFRG-A型热管余热回收装置是燃油、煤、气锅炉专用设备，安装于锅炉烟气出口或烟道内，回收烟气余热，加热空气，热空气可作为锅炉助燃剂和干燥物料，其结构如图所示：四周管箱，中间隔板将两侧通道隔开，热管为全翅片管，可更换单根热管。工作时，高温烟气从左通道向上流动冲洗热管，此时热管吸热，烟气放出温度下降，热管吸收热量并引至右端，冷空气从右通道反向向下冲洗热管，此时热管放热，空气吸热温度升高，余热回收装置出口烟气温度不低于露点。
4.3热管余热回收装置性能特点：
热管是一种传热性能较高的传热元件，它在密闭真空管内通过液体的相变来传递热量，内部热阻较小，等温性能好，具体表现在：
1.热管传热效率高、体积小
热管除靠相变传热外，在传热流体两侧设有肋片，起到强化传热的作用，在同样的热负荷下，可减少管子数量，扩大流通面积，降低流量，大大减少磨损，从而提高换热器的使用寿命。热管换热器的冷热流体为纯逆流方式排列，烟气和空气流动均匀，传输室传热系数高，体积小，重量轻，布置方便。
2.热管换热器耐腐蚀性能好
由于传热是利用管内液体的相变进行，壁温高，等温性能好，设计时尽量使管壁温度远离烟气露点温度，烟气冲刷热管时不会产生结露现象，烟气中的硫也不会溢出，而是随烟气排出，因此热管、管箱及管道不会受到腐蚀。
3.热管换热器防尘、防堵塞能力强
由于避开了烟气露点，灰尘不易粘附在翅片和管壁上，设计时调整烟气与空气侧通道的比例，调节流量，有利于自清洁，同时热管在传导热量时会产生自清洁，振动使灰渣不易粘附在管壁和翅片上，从而防止堵灰。
4.使用寿命长
热管余热回收装置的使用寿命长达十年以上，单根热管发生故障不会影响余热回收装置的运行，而且热管可以拆卸更换。
以上优点是普通管壳式换热器无法比拟的，因此它的使用寿命一般是普通换热器的三倍。
4.4热管余热回收装置应用领域：
1、在化工、石化工业中的应用：
小型合成氨上下游煤气余热回收、中型合成氨上下游煤气余热回收、合成氨鼓风气燃烧余热回收、合成氨一段重整炉烟气余热回收、30万吨/年合成氨二段重整炉余热回收。
2、在硫酸工业中的应用：
2.1用于硫酸生产的流化床焙烧炉流化床余热回收；某年产10万吨硫酸的装置，可回收5.5万吨蒸汽；
2.2回收沸腾的SO2高温炉气余热，一个年产10万吨硫酸的工厂，可回收蒸汽10.5万吨，可发电约600万元；
3、在盐酸、硝酸炉中的应用：基本同上
4、在石油化工工业中的应用：
4.1烃类热解炉余热回收；
4.2乙苯脱氢反应器余热回收；
4.3环己醇脱氢化学反应器余热回收；
4.4催化、裂解再生热收集器的废热回收；
4.5其他加热炉的余热回收；
5、在建材工业中的应用：
5.1高岭土喷雾干燥热风炉余热回收；
5.2玻璃熔窑余热回收；
5.3水泥窑余热回收；
5.4各类陶瓷下燃炉、隧道窑的余热回收；
6、在冶金工业中的应用：
6.1轧钢连续加热炉、均热炉余热回收；
6.2 毛坯加热炉余热回收；
6.3线材退火炉余热回收；
6.4烧结机余热回收；以180m2烧结机为例，可回收蒸汽量为10-22t/h；
7.电力系统中的应用
7.1从最终的低温烟气锅炉的最终低温烟气中回收废热；
7.2气体（天然气，天然气，沼气）和石油发电机套件中的废气回收。
5.热管技术的开发和现有问题
5.1热管技术的开发
自1970年代以来，热管技术迅速发展。 ，然后于1981年在英国。这些会议于1984年在伦敦举行，1987年在日本举行，1990年在法国的格林贝尔特（）在1992年在前苏联的明斯克（Minsk），1995年在中国，在1995年在中国的北京，1997年在美国的新墨西哥州，在1999年在德国，在1999年在德国和日本进行了1999年的热量。此外，中国和日本于1985年至1994年举行了四个双边和多边热管技术研讨会。1996年在澳大利亚墨尔本举行的多边会议正式发展为国际热管技术研讨会。
自1970年代以来，我的国家已经开发了热管的传热性能及其在冷却的电子设备和航天器中的应用，因为我的国家是一个相对较低的综合能量，自1980年代初期，它一直在开发热量量的热量量。 ，高温热管发电机和高位置热气炉。两阶段的热液具有简单的结构，低廉的价格，易于促进，并且可以在碳钢和钢铁中兼容的基本解决方案。举行了会议。
5.2热管技术的问题和对策
5.2.1热管兼容性问题和对策
壳体和工作液之间的化学兼容性问题。
1.碳钢管的高温蒸汽表面钝化。
该方法的目的是净化管壁并形成一个密集的蓝色Fe3O4钝化层，这是一种具有出色稳定性的保护膜。
2.碳钢管的化学液体钝化。
该方法使用氧化化学试剂在管壁上形成Fe3O4钝化层，钝化溶液主要使用二色含量。
3.在工作液中添加腐蚀抑制剂。
在工作流体中添加腐蚀剂的目的是在管壁表面上产生更均匀的Fe3O4钝化层，通常在化学腐蚀剂中使用腐蚀性，并在腐蚀剂中使用腐蚀性。对管墙的影响是在工作流体中增加1％至3％的二核酸钾。
4.排放方法和渗透方法。
发射方法是在加热管的冷凝端安装排气门，并在必要时打开阀门以排放累积的氢；
5.氧化脱氢法。
根据化学理论，铜，镍，锌，钴和其他元素的氧化物可以降低氢的氧化物。
目前，已成功开发出一种新型的高效率复合氧化脱氢技术，并将其投入到工业应用中，这可以在室温下迅速脱氢。
由于化学钝化膜是不稳定的，因此发射方法和渗透方法不容易操作，并且高温蒸汽钝化需要对现场和设备进行大量投资，因此，更好的热管寿命扩展方法应该是化学钝化，腐蚀抑制剂和氧化脱氢作用。
5.2.2热管及其对策的灰尘积累问题
在热量恢复设备中，灰尘堆积是一个常见的问题，应引起尘埃堆积问题，以防止和减少灰尘积累的对策。
1.根据流体的灰尘含量，合理地选择了热交换设备的结构形式及其传热元件，主要是合理选择热管的外部鳍片结构。
在管子的外部使用热量的热量，这些鳍的肋骨是刺激的，这些鳍大多是刺伤的。目前首选以下两个结构：
（1）轴对称单行纵向直肋鳍；
（2）指甲管作为热交换设备的传热元件，通常在粘合剂灰尘积累区域中使用，例如使用高硫油作为燃料，而无需灰尘。
热交换器中的流体速度是一个重要的设计参数，它会影响热交换器的热传递，磨损和自我清洁能力，而热管热交换器的设计大多采用相等的质量流速方法。 ID在插座上显着下降。
为了解决此问题，可以使用相等的质量流量流量方法来代替相等的质量流速方法，如果要保持恒温，则可以更改热交换区域，以抵消烟气温度的变化。
2.更改热交换设备中流体的流量，以减少或去除灰尘积聚。
3.使用化学清洁剂进行清洁。
4.吹和使用机械方法去除管束表面上的灰尘。
5.2.3热管和对策的露点腐蚀
当热量换热器用于低温烟气中时，有时甚至在正常的排气温度下，也会遇到低温点腐蚀。
1.控制排气温度，应根据烟气的露点温度合理确定。
2.添加预处理以升高进入预热器的空气温度可以有效防止露点腐蚀。
3.在烟道温度和环境温度较低时，设计一个空气管道的旁路。
4.设计墙温度调节以防止低温腐蚀。