分离式热管换热器蒸发段倾角参数研究

摘要：分离式热管换热器蒸发段倾斜布置倾角是其关键参数。以某电厂490 t/h循环流化床锅炉烟气余热回收工艺为研究对象，参考以往对分离式热管特性的研究，综合考虑了倾角对分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等方面的影响，确定了蒸发段最佳倾角设计范围为7°~15°，研究结果可为分离式热管换热器在循环流化床锅炉烟气余热回收装置的工艺优化提供参考。

分离式热管换热器作为一种新型的、适合大型化的换热设备，在烟气余热回收中具有越来越重要的作用。其蒸发段与冷凝段分离布置，具有占地面积小、布置灵活、最大限度回收烟气余热和节约能源的特点。以前，许多学者对分离式热管换热器蒸发段在垂直或倾斜布置的条件下，分别对影响热管系统传热特性和流动特性的因素进行了系统研究[1～3]，但是对于分离式热管换热器蒸发段倾斜角度（倾角）的布置对热管系统传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等方面综合影响的研究尚不充分，尤其是在磨损强度较大的循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）锅炉烟气余热回收的工艺应用中。本文结合以往学者对分离式热管换热器的研究，以东方电厂490 t/h CFB锅炉烟气余热回收工艺为研究对象，综合考虑了倾角对分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等方面的影响，确定了最佳倾角设计范围，其研究结果将对分离式热管换热器在CFB锅炉烟气余热回收装置设计优化时提供一定的参考和借鉴。

1·分离式热管换热器烟气余热回收工艺应用

分离式热管换热器由于具有占地面积小、可灵活布置、换热效率高等优点在烟气余热回收利用中得到了广泛地应用。CFB锅炉燃烧温度较低，且采用石灰石进行炉内脱硫，因而烟气酸露点温度较低，为分离式热管换热器高效、安全地回收烟气余热提供了必要条件。

东方电厂490 t/hCFB锅炉烟气余热回收工艺采用两级烟气冷却器回收低温烟气余热。第一级烟气冷却器即分离式热管换热器，布置于末级空气预热器下方，分离式热管换热器蒸发段布置在尾部烟道内，其冷凝段布置在尾部烟道外的侧面平台上，蒸发段和冷凝段相对应的联箱通过蒸汽上升管和冷凝液下降管连接，构成各自独立的封闭系统。尾部烟道内低温烟气自上而下，依次横向掠过空气预热器和分离式热管换热器蒸发段，排烟经排烟通道进入除尘器。一、二次冷空气进入分离式热管换热器冷凝段经预热升温后，分别进入一、二次风热风道；第二级烟气冷却器即烟气深度冷却器，布置于除尘器之后，从低压加热器抽取凝结水作为烟气深度冷却器工质进行换热，吸收热量后再汇入上级低压加热器入口，可以减少汽轮机抽汽，从而提高机组效率。进入烟气深度冷却器的凝结水必须保证合理的入口温度，以确保烟气深度冷却器低温段发生有限速率的低温腐蚀，具体实施措施可采用两级低压加热器出口凝结水混合以及凝结水再循环系统。此工艺可极大限度地回收低品位烟气余热[4～7]。烟气余热回收工艺流程如图1所示。

为充分利用空气预热器底部空间、回收烟气余热，综合考虑分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等因素，分离式热管换热器蒸发段设计为V型结构，其侧视结构示意图如图2所示。

2·分离式热管换热器蒸发段倾角参数研究

针对东方电厂CFB锅炉烟气余热回收工艺方案，对倾角与分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等方面关联特性进行了分析。

2.1倾角对蒸发段传热特性的影响

研究表明，随倾角增大，换热系数先逐渐增大后又逐渐减小。倾角大于7°后，换热系数随倾角增大而增加的趋势逐渐变缓，倾角在16°~18°时换热系数达到最大值，之后又有所下降，但倾角在7°~30°范围内，换热系数变化幅度很小[1]。

&n bsp; 分离式热管换热器蒸发段垂直布置时换热系数最小，因为当热管垂直放置时，重力对液体的作用最强，脉冲对流冲刷距离最短，易出现局部干涸区，换热系数小。当热管倾斜布置时，倾角越小，气泡与管壁间越易形成一层很薄的液膜，该液膜会向气泡内不断蒸发，增强换热能力。当倾角超过7°时，随着倾角的增加，蒸汽和热管的下凹面间的液膜逐渐变厚，液膜热阻逐渐增加，液膜蒸发表面积逐渐减小，蒸发强度逐渐下降，导致换热系数随倾角增大逐渐增加的趋势变缓，传热效果降低。当液膜热阻增加到一定值后，换热系数达到最大值，换热系数又随倾角的增大逐渐减小。当倾角大于30°以后，重力对液体的作用明显增大，液体从蒸发段入口到蒸发段出口联箱之间脉冲冲刷运动的频率逐渐减小，冲刷距离逐渐变短，管内扰动逐渐变弱，换热系数逐渐降低[8～9]。当倾角小于7°时，由于分离式热管换热器蒸发段接近水平状态，蒸发段内的流型发生了很大变化，流动阻力增大，液体脉冲冲刷运动的频率较低，致使在此倾角范围内蒸发段的换热系数较低[1]。

由以上分析可知，分离式热管换热器蒸发段倾角在7°~30°范围内换热系数变化幅度较小，利于换热；倾角在16°~18°范围内换热温差最小，换热系数最大，换热性能最好。因此，为了高效回收利用烟气余热，分离式热管换热器蒸发段倾角应设计在7°~30°范围内，最好设计在16°~18°范围内。

2.2倾角对蒸发段流动特性的影响

研究认为，分离式热管换热器蒸发段在小倾角布置时，随着热流密度的增加，工质流型依次为泡状流、弹状流、波动泡沫状流。当倾角小于5°时，汽弹在汽液混合物中不断长大，推动液体向蒸发段出口运动，液面呈波浪状，波峰能接触并湿润热管局部上壁。由于倾角极小，附着在上壁面液膜的回流能力几乎完全丧失，该液膜不能保证整个上壁的良好湿润，存在一些较大范围的干涸区；与此同时，循环驱动力较小，管内工质的流动将会出现蒸发段压降不稳定现象，可能会诱发系统的机械震动，影响分离式热管换热器的正常运行[10～11]。为了保证热管上壁面良好湿润及其正常运行，倾角设计时应大于5°。

分离式热管换热器倾斜布置蒸发段的管内工质流动出现明显不对称性。随着倾角减小，流动形态由不对称性逐渐向分层流动转变，上壁面液膜回流能力逐渐减弱，易出现局部干涸。当倾角小于30°时，合理充液率显著提高。试验研究表明，倾斜布置蒸发段时的合理充液率R=40%～70%，比垂直布置时增加约10%，保证合理充液率可以防止出现局部干涸[11]。为了增强蒸发段上壁面液膜回流能力，提高合理充液率，避免局部干涸，蒸发段倾角设计时应小于30°。

由以上分析可知，为保证分离式热管蒸发段上壁面良好湿润，增强其液膜回流能力，避免出现壁面局部干涸，确保其正常运行，蒸发段倾角应设计在5°～30°范围内。

2.3倾角对蒸发段磨损特性的影响

锅炉燃用固体燃料时，烟气中含有大量的飞灰颗粒，这些飞灰颗粒在高速烟气带动下，冲刷对流受热面时，使管壁表面受到磨损。特别是在低温受热面中，烟气温度低，飞灰颗粒硬化，且此处烟速也较高，因此更容易磨损。磨损将使受热面金属壁减薄，影响锅炉的安全经济运行。在CFB锅炉运行过程中，某些飞灰中或运行中的固体颗粒，与工作面成小角度甚至平行状态时，这些固体颗粒会以滑动的形式作用于更软的表面上，其结果是硬表面或硬质点的突出部分在软表面上刨槽，挖出物料，而这些物料又充当磨料，不断对软表面进行磨损的过程。这种磨损是CFB锅炉的多数工作面遭受磨损的主要情况。

根据灰粒对被冲击面的不同，可分为正向冲击和斜向冲击两种，见图3。

斜向冲击又可分解为法线方向冲击力和切线方向切向力，法线方向冲击力使被冲击的金属表面机体组织变形，表面局部被破碎和削离，切线方向的切向力使管壁产生磨损的情况如同切削金属，将机体磨薄。实际上，这两个方向上的磨损是同时发生的，因此气流中灰粒对管子的作用包括冲击和切削两个 方面，其中起主要作用的是切削力[12]。夹带于气流中的固体颗粒，以一定的速度（通常高于1m/s）撞击到固体表面时，即发生冲蚀磨损。冲蚀磨损的机制会因冲击角度的不同和作用于工作面材质的不同而异。通常，对于陶瓷或金属陶瓷等脆性物质的工作面，大角度比小角度磨损严重，失效的机制缘于工作面的破裂和碎断，产生碎片脱落；对于钢铁或堆焊等塑性工作面，灰粒的正向撞击力可以不计，磨损主要由于切削作用产生，当冲击角减少时，由于切削作用的增加，因此磨损情况逐渐严重。冲击角度对不同材质工作面的冲蚀关系如图4所示[12～13]，由图4可知，对于塑性材料，当冲击角为5°~60°时，磨损最大，当冲击角小于5°或大于60°时，切削与冲击所产生的磨损又逐渐减小。由以上分析可知，为充分减少烟气对分离式热管换热器蒸发段的磨损，保证设备安全、经济和高效运行，分离式热管换热器蒸发段倾角（冲击角的余角）应设计在0～30°范围内。

2.4倾角对蒸发段积灰特性的影响

进入尾部烟道的飞灰具有不同的粒径分布，大多数在10～50μm之间，一般都小于200μm。当携带飞灰的烟气横向冲刷受热面管束时，在管子背风面会形成涡流区，较大颗粒飞灰由于惯性大，不易被卷进去，而小于30μm的颗粒却跟随气流卷入涡流区，在管壁上沉积下来，形成积灰[12]。热管余热回收设备积灰是普遍存在的问题。积灰增加了受热面热阻，降低了设备的换热能力；与此同时，积灰减少了流体的通道面积，增加了工质流动阻力，降低了换热表面温度，造成低温腐蚀。积灰严重将造成余热回收设备不能正常运行，甚至被迫停用。

在实际应用中，分离式热管换热器绝大多数为气-气式，为了增强管外的对流换热，其蒸发段外部设有扩展表面。若蒸发段仍采用垂直布置，将会出现严重的积灰现象，从而降低换热器的换热效果。分离式热管换热器蒸发段采用小倾角或水平布置时，利用其较强的自清灰能力和吹灰装置，将会有效地解决积灰问题。研究表明，分离式热管换热器蒸发段倾角设计为7°~15°，均可工业应用，一般以10°为宜[14～15]。

由以上分析可知，为减少分离式热管换热器蒸发段积灰，降低受热面热阻，增加设备换热能力；减小工质流动阻力，增加换热表面温度，避免低温腐蚀；使其具有一定的自清灰能力，分离式热管换热器蒸发段倾角应设计在7°～15°范围内。

2.5倾角对蒸发段特性的综合影响

综合以上分析可知，分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性分别对应着各自的最佳倾角设计范围，分离式热管换热器蒸发段以最佳倾角布置时各特性叠加图如图5所示。

由图5可知，综合考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性影响时，分离式热管换热器蒸发段最佳倾角设计范围为图中曲线重叠部分，即7°～15°。

3·结论

(1)单考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段传热特性的影响，倾角应设计在7°～30°范围内，最好设计在16°～18°范围内；单考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段流动特性的影响，倾角应设计在5°～30°范围内；单考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段磨损特性的影响，倾角应设计在0～30°范围内；单考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段积灰特性的影响，倾角应设计在7°～15°范围内。

(2)综合考虑倾角对分离式热管换热器蒸发段传热特性、流动特性、磨损和积灰特性等方面的影响，确定最佳倾角设计范围为7°～15°。此结果对分离式热管换热器在CFB锅炉烟气余热回收装置设计优化时提供一定的数据支持。

参考文献：略