超导热管技术

    

超导热管式预热器在常压炉的工业应用

常压炉是炼油厂常减压蒸馏装置的重要设备之一，也是装置主要的耗能设备，其能耗占常减压蒸馏装置总能耗的50%以上。洛阳石油化工总厂常减压蒸馏装置常压炉设计负荷为27.9MW,目前实际运行负荷为34.9MW，在目前满负荷运行工况下．从常压炉对流室出来的烟气排烟温度为350℃左右，流量为67dma3/h，携带热量为6.98MW，该热量占常压炉负荷的20%，占装置总能耗的15%。这部分热量价值可观，能否有效回收对常减压蒸馏装置达标和节能降耗工作至关重要。

◆改造前余热回收系统预热器存在问题
原设计余热回收系统采用的是回转式空气预热器，该预热器存在以下问题：
一、漏风量大。由于回转式预热器的转动面和固定面存在空隙，再加上空气侧和烟气侧存在较大压差，这样易使空气在转子处发生“短路”，且由于长周期的运行产生的变形磨损和腐蚀，往往造成实际漏风系数远远大于设计漏风系数．最大漏风量可达30%左右，这样也就造成了不必要的能量浪费。
二、故障率较高。由于回转式预热器转动部件校多，如转子、齿轮油泵、减速器、齿轮箱等，为维持这些转动部件正常运行，还需要配备复杂的润滑管路系统。实际运行过程中，由于蓄热片积灰造成转子失去动平衡或蓄热片脱落卡住造成驱动电机跳闸，润滑管路泄漏，转子轴承失效等故障经常发生，如1997年全年预热器各类故障达12次，非正常停运时间52d，严重影响了装置的安全平稳生产，成为威胁装置安全生产的一大隐患。
三、压力降大。多层波纹形状的蓄势片相互叠加构成了回转式预热器的传热主体，蓄热片的波纹形状显然增加了传热面积和传热系数，但也同时增加了预热器的压力降，且由于燃料油中含有大量的金属盐类杂质（如Fe, Ni，Na, Ca, Mg, V等）和浮尘，燃烧后吸附在高温烟气中大量的碳粒子上，到达空气预热器时，流速降低，温度降低，就凝结、吸附在蓄热片上，逐渐积累，产生灰垢。由于蓄热片的波纹形状加之积灰粘性极强，一般的吹灰方法很难将灰垢较好的除去，因而产生流道堵塞，增加了预热器的压力降，降低了热导率。同时这些灰垢附着在蓄热片上，易产生垢下腐蚀，造成蓄热片脱落，影响预热器安全运行。
四、露点腐蚀。该厂常压炉烟气的露点温度一般为140~150℃，回转式空气预热器其蓄热转子的蓄热片不断的运动于空气（冷端0~100℃）和烟气（热端180~350℃）之间，其蓄热片在不断加热和冷却过程中每运转一圈将受到两次露点腐蚀，往往蓄热片运行一年已经腐蚀不堪，必须整体更换。所以露点腐蚀是回转式空气预热器难以躲过的致命弱点。
由于以上原因，造成回转式空气预热器热回收率较低，回转式空气预热器实际运行热回收率只有4% ~5%，低于其6%~8%的设计热回收率也低于一般余热回收系统7%~10%的热回收率。

余热回收系统改造后的运行及效果
一、余热回收系统运行情况
余热回收系统改造后安全运行了近两年，未出现任何故障，节能效果良好，排烟温度降低了35~70℃，空气预热器温度提高了60~100℃，炉子热效率提高了5~8个百分点。其改造前后对比数据见表1。

存在问题

超导热管空气预热器设计上未考虑吹灰设施，机构上虽可防止集灰，但效果不大，运行一段时间后，发现空气入炉温度有所下降，而烟气出炉温度稍有上升，判断为热管积灰。以后设计上应当考虑安装合适的吹灰设施。

结论
通过多年来的工业应用证明，超导热管空气预热器具有技术先进，节能效果显著，运行安全可靠，故障率低，传热效率高，热回收率高等优点，是一项极具潜力的新技术，具有国际领先水平和广阔的工业应用前景。

二、经济效益
（1）更换为超导热管空气预热器后，原预热系统除鼓、引风机外其它动力系统及润滑油系统全部不需要，节省动力费4×

RMB￥，节省运行维护费20×

RMB￥。
（2）过去回转预热器每次检修需进行蓄热片的更换，备件需20×

RMB￥左右，而热管一般在5年内不需修理。
（3）采用热管预热器后将能有效地防止露点腐蚀及灰堵，从而避免了因预热器故障造成的预热系统切除，因此产生较好的效益。
（4）超导热管预热器年节约燃料油1500t，折合人民币150×

RMB￥左右。投资回收期只有8个月。

一、工作原理
超导热管的工作介质由多种无机活性金属及其化合物混合而成，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活，并以分子震荡形式来传递热量，它超强导热性能使其导热系数是一般金属的一万倍左右，是水热管的十倍左右，在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以极快的速度传递（超音速传递）。
二、特点
超导热管与普通热管相比具有如下特点：
（l)适用范围广。适用温度为60一1000℃，而一般液体工质如水，只能用于100一350℃。温压曲线如图1 。
（2）安全可靠。不存在管内超压问题，不怕干烧。液体工质汽化后，随着温度升高饱和蒸汽压也升高，而超导介质热管的内压儿乎不随温度度的变化而变化，如图1 。

图1 热管工作的温压曲线

（3)节省钢材，优化传热。设计上可不考虑耐压强度，只考虑传热性能、耐腐蚀和稳定性即可。
（4）可消除导热死区。水及其它液体工质在高温相变过程中和母管金属有不同形式的化学反应，如水热管内就易产生氢气等不凝气体，从而在热管上部形成导热死区，影响传热效果，而超导介质热管不存在此问题。
（5）安装方便，不受安装位置限制。一般热管必须依靠重力实现液体的循环（称重力式热管）。超导热管可任意安装，只要有温差就可传热。
（6）良好的导热性。导热速度快，强度大，效率高，超导热管热量的传递随着温差增加而增加，一般液体工质其汽相速度不能超过音速，一旦达到音速，即出现“阻塞”现象，如图2。

图2 热管热传递速率

（7）具有良好的等温性。试验证明，一根长4M的超导热管，其一端置于100℃的热水中，另一端置于无风的大气中，热、冷两端温差不大于1℃；而同样条件下的一般液体工质热管，热、冷两端温差高达3～4℃。这说明超导热管具有良好的等温性，即可在很小的温差下，传递很大的热通量，传热阻力小。
（8）由于不考虑内压，超导热管形状具有更大的灵活性，具有更广泛的应用领域。