热管换热器应用中常见的问题及对策

发布时间:2008-08-20

　　摘要： 对在工业应用热管过程中存在的几个主要问题， 如相容性、积灰结垢、低温腐蚀等进行了分析研究，并提出了相应的解决办法。
　　关键词： 热管； 发展； 相容性； 积灰； 腐蚀
　　中图分类号： ＴＢ６５７．５  文献标识码： Ｂ
　　热管换热器的核心元件是热管， 它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。但在工业应用中仍然存在一些问题， 极大地限制了热管技术的使用和发展。因此， 有必要对这些问题进行研究探索， 以找到合理的解决办法。
　　 一、热管的相容性问题及对策
　　管壳材料与工质的化学相容性问题， 如钢—水热管中存在着化学反应和电化学反应， 这是一种不可避免的金属腐蚀过程， 只能抑制或延缓而不可能消除， 目前采取的主要对策如下。
　　１． 碳钢管材的高温蒸汽表面钝化。采用该办
　　法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层， 这是一种稳定性极好的保护膜。具体做法是将净化后的碳钢管加热至 ５００～６００℃后， 冲以水蒸气使表面钝化， 此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Ｆｅ３Ｏ４ 氧化层。
    ２． 碳钢管材的化学液钝化。该方法采用氧化性化学试剂使管壁生成 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。目前钝化液配方主要采用重铬酸钾。具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内， 在一定温度下浸泡一定的时间， 让管壁内生成一层致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 氧化膜。
     ３． 工质内添加缓蚀剂。在工质中添加缓蚀剂是为了使管壁表面产生更为均匀与致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。缓蚀剂一般与化学钝化联合使用， 缓蚀剂可以对破坏的局部钝化膜起到修补的作用。缓蚀剂品种很多， 一般采用阳极型缓蚀剂， 其管壁缓蚀效果较好， 具体做法是在工质内添加 １％～３％的重铬酸钾。
     ４． 排放法和渗透法。排放法是在热管冷凝端部装上排气阀， 必要时打开阀将积累的氢气排放出去； 渗透法则是在热管冷凝端部装上钯管， 让所产生的氢气随时渗透出去。
    ５． 氧化除氢法。根据化学理论， 标准电极电位为正值元素的氧化物都可被氢还原出来。常见的铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应， 只是反应的温度和速度不同。２０ 世纪９０ 年代初氧化除氢技术就开始了推广应用， 反应温度一般在 １５０℃以上， 工业应用受到一定限制。
    目前， 一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用， 在常温下就可快速进行除氢反应。这一技术的推广应用， 将极大提高热管的使用寿命。
     由于化学钝化膜不稳定， 排放法和渗透法不易操作， 高温蒸汽钝化所需场地、设备投资较大， 因此， 较好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。
     二、热管的积灰问题及对策
     在热管余热回收设备中， 热管积灰是普遍存在的问题， 积灰增加了受热面热阻， 降低设备的传热能力。积灰减少流体的通道面积， 增加流动阻力，降低换热表面温度， 造成低温露点腐蚀很多。余热回收设备由于积灰严重不能正常运行， 甚至被迫停用。因此对积灰问题应给予高度重视。防止和减少积灰的对策如下。
     １． 根据流体含尘的状况， 合理选择换热设备及其传热元件的结构形式， 主要是合理选择热管外翅片结构。
     气相换热的热管换热器， 管外均采用加肋强化传热， 翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片， 这些翅片的结构紧凑， 肋化比高， 效果明显， 缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到１２～２０ｍｍ， 在某些情况下也会出现严重积灰， 因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构：
    （１） 轴对称单列纵向直肋翅片； （２） 钉头管。钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于黏结性积灰部位， 如用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉， 使用多年一直无积灰堵塞现象。
     换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数， 它影响换热设备的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法， 这种方法的不足就是随着设备内温度的下降， 出口处的密度、动力黏度、导热系数有明显变化， 从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力下降， 造成换热设备积灰。
     解决该问题可采用变截面设计法， 以等体积流速法代替等质量流速法。如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化， 随着烟气温度的降低， 将换热设备的流通面积减小， 以保证进出口具有相同的自清灰能力。
     ２． 改变换热设备内流体的流速， 以减少或清除积灰。
     ３． 采用化学清灰剂清灰。
     ４． 吹扫和用机械方法清除管束表面积灰。
     三、热管的露点腐蚀及对策
     当热管换热器在低温烟气中使用时， 常遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下，在烟气出口侧 （在没有前置预热器的情况下） 最后几排热管也存在低温露点腐蚀。解决露点腐蚀问题可以从以下几方面入手。
     １． 控制排烟温度。根据烟气的露点温度合理确定排烟温度， 一般排烟温度应高于露点温度 ２０～３０℃， 冬季排烟温度应适当提高。
     ２． 增设前置预热器， 提高空气入预热器的温度， 可有效防止露点腐蚀。
     ３． 对空气风道进行旁路设计， 当烟气温度和环境温度较低时， 可将部分换热后空气混合到冷空气中， 以提高空气的入口温度。
     ４． 进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数， 提高热管换热器的最低壁温， 防止低温腐蚀。
   摘要： 对在工业应用热管过程中存在的几个主要问题， 如相容性、积灰结垢、低温腐蚀等进行了分析研究，并提出了相应的解决办法。
    关键词： 热管； 发展； 相容性； 积灰； 腐蚀
    中图分类号： ＴＢ６５７．５  文献标识码： Ｂ
    热管换热器的核心元件是热管， 它独特的传热特性引起了人们的极大兴趣。但在工业应用中仍然存在一些问题， 极大地限制了热管技术的使用和发展。因此， 有必要对这些问题进行研究探索， 以找到合理的解决办法。
    一、热管的相容性问题及对策
    管壳材料与工质的化学相容性问题， 如钢—水热管中存在着化学反应和电化学反应， 这是一种不可避免的金属腐蚀过程， 只能抑制或延缓而不可能消除， 目前采取的主要对策如下。
    １． 碳钢管材的高温蒸汽表面钝化。采用该办
    法的目的是使管壁净化且生成致密的兰色 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层， 这是一种稳定性极好的保护膜。具体做法是将净化后的碳钢管加热至 ５００～６００℃后， 冲以水蒸气使表面钝化， 此时碳钢管内表面会生成致密而均匀的Ｆｅ３Ｏ４ 氧化层。
    ２． 碳钢管材的化学液钝化。该方法采用氧化性化学试剂使管壁生成 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。目前钝化液配方主要采用重铬酸钾。具体做法是将酸洗净化后的碳钢管放入钝化槽内， 在一定温度下浸泡一定的时间， 让管壁内生成一层致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 氧化膜。
     ３． 工质内添加缓蚀剂。在工质中添加缓蚀剂是为了使管壁表面产生更为均匀与致密的 Ｆｅ３Ｏ４ 钝化层。缓蚀剂一般与化学钝化联合使用， 缓蚀剂可以对破坏的局部钝化膜起到修补的作用。缓蚀剂品种很多， 一般采用阳极型缓蚀剂， 其管壁缓蚀效果较好， 具体做法是在工质内添加 １％～３％的重铬酸钾。
     ４． 排放法和渗透法。排放法是在热管冷凝端部装上排气阀， 必要时打开阀将积累的氢气排放出去； 渗透法则是在热管冷凝端部装上钯管， 让所产生的氢气随时渗透出去。
    ５． 氧化除氢法。根据化学理论， 标准电极电位为正值元素的氧化物都可被氢还原出来。常见的铜、镍、锌、钴等元素的氧化物都能与氢进行氧化还原反应， 只是反应的温度和速度不同。２０ 世纪９０ 年代初氧化除氢技术就开始了推广应用， 反应温度一般在 １５０℃以上， 工业应用受到一定限制。
    目前， 一种新型高效复合配方的氧化除氢技术已研制成功并进行了工业应用， 在常温下就可快速进行除氢反应。这一技术的推广应用， 将极大提高热管的使用寿命。
     由于化学钝化膜不稳定， 排放法和渗透法不易操作， 高温蒸汽钝化所需场地、设备投资较大， 因此， 较好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。
     二、热管的积灰问题及对策
     在热管余热回收设备中， 热管积灰是普遍存在的问题， 积灰增加了受热面热阻， 降低设备的传热能力。积灰减少流体的通道面积， 增加流动阻力，降低换热表面温度， 造成低温露点腐蚀很多。余热回收设备由于积灰严重不能正常运行， 甚至被迫停用。因此对积灰问题应给予高度重视。防止和减少积灰的对策如下。
     １． 根据流体含尘的状况， 合理选择换热设备及其传热元件的结构形式， 主要是合理选择热管外翅片结构。
     气相换热的热管换热器， 管外均采用加肋强化传热， 翅片形式多选用穿片或螺旋型缠绕片， 这些翅片的结构紧凑， 肋化比高， 效果明显， 缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体即使翅片间距取到１２～２０ｍｍ， 在某些情况下也会出现严重积灰， 因此对于高含尘流体目前趋向于选择以下两种结构：
    （１） 轴对称单列纵向直肋翅片； （２） 钉头管。钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于黏结性积灰部位， 如用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉， 使用多年一直无积灰堵塞现象。
     换热设备内流体的速度是一个重要的设计参数， 它影响换热设备的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前热管换热设备的设计多采用等质量流速法， 这种方法的不足就是随着设备内温度的下降， 出口处的密度、动力黏度、导热系数有明显变化， 从而引起出口处流体的速度大幅下降。其结果是换热系数和自清灰能力下降， 造成换热设备积灰。
     解决该问题可采用变截面设计法， 以等体积流速法代替等质量流速法。如要维持体积流速不变，只有改变换热面积来抵消密度的变化， 随着烟气温度的降低， 将换热设备的流通面积减小， 以保证进出口具有相同的自清灰能力。
     ２． 改变换热设备内流体的流速， 以减少或清除积灰。
     ３． 采用化学清灰剂清灰。
     ４． 吹扫和用机械方法清除管束表面积灰。
     三、热管的露点腐蚀及对策
     当热管换热器在低温烟气中使用时， 常遇到低温露点腐蚀问题。有时即使在正常的排烟温度下，在烟气出口侧 （在没有前置预热器的情况下） 最后几排热管也存在低温露点腐蚀。解决露点腐蚀问题可以从以下几方面入手。
     １． 控制排烟温度。根据烟气的露点温度合理确定排烟温度， 一般排烟温度应高于露点温度 ２０～３０℃， 冬季排烟温度应适当提高。
     ２． 增设前置预热器， 提高空气入预热器的温度， 可有效防止露点腐蚀。
     ３． 对空气风道进行旁路设计， 当烟气温度和环境温度较低时， 可将部分换热后空气混合到冷空气中， 以提高空气的入口温度。
     ４． 进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数， 提高热管换热器的最低壁温， 防止低温腐蚀。

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