超導熱管技術

超導熱管式預熱器在常壓爐的工業應用

常壓爐是煉油廠常減壓蒸餾裝置的重要設備之一，也是裝置主要的耗能設備，其能耗占常減壓蒸餾裝置總能耗的50%以上。洛陽石油化工總廠常減壓蒸餾裝置常壓爐設計負荷為27.9MW,目前實際運行負荷為34.9MW，在目前滿負荷運行工況下．從常壓爐對流室出來的煙氣排煙溫度為350℃左右，流量為67dma3/h，攜帶熱量為6.98MW，該熱量占常壓爐負荷的20%，占裝置總能耗的15%。這部分熱量價值可觀，能否有效回收對常減壓蒸餾裝置達標和節能降耗工作至關重要。
◆改造前余熱回收系統預熱器存在問題
原設計余熱回收系統采用的是回轉式空氣預熱器，該預熱器存在以下問題：
一、漏風量大。由于回轉式預熱器的轉動面和固定面存在空隙，再加上空氣側和煙氣側存在較大壓差，這樣易使空氣在轉子處發生“短路”，且由于長周期的運行產生的變形磨損和腐蝕，往往造成實際漏風系數遠遠大于設計漏風系數．zui大漏風量可達30%左右，這樣也就造成了不必要的能量浪費。
二、故障率較高。由于回轉式預熱器轉動部件校多，如轉子、齒輪油泵、減速器、齒輪箱等，為維持這些轉動部件正常運行，還需要配備復雜的潤滑管路系統。實際運行過程中，由于蓄熱片積灰造成轉子失去動平衡或蓄熱片脫落卡住造成驅動電機跳閘，潤滑管路泄漏，轉子軸承失效等故障經常發生，如1997年全年預熱器各類故障達12次，非正常停運時間52d，嚴重影響了裝置的安全平穩生產，成為威脅裝置安全生產的一大隱患。
三、壓力降大。多層波紋形狀的蓄勢片相互疊加構成了回轉式預熱器的傳熱主體，蓄熱片的波紋形狀顯然增加了傳熱面積和傳熱系數，但也同時增加了預熱器的壓力降，且由于燃料油中含有大量的金屬鹽類雜質（如Fe,
Ni，Na, Ca, Mg, V等）和浮塵，燃燒后吸附在高溫煙氣中大量的碳粒子上，到達空氣預熱器時，流速降低，溫度降低，就凝結、吸附在蓄熱片上，逐漸積累，產生灰垢。由于蓄熱片的波紋形狀加之積灰粘性*，一般的吹灰方法很難將灰垢較好的除去，因而產生流道堵塞，增加了預熱器的壓力降，降低了熱導率。同時這些灰垢附著在蓄熱片上，易產生垢下腐蝕，造成蓄熱片脫落，影響預熱器安全運行。
四、露點腐蝕。該廠常壓爐煙氣的露點溫度一般為140~150℃，回轉式空氣預熱器其蓄熱轉子的蓄熱片不斷的運動于空氣（冷端0~100℃）和煙氣（熱端180~350℃）之間，其蓄熱片在不斷加熱和冷卻過程中每運轉一圈將受到兩次露點腐蝕，往往蓄熱片運行一年已經腐蝕不堪，必須整體更換。所以露點腐蝕是回轉式空氣預熱器難以躲過的致命弱點。
由于以上原因，造成回轉式空氣預熱器熱回收率較低，回轉式空氣預熱器實際運行熱回收率只有4% ~5%，低于其6%~8%的設計熱回收率也低于一般余熱回收系統7%~10%的熱回收率。
熱管的工作原理及特點
一、工作原理
超導熱管的工作介質由多種無機活性金屬及其化合物混合而成，具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。這種熱超導工質在一定溫度下被激活，并以分子震蕩形式來傳遞熱量，它*導熱性能使其導熱系數是一般金屬的一萬倍左右，是水熱管的十倍左右，在傳導方向上幾乎沒有溫度的衰減并能以極快的速度傳遞（超音速傳遞）。
二、特點
超導熱管與普通熱管相比具有如下特點：
（l）適用范圍廣。適用溫度為60一1000℃，而一般液體工質如水，只能用于100一350℃。溫壓曲線如圖1 。

（2）安全可靠。不存在管內超壓問題，不怕干燒。液體工質汽化后，隨著溫度升高飽和蒸汽壓也升高，而超導介質熱管的內壓兒乎不隨溫度度的變化而變化，如圖1 。



（3）節省鋼材，優化傳熱。設計上可不考慮耐壓強度，只考慮傳熱性能、耐腐蝕和穩定性即可。
（4）可消除導熱死區。水及其它液體工質在高溫相變過程中和母管金屬有不同形式的化學反應，如水熱管內就易產生氫氣等不凝氣體，從而在熱管上部形成導熱死區，影響傳熱效果，而超導介質熱管不存在此問題。
（5）安裝方便，不受安裝位置限制。一般熱管必須依靠重力實現液體的循環（稱重力式熱管）。超導熱管可任意安裝，只要有溫差就可傳熱。
（6）良好的導熱性。導熱速度快，強度大，效率高，超導熱管熱量的傳遞隨著溫差增加而增加，一般液體工質其汽相速度不能超過音速，一旦達到音速，即出現“阻塞”現象，如圖2。

圖2 熱管熱傳遞速率

（7）具有良好的等溫性。試驗證明，一根長4M的超導熱管，其一端置于100℃的熱水中，另一端置于無風的大氣中，熱、冷兩端溫差不大于1℃；而同樣條件下的一般液體工質熱管，熱、冷兩端溫差高達3～4℃。這說明超導熱管具有良好的等溫性，即可在很小的溫差下，傳遞很大的熱通量，傳熱阻力小。

（8）由于不考慮內壓，超導熱管形狀具有更大的靈活性，具有更廣泛的應用領域。

余熱回收系統改造后的運行及效果

一、余熱回收系統運行情況

余熱回收系統改造后安全運行了近兩年，未出現任何故障，節能效果良好，排煙溫度降低了35~70℃，空氣預熱器溫度提高了60~100℃，爐子熱效率提高了5~8個百分點。其改造前后對比數據見表1。

二、經濟效益
（1）更換為超導熱管空氣預熱器后，原預熱系統除鼓、引風機外其它動力系統及潤滑油系統全部不需要，節省動力費4×RMB￥，節省運行維護費20×RMB￥。
（2）過去回轉預熱器每次檢修需進行蓄熱片的更換，備件需20×RMB￥左右，而熱管一般在5年內不需修理。
（3）采用熱管預熱器后將能有效地防止露點腐蝕及灰堵，從而避免了因預熱器故障造成的預熱系統切除，因此產生較好的效益。
（4）超導熱管預熱器年節約燃料油1500t，折合人民幣150×RMB￥左右。投資回收期只有8個月。

存在問題
超導熱管空氣預熱器設計上未考慮吹灰設施，機構上雖可防止集灰，但效果不大，運行一段時間后，發現空氣入爐溫度有所下降，而煙氣出爐溫度稍有上升，判斷為熱管積灰。以后設計上應當考慮安裝合適的吹灰設施。
結論
通過多年來的工業應用證明，超導熱管空氣預熱器具有技術*，節能*，運行安全可靠，故障率低，傳熱效率高，熱回收率高等優點，是一項潛力的新技術，具有水平和廣闊的工業應用前景。