热管热风炉在密集烤房中应用存在的问题与对策

摘要 基于现有密集烤房列管式热风炉换热效率普遍较低问题，有针对性的设计研发、制备了以热管为传热元件的热管式热风炉，通过烟叶烘烤试验，对热管式热风炉在密集烤房应用中存在的高温烟气与空气的换热问题以及积灰、结露和腐蚀等进行探索，并提出相应的解决方法。

关键词 密集烤房;热管热风炉;高温换热;积灰;结露

中图分类号 S26+3文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）35-0183-05

密集烤房的推广应用在烤烟生产中发挥了重要作用，较好地促进了我国烤烟适度规模化的发展。但是，目前密集烤房中应用的列管式热风炉普遍存在热效率低的问题，烟叶烘烤所需热量仅占现有燃烧炉燃料发热量的30%左右[1]，无效能耗过高，存在很大的节能潜力。

热管作为一种高效传热元件，换热效率高，节能效果显著，近年来在锅炉、冶金、化工等众多领域的余热回收、节能方面获得成功，取得了显著效果。而在烟叶烘烤加工领域的研究和应用甚少，目前还未见到成功应用案例和相关的试验研究报告。

热管的传热效率很高，但在实际工程应用中也会受到自身特性和具体应用条件的限制，以燃煤作燃料的热管热风炉而论，高温烟气与空氣的换热问题以及积灰、结露和腐蚀等都是热风炉设计和应用中普遍存在的问题。笔者结合现有密集烤房实际应用工况，以碳钢-水热管热风炉为研究对象，有针对性地设计研发、制备热管热风炉供热系统，通过烟叶烘烤应用试验，对这些问题进行研究探索，并提出相应的解决方法。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用热管热风炉由河南新诺热管技术有限公司组织设计和生产。热管热风炉由燃烧炉和热管换热器组成;热管换热器由热管和管箱构成;热管材质为低碳钢无缝管;热管在换热器上的设置方位采用的是横向倾斜设置方式;热管冷凝段（散热段）设置有螺旋翅片，热管冷凝段为开放型散热结构;热管蒸发段（受热端）为光管;热管换热器烟气进口高温区域热管的蒸发段为变长度阶梯形配置[2]，热管换热器空气侧热管的冷凝段为等长度配置;热管热风炉为燃烧和散热一体化设计结构，燃烧炉的混合烟气可以直接进入换热器，流经热管蒸发段后从换热器顶部进入排烟出口。热管工质为注入有高浓度缓蚀剂的复合型水工质。

热管热风炉热管结构参数Ⅰ如下：热管总数72支，热管直径32 mm，横向管间距105 mm，纵向管间距90 mm，空气侧翘片高13 mm，空气侧翘片厚1.5 mm，空气侧翘片节距5 mm。

热管热风炉热管结构参数Ⅱ如下：冷凝段长度400 mm，蒸发段长度：第1排130 mm，第2排190 mm，第3排250 mm，第4排320 mm，第5排380 mm，第6～8排400 mm。

1.2 方法 2017年7月20日—9月20日在襄城县汾陈乡大路村烟叶烘烤工场955号烤房开展研究。以内蒙古产原煤为燃料。

将试验设置热管热风炉安装固定于试验烤房供热室循环风机的下方。

配套设施中烤房温、湿度控制系统采用辽宁海帝升公司生产的HD-6型控制器;热风循环系统采用福建华达公司生产的1.5～2.2 kW变速循环风机;供风机采用贵阳九州公司生产的ZY-150型鼓风机;试验过程不改变现有烟叶烘烤模式，按照三段式烟叶烘烤工艺操作运行。

试验对热管热风炉在密集烤房应用中高温烟气与空气换热的安全可靠性以及热风炉在应用中的积灰、结露和腐蚀等进行监测考察，目的是探索热管热风炉在密集烤房特定条件下的应用，验证该研究提出的热管热风炉燃烧与散热一体化结构在密集烤房中应用的可行性和适用性。

2 结果与分析

在本年度烟叶烘烤期间，热管热风炉共进行烟叶烘烤试验7炕次，累计运行1 000 h以上，在每炕次烟叶烘烤停火以后均对热管换热器进行打开检查，跟踪监测结果显示：热管换热器所有热管元件工作性能完好，传热正常，热管换热器中热管单元均未出现爆管现象。热管蒸发段（烟气侧）没有形成大量的严重积灰。换热器管箱壁面和热管蒸发段外壳表面均未出现粘性“结灰”层，表明热管换热器不存在酸露腐蚀问题。由于热管为横向倾斜设置方位，热管蒸发段迎风面及侧面无积灰现象，只有热管蒸发段背风面涡流区的脊背上形成有尖劈状流线型积灰，但积灰的量很小。设备不存在因大量积灰堵塞而造成的局部磨损腐蚀问题。根据现场监测分析，即使隔炕不能及时清理，少量灰尘对设备的整体换热性能也不会造成明显影响，且热管蒸发段脊背上的少量积灰都是疏松灰，经气泵吹扫或敲打很容易清除。

根据本年度烟叶烘烤试验统计结果对比分析，与现有热风炉相比，热管热风炉烘烤上、中、下3个部位烟叶的千克干烟耗煤量分别节省燃煤0.66、0.59和0.45 kg/kg;节能效率分别为30.60%、33.70%和34.6%;平均节能效率达到32.97%[3]。

由于目前没有成功的应用案例可以借鉴，热管热风炉在密集烤房中的应用还处于探索性试验研究阶段。热管的换热效率虽然很高，但根据现有密集烤房基础条件和三段式烟叶烘烤工艺条件分析，热管热风炉在密集烤房中的应用仍然会存在一些问题，我们通过烟叶烘烤试验应用对这些问题进行研究探索，提出相应的解决办法，以供探讨。

2.1 热管热风炉选型设计问题

2.1.1 热管热风炉选型设计问题分析。

就烟叶密集烤房而言，其现有的基础结构和配套设施已经过国家主管部门规范和定型，新设备的结构形式、应用方式和工作性能必须与现有密集烤房具备高度的适用性，必须满足既定的烟叶烘烤工艺条件的要求，所以在具体工况条件确定以后，新设备的结构选型设计非常关键，如果选型设计不到位，就会出现事倍功半的结果。与普通烤房相比，密集烤房具有较多方面的优势，但密集烤房普及应用已有多年的历史，随着我国经济的快速发展、科学技术的进步和现代烟草农业战略的实施，现有热风炉已经显现出落后于时代发展的技术特征，换热器结构长期存在积灰、结露和“结垢”现象，导致设备热能转换效率较低，提高设备热效率是选型设计中重点解决的问题。同时，民用产品不能不惜一切代价的只求结果，必须考虑其经济性，在保证产品的技术性能能够满足生产要求的条件下，尽量采用工艺简单、取材方便和成本较低的结构和材料。

2.1.2 解决方法。

采用結构简单、成本较低的碳钢—水重力热管，控制设备成本;合理调整热管冷、热两段长度的合理比值，高温区热管蒸发段采用变长度阶梯形配置，尽可能减少高温区热管蒸发段长度，控制热流密度输入，降低热管工作温度，保障设备安全稳定运行;改进热风炉的结构设计，采用燃烧和散热一体化结构设计方案，提高热管蒸发段环境温度，防止或避免热管低温结露和灰尘结垢;热管蒸发段采用滑璧光管形式，解决或缓解设备大量积灰问题;热管冷凝段设置螺旋翅片，扩展散热面积，实现强化换热，提高设备换热能力;热管采用横向倾斜设置方式，螺旋翅片迎合密集烤房的热风工艺流程，增大换热系数，提高设备的换热效率。

2.2 碳钢-水热管在热风炉高温区段的换热问题

2.2.1 碳钢-水热管在高温区段换热问题分析。

热管是一种高效的传热元件，已在众多领域余热回收方面获得成功，取得了显著效果，而在热风上的应用比较少[9]，尤其是在现有密集烤房条件下应用的热管热风炉，具有特定的使用环境和工艺条件要求，燃烧与散热一体化的结构设计可以提高热管蒸发段环境温度，避免热风炉使用中存在的结露和灰尘结垢等问题。但是，燃烧与散热一体化结构带来的换热问题成为一个突出的矛盾。在热管热风炉运行过程中，热管换热器中的热管单元分别处在不同的工作温度区域，换热器烟气进口区域温度较高，与换热器中部和上部区域存在明显的温度梯度，每个热管单元的负荷不均匀，有的热管可能达到或超过临界负荷（最大热流），同时也有可能有的热管负荷很小。虽然有些厂家在设计热风炉时将热管作为传热元件，但由于温度区域的不同，他们只能在高温区采用高温热管（工质为钾或钠），中温区和常温区采用中温热管（工质为萘或汞）和碳钢—水热管[4]。由于高温热管制造材料昂贵，制造工艺复杂，造价较高，产品成本难以控制，会影响热管在热风炉中普及应用。碳钢—水热管具有热传输能力大、均温性能优良、结构简单、价格较低等特点。如果在热风炉的高温区亦能采用成本较低的碳钢—水热管，则是拓宽热管应用领域的很大促进，对热管技术在烟叶烘烤加工领域普及应用带来一定的优势。但是，碳钢—水热管是以注入有复合添加剂的清洁水为工质的一种常温热管，屠传经等[5]研究表明，目前国内的允许温度可达300 ℃左右，以供热量167.5 J/h热风炉为例，高温区理论计算烟气入口温度为815 ℃左右，在这种工艺条件下，换热器全部采用碳钢—水热管，常因烟气温度过高而产生爆管问题。热管在高温流体中的传热和成本控制问题是热管热风炉设计和应用遇到的一个较大的难题。

2.2.2 解决办法。

碳钢—水热管在热管热风炉高温区应用，关键问题在于如何控制热管内部的工作温度[6]，使其不超过热管的允许工作温度，这是防止热管爆裂问题的核心。热管工作温度是指热管工作时热管内部的工作温度。根据热管传热特性，热管工作温度取决于蒸发段和冷凝段的温度和它们长度之间的合理比值，热管冷、热两端的长度比以及换热面积的大小对热管内部工作温度及管内压力有很大影响[7]。由于热管中蒸发和凝结的空间是分开的，热管冷、热两段的各种参数都可以灵活地做出调整，可通过改变冷、热两侧换热面积的方式实现热流密度变换，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，变换比例可以在较大范围内变化[8]。能够实现对热量输入的控制和内部工作温度的调控，从而解决一些其他热风炉难以解决的换热难题。采用热流密度变换法，调整热管加热段和冷却段的传热面积，在高温区尽可能减少热管受热段的传热面积，增大热管吸热端与热流体之间的热阻，降低热流密度输入，控制单根热管的传输功率，可以有效控制热管内部的蒸汽温度，从而实现降低热管工作温度的目的。

我们的具体做法是：将热管换热器高温区热管蒸发段不设置换热翅片，采用滑璧光管结构，减少热管蒸发段传热面积，控制热流密度输入，再根据热管冷、热两段长度的合理比值对蒸发段传热面积做出进一步调整，烟气进口高温区域热管蒸发段（加热段）采用变长度阶梯形配置，逐步缩短高温区热管蒸发段长度;中排和后排热管蒸发段采取不增加或少增加翅片的措施;同时，热管冷凝段（散热段）设置螺旋翅片，扩展散热面积，强化换热能力，实现高温区热管的传输功率减少、低温区热管的传输功率适度上调，调控热管内部蒸汽温度，使热管内部工作温度降低至300 ℃以下。

根据现有密集烤房工艺条件分析，在热风炉运行期间，现有密集烤房的循环风机全压在200～250 Pa下，以15 000 m3/h流量全天候运行，通过调整热风炉高温区热管蒸发段传热面积，热流密度输入受到控制，而热管冷凝段的散热翅片面积具备足够的换热能力，热管蒸发段和冷凝段之间存在较大温差，在此工况条件下，热管的工作温度在热流体和冷流体之间总是偏向热阻较小的一侧而取决于换热系数大的一侧的流体温度[9]，在冷流体畅通运行的工况下，热管元件在工作过程中不存在热积累条件，外部的工作环境条件为热管安全运行提供了有利保证。试验结果表明，按照这种方法通过设计计算完全是可行的，通过这种方法设计计算的热管换热器在密集烤房热风炉中应用已获得成功，在本年度烟叶烘烤试验过程中，热风炉累计运行1 000 h以上，热管换热器一直工作正常，热管元件没有出现爆管现象。

2.3 积灰问题

2.3.1 积灰的危害与分析。

热风炉中热管积灰是普遍存在的问题，含尘烟气流经热管换热器的受热面，热管蒸发段会逐渐形成积灰，轻则增加受热面热阻，影响受热面热量的传递，并使烟道流通截面减小，流动阻力增大，降低换热器的性能和效率;重则导致换热器堵塞，换热失效，严重影响设备运行的安全性和经济性;换热器大量积灰堵塞还造成设备局部磨损腐蚀，使换热器早期损毁，甚至报废。积灰问题已成为换热器能否正常运行的一大隐患。

在热管余热回收设备当中，通常是在烟气风道压力降允许的范围内，采用适当提高烟气流速的方法，增强烟气横掠热管时的扰动性，使气流产生自清灰作用[10]。而热风炉不同于一般的换热器，供热量是热风炉设计中的一个重要参数，特别是密集烤房中应用的小型热风炉，通过增大供风量调整烟气流速得不偿失，不适当增加冷风量必然会降低炉膛温度;增大供风量会造成换热阻力急剧增加，因为阻力与速度的平方成正比;炉膛内风压升高会造成炉膛向外喷火增加热损失;增大烟气流速会加快热量排放，对设备的热效率产生极大影响。

在热风炉设计和使用当中，一般是根据烟气含尘量的大小，通过加大翅片间距及管间距或改变翅片形状来改善热风炉的积灰问题。但是，根据本项目同时设置的对照试验表明，受限密集烤房热风炉的换热条件和燃料性质的决定，对于含粉尘燃料来说，即使在一定范围内加大翅片间距也会出现大量严重积灰，热管积灰问题是关系到热风炉应用成败的关键因素之一。

2.3.2 解决办法。

积灰的现象虽然十分普遍，但是积灰形成的机理却十分复杂，积灰的性质和成分也差异甚大，因此难以提出一套普遍适用的办法来解决积灰问题。该研究主要根据密集烤房的使用场合和条件，提出应采取的措施及对策。

工程应用实践表明，在防止热风炉积灰问题上，从换热器结构设计上考虑是十分重要的，如果结构选型设计不合理，无论采取什么措施加以补救都难以避免积灰给设备带来危害。为此，根据密集烤房的具体应用工况，从结构设计上采取应对措施，将热管蒸发段采用滑璧光管结构，消除热管蒸发段因附加换热翅片而产生大量积灰问题;热管管束在管板上的分布采用错排定位设置，不但可以对热管管束之间距离做出调整，而且下游管束气流流动方向是错开排列的，烟气几乎是以相同的方式直接冲刷错排管束，并且气流流动方向和速度大小在错排管束中间总是扰动变化的，气流扰动运行会对滑璧光管管束产生一定的冲刷作用，在这样的情况下，热管蒸发段积灰的条件和机会将大大减小，从而可以防止热管蒸发段出现大量严重积灰问题。为了维护热风炉正常工作状态，保持设备的换热效率，在热管换热器管箱两侧设置了清灰门，既便于开闭又具备较好的密封性，以方便灰尘清理。试验证明，只要大量积灰问题能够得到解决，对于热管形成的少量积灰，采用气泵进行吹扫处理，灰尘很容易清除，热管热风炉积灰问题是可以得到改善和解决的。

2.4 结露问题

2.4.1 结露的危害与分析。

烟气的露点温度与燃料中的含硫量和相应位置的气压有关，在一定的大气压力下，逐渐降低排烟温度，空气中所含水蒸气达到饱和状态时，热管换热器的金属表面会形成结露。在这种情况下，水分子与烟气中的硫分子结合形成的强酸（H2SO4），会对设备造成严重腐蚀，缩短设备寿命，使设备提前报废，对设备的危害和影响很大。燃料中含硫愈多，在金属璧上结成的水滴就会愈危险。另一方面，低温腐蚀往往与灰尘结垢相伴而行，当受热璧面温低于结露温度点时，酸露就会在金属壁面上凝结，湿润并腐蚀壁面，烟气中的灰尘与水分结合粘附在金属表面上形成粘结性很强的酸性粘结层，不容易清除，不但对设备造成腐蚀，而且带来的附加热阻较大，严重影响受热面的热量传递，大幅度降低设备的换热能力，使换热器无法正常工作，严重时造成换热器失效，甚至报废。结露问题一直是影响换热器正常运转的威胁和隐患。目前露点腐蚀和防护也是普遍存在的难题。

2.4.2 解决办法。

国内大部分燃煤的含硫量大约在1%，在一定大气压力环境条件下，换热器的结露温度一般在120～130 ℃[11]。解决热风炉酸露腐蚀问题，通常是根据烟气的露点温度合理确定排烟温度，让排烟温度高于露点温度20～30 ℃，从换热器流出的尾气温度一般应控制在150 ℃以上即可有效防止酸露腐蚀问题。

但是，从现有密集烤房的工艺条件分析，在换热器结露问题上，“分离式”热风炉不适合在现有密集烤房条件下应用。“分离式”热风炉是指热风炉的“燃烧”与“换热”分离设置的热风炉，现有密集烤房的间壁式热风炉就是一种典型的“分离式”热风炉。由于现有密集烤房工艺条件的限定，在整个烟叶烘烤过程中，结露温度始终贯穿整个烟叶烘烤周期全过程，在现有密集烤房条件下，采用任何措施热风炉的结露现象都不可避免，这是由既定的三段式烟叶烘烤工艺所决定的。在烟叶烘烤过程中，虽然热风炉某个工作时段的排烟温度还比较高，但由于三段式烟叶烘烤工艺对各个時段不同温度的限定，热风炉受自动控制系统对温度的控制，鼓风机的运行有一个间断过程，炉膛内燃料燃烧时断时续，在鼓风机间断运行期间，与燃烧炉相互分离的换热器等于脱离了热源，在循环风机全天候运行的工况条件下，换热器璧温随时都可能进入结露温度范围，形成酸露腐蚀和灰尘结垢。《密集烤房技术规范》对热风炉的耐酸钢材质进行限定，有效提高了设备抗酸腐蚀能力，但并未改变换热器因结露带来的灰尘结垢问题，灰尘垢带来的热阻较大，设备的换热能力受到很大影响，这是现有密集烤房热能利用效率普遍较低的重要原因之一。

在2016年项目前期的调查研究过程中，对王洛镇谢庄烟叶烘烤工场热泵（电炕）设备改造中拆卸下来的几十套间壁式热风炉进行拆解。排查发现，现有密集烤房热风炉中的积灰现象，除了换热管下部累积的灰尘是由于烟道阻力形成的疏松灰，而换热器联箱壁面（a）、换热器管板壁面（b）及换热管圆周内壁（c）上的灰尘全部是粘性“结灰”，都是由于换热器因低温结露形成的结果。

以热管为传热元件的热管换热器在抗低温腐蚀方面较其他换热器具有一定的优势，它可以通过调整热管冷、热两段结构参数来调整和提高热管蒸发段最低璧温，预防和解决低温结露问题，但根据该项目同期设置的对照试验结果表明，由于受现有密集烤房工艺条件的限制，“分离式”热管热风炉的结露和灰尘结垢问题也无法避免。由于三段式烟叶烘烤工艺在密集烤房中形成的基础条件，除了选用耐高温和抗酸蚀材料来提高设备的抗腐蚀性能外，现有密集烤房热风炉的“结露”和“灰尘结垢”问题会长期存在，无法得到彻底解决。从提高密集烤房热能利用效率来讲，“分离式”热风炉不适合现有条件的密集烤房应用。

总的来说，结露与温度有关，如果能够将热管蒸发段壁温一直维持在临界结露温度以上，热管蒸发段一直会处于干燥状态，就不会出现酸露腐蚀问题，灰尘结垢问题也就可以避免。然而，在热风炉设计和应用中，只要高温烟气与空气的换热问题能够得到解决，热管热风炉燃烧与散热一体化结构设计可以提高热管蒸发段的环境温度，从而解决热管热风炉因低温结露带来的酸露腐蚀和灰尘结垢问题。

实际上，燃烧炉是一个“蓄热式”保温容器，由于炉膛容积不大，在烟叶烘烤过程中，即使在鼓风机间断运行的情况下，短时间内燃料的燃烧并没有完全停止，炉膛燃料的明火（包括辐射热）形成的环境温度大大高于临界结露温度（120～130 ℃），在这种工况环境条件下，热管蒸发段的壁面会一直呈现干燥状态，换热器就不会出现酸露腐蚀和形成灰尘结垢层。而排烟温度是由热管换热器所决定的，由于热管换热器的工作特点，使它在抗低温腐蚀方面较其他换热器处于更有利的地位，在防止低温结露问题上具有独到的优势。热管具有热流密度可变换能力，而换热器中热管的蒸发段和冷凝段的空间是分开的，可以通过热管冷、热两段参数的改变对管璧温度做出调整。在换热器结构参数中，热管冷、热两段长度的变化对温度的变化最敏感，在热管蒸发段璧温低于露点温度情况下，适当的调整热管冷、热两侧的长度和换热面积，提高蒸发段最低璧温，低温结露问题即可避免。试验结果显示，在本年度烟叶烘烤应用过程中，经多次对热管换热器进行打开检查，设备一直表现正常，没有发生结露和灰尘结垢现象，表明燃烧与散热一体化的设计思路是可行的，是切合实际的。

2.5 腐蚀问题

这里所述的“腐蚀”问题包涵2个概念，一是以上讨论的低温结露形成的酸露腐蚀，二是热风炉因产生大量严重积灰造成的局部磨损腐蚀，根据设备积灰严重程度的不同，热风炉形成的磨损腐蚀的程度也不尽相同。在热风炉工作过程中，只有在换热器出现大量严重积灰时，才会造成热管烟气侧灰尘棚架堵塞现象，最小阻力法则表明，混合烟气在换热器内流动时，热流总是会沿热阻力最小的通道运行对设备造成局部磨损腐蚀。在一般情况下，严重积灰造成的局部磨损腐蚀是设备正常磨损腐蚀的几十倍甚至上百倍[12]，造成设备提前损坏，给设备寿命和生产安全带来威胁。但是，只要采取积极应对措施，能够有效避免热管热风炉产生大量严重积灰现象，有效缓解或消除烟气流动运行中因灰堵而形成磨损腐蚀的机会和条件，局部磨损腐蚀问题就会得到缓解或解决。

3 结论

在现有密集烤房条件下，碳钢—水热管在热风炉高温区段应用是完全可行的;降低热管工作温度是解决碳钢—水热管适应高温条件下应用的关键;在高含尘介质中使用热管时，蒸发段采用光管结构设计解决热管积灰问题效果较好;热管热风炉燃烧和散热一体化结构设计切合密集烤房工艺条件，可以有效防止酸露腐蚀和灰尘结垢问题;热管热风炉换热效率高，节能效果显著，比现有热风炉要优越得多。

参考文献

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