引言钢厂燃烧化石燃料的锅炉排出的废气温度约200~1 000 ℃，排烟的热损约占燃料供热量的30%~50%。各类轧钢加热炉采用常规管式换热器预热空气，废气排出温度仍超过360~560 ℃，回收利用加热炉废气的余热成为钢厂节约能源的关键途径[1]。热管传热属于相变传热，主要利用封闭空间内换热工质的相变进行热量传递，相变传热具有传输热量大、传递方向可控、传输效率高等优势。碳钢-水热管相容性问题被解决后，碳钢可以作为主材料被用于制作热管，极大地降低了热管的制造成本，加快了热管工业化进程，碳钢被广泛应用于冶金、能源、化工等基础工业领域。热管传热的工作温区为-273~1 000 ℃，但还需进一步提高材料的抗压性能。冶金行业产生大量温度低于500 ℃的烟气，利用热管技术回收热量具有技术及成本优势。径向热管主要由内管和外管组成，内外管之间形成一个封闭空间，充入一定量的换热介质，并排出空气形成真空空间[2-3]。与常规的轴向热管相比，径向热管具有很多优点，其结构与传统热管不同，在部分具有特殊要求的工业设备中可以发挥自身的结构优势，便于换热管的布置。1径向热管工作原理及特性径向热管由内管和外管组成，形成夹套管，内管通入冷流体，外管与内管之间形成封闭空间，充入适量的换热介质（简称工质），排出空气形成真空环境，径向热管属于高效的传热元件。径向热管结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.012.F001图1径向热管结构径向热管与轴向热管的传热方向不同，轴向热管沿着管长方向传递热量，径向热管沿着热管直径方向传递热量。热介质的热量由外管上的翅片经外管壁传给腔体内的工质，工质受热汽化，沿着环形腔体径向流动，借助压力差迅速流向内管外壁；汽化状态的工质在内管外壁进行热交换后冷凝，在重力的作用下返回外管内壁，实现两种冷热介质之间的热量传递。（1）等温性能更高。径向热管内的工质蒸汽流通截面较大，在环形腔体径向流动，导致工质汽化后的蒸汽流速较慢，流动距离较短，摩擦阻力损失较小，热管元件受热面的等温性能较好，外管表面各点的温度基本相等，约等于管腔内工质的饱和蒸汽温度；轴向热管中的热量沿轴向传递，横截面为热管的轴向截面，截面面积较小，工质蒸汽流速较快，流动距离约等于热管长度，等温性受热管长度影响，明显低于径向热管。（2）传热功率更高。径向热管的流通截面远大于轴向热管流通截面，工质汽化后流动的压头损失较小，温差损失较小。在同等条件下，径向热管传递的热量比轴向热管多。（3）启动性能更好。径向热管启动时，外管的外壁先受热，第一时间将热量传递给内管内的冷工质，与轴向热管相比，径向热管的启动时间较短。（4）使用寿命更长。考虑生产成本，工业应用常应用碳钢-水热管，换热工质为加入缓蚀剂的蒸馏水，可以在一定限度上防止工作腔体中产生不凝结气体。不凝结气体在工作腔体中的占比越大，热管的传热性能越低，影响热管的使用寿命。径向热管的流动空间大，相同条件下，不凝结气体在径向热管工作腔体中的占比小于轴向热管，径向热管的使用寿命比轴向热管更长。（5）耐腐蚀性更好。径向热管的等温性能优于轴向热管，且换热工质的蒸发状态流动距离较短，温度梯度较小。冷热工质分别为液体和气体时，径向热管的外管外壁添加翅片，增大了换热面积，内管内壁为光管状态，气体侧的换热面积远大于液体侧的换热面积，能够有效提高热管外壁面温度，缓解露点腐蚀现象。径向热管为内外管结构，外管被腐蚀穿孔后仍具有一定的传热能力，但轴向热管管壁穿孔后立即失效。2不同省煤器在无取向高牌号硅钢常化退火炉余热回收系统中的应用新钢新材无取向高牌号硅钢常化退火炉项目中，需要在NOF/PH段设置一套烟气余热回收系统。将pH段管式空气预热器中流出的约450 ℃的烟气供入热管蒸发器，热管蒸发器利用烟气余热产生蒸汽，烟气为退火炉燃烧焦炉煤气产生，含有一定量的二氧化硫。热管蒸发器后设置径向热管省煤器，省煤器将常温软水预热后供入热管蒸发器，从而节约能量，同时将烟气温度进一步降低至约160 ℃；余热回收系统还设置了除氧器、水箱、加药装置、排污装置、主备给水泵等设备。常化炉燃料为焦炉煤气，烟气的含硫量较高，普通的翅片管式气-水换热器能够满足换热要求，但在防腐和气密性方面不具备优势。从传热方式的角度分析，翅片管换热器属于间壁式换热器，存在焊接问题或露点腐蚀导致轻微漏水时，露水处迅速扩大，从而影响余热系统的运行。热管省煤器属于中间载热体式换热器，适用于工业余热回收利用。2.1轴向热管省煤器轴向热管省煤器结构如图2所示。设备主要由多根轴向热管、烟气侧箱体、水侧箱体密封焊接组成。烟气侧箱体和水侧箱体之间利用管板连接。考虑设备的气密性参数，管板采用双面焊接技术，热管蒸发段垂直位于烟气侧箱体内，蒸发段外壁焊接翅片，以增大受热面积；冷凝段在水侧箱体内，为光管结构[4]。轴向热管换热器的结构存在一定的弊端，烟气侧箱体和水侧箱体管板附近的热管和管板温度较低，容易导致烟气中的二氧化硫等腐蚀性气体结露在管板和热管表面，热管壁厚和焊缝比管板薄，热管管壁和焊缝最先被腐蚀穿孔。热管与管板的焊接点较多，焊缝比管板薄，焊缝处出现微小漏点时，水箱侧的水缓慢渗透至烟气侧箱体，溶解烟气中的二氧化硫等气体生成酸，进一步加快漏点的腐蚀速度，轴向热管省煤器设备是整体式的，管板泄露无法焊接修补，只能报废整台设备[5-6]。因此，不采用此方案。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.012.F002图2轴向热管省煤器2.2倾斜布置的轴向热管省煤器倾斜布置的轴向热管省煤器中的热管与水平面成一定的夹角，是对普通热管省煤器方案的改进，主要适用于烟道垂直走向段。立式轴向热管省煤器如图3所示。烟囱前烟道为水平走向，不予采用此方案。倾斜布置的轴向热管省煤器需要将烟气侧箱体和水侧箱体做成左右结构，热管倾斜布置需要一定的支撑强度，导致设备体积较大、重量较重、成本增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.012.F003图3立式轴向热管省煤器煤气发电以及干熄焦工艺中，烟气还存在大量灰尘以及水分，灰尘中的大颗粒固体高速冲刷省煤器中的换热管，使换热管出现不同程度的磨损。为了降低烟气中固体颗粒对换热管的磨损，在换热管的迎风面增加防护板，此设计可以在一定限度上保护换热管，但会导致换热性能降低，增加烟气阻力。烟气中的水分和细灰尘常黏附在换热管表面，使传热热阻增大，增加了烟气中二氧化硫在此处反应的概率，形成酸性物质，从而腐蚀换热管表面。灰尘较细且含水，使用过程中很难利用吹灰器在线除尽，只能在停机时对正面的换热管进行高压水冲洗。2.3径向热管省煤器径向热管省煤器工艺流程如图4所示。径向热管省煤器由烟气侧箱体、径向热管管束、进水集箱、出水集箱、进水管、出水管等部件组成，径向热管在烟气侧箱体中水平成列放置，一端连接进水集箱，另一端连接出水集箱。径向热管在烟气侧箱体内的外露部分添加防腐涂层，防腐材料为金属柔性搪瓷。径向热管之间利用180°弯头连接，弯头布置在烟气侧箱体之外的密封盒内。因此，径向热管的焊缝、径向热管与弯头的焊缝均被隐藏在密封盒内，与烟气不接触，避免了流通水的管道焊缝受烟气腐蚀的风险。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.012.F004图4径向热管省煤器工艺流程径向热管省煤器结构如图5所示。与轴向热管省煤器和立式轴向热管省煤器相比，径向热管省煤器未设置水集箱，采用尺寸为φ57 mm的集水管，与径向热管外管直径相同，径向热管内管尺寸为φ25 mm。根据《低中压锅炉用无缝钢管》（GB 3087—2008），径向热管材质选择20#碳钢，翅片选用08F翅片，换热管和集箱具有较好的承压能力，预热水温可以达到100 ℃。换热管后6排基管和翅片均采用ND钢材质，ND钢是目前国内外最常用的耐硫酸低温露点腐蚀用钢材，性价比高，价格仅略高于普通碳钢，远低于不锈钢，被大量应用于中低温含硫烟气的设备制造过程。翅片与外管采用高频电阻焊接，焊接紧密牢固，接触热阻小，沿烟气流动方向后6排换热管的翅片间距较稀，以提高管壁温度。径向热管在烟气侧箱体内的外露部分加涂金属柔性搪瓷，进一步加强了换热元件的防腐性能，提高设备的使用寿命。径向热管省煤器的集水管利用隔板隔断，增加了给水流程，使设备更加紧凑。径向热管及其与省煤器壳体的焊接点全部在壳体外部，与烟气不接触，避免焊接点受烟气腐蚀而穿管；设备的热管损坏时，可以在壳外采用短接法，隔开此热管，设备可以照常运行，不影响生产。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.012.F005图5径向热管省煤器结构使用余热回收系统时，保持径向热管省煤器的水循环旁路具有一定的开度，保持省煤器里的水能够流动，防止省煤器中的水出现局部不流动现象，缓慢蒸发形成气堵；省煤器中间集管上的排气口应保持微常开状态，以便及时排出聚集在集管内的气体，防止集管及弯头出现氧腐蚀现象。无取向高牌号硅钢常化退火炉余热回收系统中应用径向热管省煤器能够满足工艺要求，正常生产时排烟温度能够控制在规定温度180 ℃左右，Tb点测温约140 ℃，给水处于过热状态，约120 ℃，生产中不需要经常维护，经过项目跟踪，使用2年后未发现换热管的明显腐蚀现象。3结语径向热管省煤器较轴向热管省煤器体积小，结构紧凑，可以较好地防止酸性气体露点腐蚀。径向热管省煤器未设置给水集箱，具有很好的承压能力，预热水温达到100 ℃。径向热管省煤器在项目中的应用深化了热管换热技术在无取向高牌号硅钢常化退火炉余热回收系统工艺中的发展，为硅钢常化退火炉工艺中的余热回收系统设计提供参考。