热管技术在铁合金行业的应用
摘要：本简要介绍热管在在铁合金电炉环保治理应用技术方案，并对热管技术在铁合金电炉应用运行的事例进行总结。
一、 概述
随着改革开放的深入进行我国国民经济迅猛发展，发展与环保问题的是我国经济发展的重中之重。冶金领域的铁合生产的环保治理与余热回收是其重要内容，我国铁合金企业有1000余家，铁合金电炉2000余台。每台每小时排出废气为6000～200000Nm3/h，含尘量8～12g/m3，温度400-600℃，造成大量的环境污染，及能源浪费。2005年我国将铁合金生产定为高耗能、高污染领域，为控制铁合金的规模，废除了铁合金出口退税政策。铁合金电炉的环保治理是我国目前亟待解决的问题。
铁合金电炉烟气含尘粒度较小，其直径为40~300目，这一粒度的灰尘一般采用布袋除尘器收集灰尘。但是电炉尾气温度为400℃至600℃，这一温度超出了布袋除尘器的许用工作温度。如果不进行降温处理，布袋很快烧穿，无法运行。这样电炉烟气在进入除尘器的前的降温显得十分必要。目前，我国的电炉烟气降温一般采用多管降温器，利用空气与烟气换热来降低烟气温度。这一降温器存在如下问题：一是烟气余热未能利用，造成大量的能源浪费，同时热量。二是积灰严重无法正常运行。现阶段国外多采用水管式余热锅炉降低烟气温度，水管余热锅炉灰堵严重，且除灰困难。
本文介绍一种新兴换热技术——热管蒸发器，在铁合金领域成功运行的事例。
一、热管
热管是一种新型、高效的导热元件，其导热系数非常大，是金属导体（银、铜、铝）的103~104倍，有超导体或亚超导体之称。
热管技术的应用*早是在宇航技术上、现在已广泛应用于核反应堆、电子、机械、化工、冶金等行业。在70年代，中国科学院、哈尔滨工业大学等单位先后开展了热管的理论和应用研究工作，并取得一定成果，热管技术应用于钢铁行业是在80年代鞍钢等重点钢铁企业。
2004年吉林铁合金与天津华能集团能源设备有限公司合作，共同研究开发了热管技术在铁合金生产中的应用和推广。
二、 热管及热管交换器
1． 热管的基本结构及工作原理
执管是一个封闭系统：在一个密闭的管子（通常为金属管）内装以某种工作介质（简称工质），再将管内不结凝气体抽走（真空），即成热管。热管利用工质相变的物理过程，工作时管的一端从热源吸热使工质蒸发汽化，蒸汽流往另一端，该端向冷源体放热，蒸汽冷凝液化，冷凝液借在重力、离心力或毛细管压力的作用，流回蒸发端，完成工质的自动循环在物质循环的过程中，即同时进行着热量的传输，从热管的工作的原理看，可分为三区段（蒸发段、绝热段和冷凝段）如图示
2、 根据凝液回流方式来分，热管可分为下列五种：吸液芯热管、重力热管、离心热管等。
3、 由于热管利用了相变传热原理，热管内部传速度极快，因此，元件传热管取决于管壁与气流向传热的快慢，一般在热管两端装设翅片，增大换热面积，改善热管的换热效果
4、 热管换热器属于热流体和冷流体互不接触的表面式换热器，其特点是结构简单，换热效率高，换热流体通过换热器的压力损失比其它换热器小，因而动力消耗小，按照冷体的状态可进行气——气、气——液、气——液之间的换热。
目前，钢铁企业使用的单体式热管均为重力式热管，即工质依靠重力回流的热管（无吸热芯）。
三、 热管技术在铁合金电炉生产上的应用
1． 吉林铁合金厂401电炉为2500KWA的半封闭电炉其烟尘处理采用布袋除尘技术，烟尘降温措施为在布袋除尘器前加装余热锅炉，在1990年投入使用后，效果不好，余热锅炉极易积灰，且非常难清理，极易出现露点腐蚀，热效率低，设备庞大等缺点，导致余热锅炉及除尘系统无法正常运行
2． 2002年，对上述系统进行改造，同样采用布袋除尘技术，烟气降温采用空冷管方式，从运行效果看，降温效果不好，在烟温过高时（大于600℃），烟气出口温度>250℃有损坏布袋的现象。
3． 针对空冷壁温效果不好的问题，我们研究采用的管式换热器，同样存在一些缺陷。
①. 换热效率低，设备庞大，管式交换器只靠管壁传热，传热系数只有50左右。
②. 极易出现露点腐蚀，由于管式换热器壁温度接近水的温度，因此烟气中的腐蚀性成分会随着在管壁上造成露点腐蚀，造成腐蚀漏水。
③. 极易积灰，由于管式换热器热烟气走管内，冷却水走管外，这样管内极易积灰甚至堵死。
4． 热管交换器的应用
随着科学技术的不断发展和进步，新技术、新设备的应用，是促进企业发展，提高企业经济效益的重要措施之一，天津华能集团能源设备有限公司提供的热管式热交换器有其独道先进之处，具体应用工艺如图所未：
①. 401炉热管交换器工艺参数如下：
参数名称 参数指标
进口烟气流量 90000Nm3/h
含 尘 量 8～12 m/m3（标准）
进口烟气温度 260～400℃
烟气出口温度 120-180℃
工 作 压 力 0.4MPa
软水进口温度 15℃
出口蒸汽温度 149℃
②. 热管交换器
A．热管蒸发器由内通体、外通体、热管等组成。热管放射形焊在内筒体上，换热的水、蒸汽走内筒里，烟气走内外筒夹套。热管采用镍基钎焊纵向翅片管、叉排。
B．热管换热器结构参数如下表所示
名 称 参 数
外型尺寸 Ф3032×18700
重 量 73.2吨/台

③. 热管交换器除尘问题的解决方案
热管技术的换热效果毋庸置疑，在我厂应用的突出问题是粉尘问题，铁合金粉尘细密，附着力强，不易清除，影响了热效率，严重的会使设备失去效用，就此问题，确定如下几个解决方案。
A. 利用落丸除灰技术，落丸是Ф8mm的钢筋，切成8mm的段，每个重约3克，在热管换热器的上部投入，形成自由落体运动，因为热管的排与排之间是采取着排布置，间距在100mm左右。所以，落丸下落是一种无序的反复折射，碰撞下落，冲击动能很小，不会对热管造成损坏。
B. 采用高压空气炮或超声波除尘器，都完全可以清除粉尘，根据实际情况我厂采用是前两种除灰方式。
四、 项目施工及运行效果
1. 401#炉余热锅炉已经废弃拆除，但厂房、场地及辅属设施仍可利用。如操作平台、软化不管道、蒸汽汽包、分汽缸及电气设备等。
2. 热管换热器由天津华能提供。
3. 工程于2004年7月开始，2004年8月31日结束，2004年9月6日开始试运行。
4. 运行效果
2004年9月6日至2005年11月6日累计运行时间8474小时（去除停炉时间 ），产气量29659吨（小时产蒸汽量3.5吨左右）。
通过近14个月运行，热管交换器运行效果很好，热管交换器除采用的落丸技术效果很好，没有出现因积灰的影响运行的现象。
保证了进入布袋烟温200℃以下，查阅运行记录烟气出口烟温在130至150℃之间，满足了布袋设计要求。
五、 经济效益分析
1. 消耗计算：热管蒸发器总电耗15KW，操作工人每班一名，14个月软水消耗31000吨。
电费：每度按0.6元计算，8474小时，共计76266元。
人工费：每人按一个月1500元计算，人工费为63000元
软水费：每吨按2.6元计算，31000吨共计80600元
14个月的运行总费用：219866元
2. 副产蒸汽效益：每吨蒸汽按130元计算，29659吨蒸汽共计3855670元。
3．14个月的运行净收益： 3855670－219866＝3635804元
六、结论
通过对吉林铁合金厂401#电炉采用热管交换器用于环保治理及烟气余热回收系统的运行事例分析。我们得知：热管技术能够成功解决电炉废气降温问题，使通过热管交换器的电炉废气满足布袋除尘器的许用温度；同时可以回收废气余热副产蒸汽，为企业带来经济效益。设备运行安全可靠。