熱管余熱鍋爐效率下降分析及處理

魏海彬，周志宏

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

熱管余熱鍋爐效率下降分析及處理

魏海彬，周志宏

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

貴溪冶煉廠首次在冶煉煙氣制酸轉化工序采用熱管余熱回收技術，運行2年后，熱管鍋爐換熱效率降低。該廠對其原因進行了分析總結，認為是不凝性氣體及水垢的產生導致換熱效率降低，首次在國內同行業實施了熱管在線修復技術，并取得了顯著成效。

熱管;鍋爐;換熱效率;不凝性氣體;結垢;修復

1 引言

江西銅業集團公司貴溪冶煉廠根據國家節約能源的相關政策，在國內同行中率先上馬了3臺重力熱管余熱鍋爐，以回收冶煉煙氣制酸系統多余的熱量，替代原有的換熱器和冷卻器，其結構如圖1所示:

圖1 熱管鍋爐結構示意圖

由于3臺熱管余熱鍋爐的投運，貴冶硫酸一、二系列轉化系統2臺155kW、185 kW SO3冷卻風機停止運行，減少電耗165.8×104kW·h/a，年產1.0MPa的蒸汽17萬t，平均每生產1t硫酸產生蒸汽0.2t，取得了顯著的經濟效益。

但是使用2年后，3臺鍋爐都不同程度的出現了換熱效率降低的問題，尤其是一系列中溫熱管鍋爐和二系列低溫熱管鍋爐，換熱效率下降得極為明顯，導致制酸系統溫度失控，影響系統轉化率以及安全運行。

本文重點對貴冶硫酸一系列中溫熱管鍋爐和二系列低溫熱管鍋爐換熱效率降低的原因進行深入的分析，并提出了解決方案。

2 工藝簡介

硫酸一系列中溫熱管鍋爐位于轉化二層出口與三層入口之間，用于替代原有的C熱交換器;一系列低溫熱管鍋爐位于第一吸收塔煙氣入口，用于替代原有的一系列SO3冷卻器;二系列低溫熱管鍋爐位于第一吸收塔煙氣入口，用于替代原有的二系列SO3冷卻器，其設計參數如表1所示:

表1 硫酸一、二系列熱管鍋爐設計參數

3 原因分析

進入2009年以來，一系列中溫鍋爐、二系列低溫鍋爐換熱效率急劇下降，對比2008年7月和2009年7月鍋爐進出口煙氣溫度，我們可以發現，熱管鍋爐的旁路閥開度逐步關小，入口閥門開度逐步增加，出口煙氣溫度逐步上升。

表2 硫酸一、二系列熱管鍋爐2008年7月、2009年7月換熱效果比較

經過分析，認為一、二系列熱管鍋爐換熱效率下降的主要原因是不凝性氣體的產生和水側結垢導致，但兩者表現在熱管尾端溫度的變化上是截然不同的。

因不凝性氣體(氫氣)的產生，會導致熱管尾端氫氣聚積，直接影響熱管冷卻段的凝結性能［1－2］。使管內溫度升高，壓力增加，但因尾端氫氣的不流動，表現為熱管尾端溫度降低。

水側結垢會使熱管水側熱阻增加或水側供水不足，導致熱管內部溫度、壓力上升［3］，表現為熱管尾端溫度上升。

但是熱管尾端溫度的變化不僅僅與不凝性氣體和水側有關，還與煙氣溫度、管內工質成分、管內工質充填量、蒸汽壓力、熱管內外表面熱阻、冷熱端換熱比例等都有關，甚至與測量時的環境溫度、熱管尾端外壁上的鐵銹或其他雜物等也有關，因此，不同的工況條件下的鍋爐，測量出來的熱管尾端溫度偏差較大。

根據我們前期的測試數據，貴冶硫酸熱管鍋爐熱管尾端的正常溫度在135℃～180℃范圍內。

3.1 二系列低溫鍋爐換熱效率降低原因分析

用便攜式紅外線測溫儀測量二系列低溫熱管鍋爐頂層箱體內左右兩側熱管尾端溫度，按照熱管在現場的排布，其尾端溫度如表3、表4所示:

表3 2009年10月測量二系列低溫鍋爐箱體左上方112根熱管尾端溫度數據/℃

表4 2009年10月測量二系列低溫鍋爐右上方128根熱管尾端溫度數據/℃

從表3、表4中可以看出，熱管尾端溫度波動非常大，約有14%的熱管尾端溫度低于135℃，36%的熱管尾端溫度高于185℃。若只分析表4中的數據，甚至有83%以上的熱管尾端溫度高于185℃。

但這并不能就說明有14%的熱管尾端有不凝性氣體，有36%的熱管水側結垢，兩者是相互影響的，很難具體判斷。但可以肯定的是:若去除不凝性氣體的影響，會有更多的熱管尾端溫度高于185℃。

取表3、表4每列熱管尾端溫度的平均值，作曲線圖，如圖2所示:

圖2 各列熱管尾端溫度平均值曲線圖

從圖2可以看出，二系列低溫鍋爐熱管尾端溫度自左至右逐步上升。因同一工況條件下的熱管，不凝性氣體的產生量整體相差不會很大，出現熱管尾端溫度規律性的變化，且整體偏高，推斷是熱管水側結垢或者供水不足導致，且右側熱管水側結垢比左側嚴重。

大修解體檢查證實了以上推論，分析結垢的原因是由于給水或排污的影響。部分給水中帶來的雜質進入汽包后沉降，進入下降管并在管壁結垢，造成熱管水側供水不足，且越靠近進水側，下降管結垢越嚴重，尾端溫度越高。因該鍋爐從汽包右端補水，左端間歇排污，造成右側下降管結垢，而左側下降管幾乎沒有結垢。

3.2 一系列中溫鍋爐換熱效率降低原因分析

用便攜式紅外線測溫儀測量一系列中溫熱管鍋爐頂層箱體內所有熱管尾端溫度，發現與二系列低溫鍋爐有所不同，中溫鍋爐左右兩側溫度基本一致，本文僅取箱體中間部位的熱管，測試熱管尾端溫度數據如表5所示:

表5 2009年10月測量一系列中溫鍋爐箱體198根熱管尾端溫度數據/℃

從表5中可以看出，一系列中溫鍋爐熱管尾端溫度整體偏低，約有60%的熱管尾端溫度低于135℃，其中約44%的熱管尾端溫度低于80℃，僅3%的熱管尾端溫度高于185℃。

將溫度低于135℃的熱管尾端封頭開口排氣，用打火機點燃后，會產生淡藍色火焰，并且會持續10s鐘以上。

分析認為:不凝性氣體的產生是導致中溫熱管鍋爐換熱效率降低的主要原因。熱管內溫度越高，不凝性氣體的產生速度越快［4－5］。因煙氣熱負荷的不一樣，貴冶制酸一、二系列三臺熱管鍋爐熱管內溫度從高到底依次為一系列中溫鍋爐、二系列低溫鍋爐、一系列低溫鍋爐，最終導致一系列中溫鍋爐換熱效率下降最快，二系列低溫鍋爐次之，一系列低溫鍋爐換熱效率下降不明顯。

因不凝性氣體的產生，熱管冷卻面積減少，導致熱管內溫度、壓力上升。隨著不凝性氣體產生量的累積，最終熱管冷卻段內有可能填充大量不凝性氣體，冷卻面積大幅減少，管內溫度大幅上升。如果超過設計工作溫度，特別是達到臨界溫度和壓力時，熱管就有爆裂的可能［6］。

一般情況下，熱管最薄弱的地方是封頭的位置，貴冶熱管鍋爐的熱管封頭采用不銹鋼管(Φ6mm×1mm)壓扁后點焊的方法密封，理論上是可以承受較高的壓力。但在封頭密封過程中，容易使封頭封口位置的不銹鋼管局部變薄，同時擠壓會使封頭兩側產生裂紋，使熱管可承受的壓力極限急劇降低。仔細觀察尾端溫度低于80℃的熱管，發現這些熱管尾端封頭全部都有裂紋，管內工質已經全部泄漏。

4 解決方案

4.1 二系列低溫鍋爐解決方案

大修時，對二系列低溫鍋爐的下降管進行了疏通清理，并進行了煮爐，換熱效率得到了明顯提高，如表6所示:

表6 硫酸二系列熱管鍋爐2010年7月換熱效果工況參數

鍋爐左右兩側箱體熱管尾端溫度趨于一致，平均整體降低了約55℃，有51%的熱管尾端溫度低于135℃，49%的熱管尾端溫度在135～180℃范圍內。這是因水側疏通、清理后，熱管水側換熱效率得到提高，熱管內溫度、壓力都有所降低。

但由于不凝性氣體的存在，熱管尾端溫度整體偏低，鍋爐換熱效率相比設計值仍具有差距，因能滿足生產需求，沒有對低溫鍋爐熱管內的不凝性氣體進行處理。

4.2 一系列中溫鍋爐解決方案

針對一系列中溫鍋爐的情況，大修時聯系某公司對一系列中溫鍋爐熱管進行了在線管內工質更換檢修，大體方案如下:封頭割口→加熱排空管內工質→管內清洗→填充工質→封頭尾端安裝閥門→恒溫加熱→閥門排氣→關閉閥門。

檢修后，中溫鍋爐換熱效率得到了很大提高，如下表7所示:

表7 硫酸一系列熱管鍋爐2010年1月換熱效果工況參數

熱管尾端溫度整體提升了44℃，測鍋爐箱體上部198根熱管尾端的溫度列表如表8所示:

表82010 年1月測量一系列中溫鍋爐箱體上部198根熱管尾端溫度數據/℃

通過表7、表8可以看出，檢修后，中溫鍋爐換熱效率沒有達到設計值，且熱管尾端溫度波動很大。分析原因如下:

(1)因熱管是傾斜放置的，在線清洗過程中，管內雜質很難徹底清理干凈，并且無法實現熱管內壁鈍化保護，可能會影響熱管適用壽命以及換熱效率。

(2)填充熱管管內工質時，完全是根據檢修人員的經驗來添加的，工質的添加量很難準確計量，部分熱管管內工質的添加量可能偏離最佳范圍之外，影響熱管換熱效率。

(3)因本次檢修是在線修復熱管，只能利用制酸系統的熱量加熱熱管，使管內介質汽化，再通過尾端排氣閥排氣，以確保管內真空度。但在實際過程中，因制酸煙氣的偏流等原因，會造成熱管受熱不均勻，管內壓力不一致，同時排氣時是根據人的經驗來確定排氣時間的，最終可能導致管內真空度不一致。

作為應急性的維修來講，本次在線熱管修復還是成功的，出口溫度降低了30℃，提高了熱管鍋爐的換熱效率，至2011年9月，一系列中溫熱管鍋爐運行穩定。

5 結論

(1)熱管鍋爐運行過程中，管內工質會與管壁發生反應，產生氫氣，使熱管換熱效率降低，管內壓力上升，嚴重時會導致熱管炸裂。

(2)1.0MPa蒸汽壓力工作條件下，熱管尾端溫度正常范圍為135℃～180℃之間，管內聚集氫氣，會使熱管尾端壁溫降低;水套管內結垢，會使熱管尾端壁溫升高。

(3)通過在線更換熱管工質，可以恢復熱管的換熱效率，延長熱管的使用壽命。

［1］D奇澤姆.熱管［M］.北京:國防工業出版社，1976:39.

［2］莊駿，張紅.熱管技術及其工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2000:132.

［3］黃國道，謝中建.熱管鍋爐在金隆銅業硫酸裝置的應用實踐［J］.硫酸工業，2010(3):40－43.

［4］魏寶明，章忠星.水－碳鋼熱管的腐蝕研究［C］//第二屆全國熱管會議論文文集，1988:56－61.

［5］章忠星，魏寶明.水－碳管熱管不凝性氣體的積累［C］//第二屆全國熱管會議論文文集，1988:121.

［6］郎逵，喬中復，尚國森.熱管技術與應用［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1984:148－149.

Analysis and Treatment on Efficiency Depression of Waste Heat Pipe Boiler

WEI Hai－bin，ZHOU Zhi－hong

(Guixi Smelter，Jiangxi Copper Corporation，Guixi，Jiangxi 335424，China)

Guixi smelter used heat pipe waste heat recovery technology in acid making with smelting gas conversion process for the first time.After 2 years operation，the heat exchange efficiency of waste heat pipe boiler was decreased.Guixi Smelter summarized and analyzed the reason;the heat exchange efficiency reduction was caused by the non－condensable gas and incrustant，implemented online maintenance technology firstly in domestic copper industry，acquired oblivious achievements.

heat pipe;boiler;efficiency;non－condensable gas;incrusting;repairing

TK229.92+9

B

1009－3842(2012)05－0014－04

2012－02－03

魏海彬(1980－)，男，河南許昌人，本科，主要從事煙氣制酸和廢水處理工作。E－mail:weihaibin0374@163.com