原料气预热器

一、工作原理

1. 热流体侧：高温介质（如 150℃的蒸汽）流经换热设备的一侧（管程或壳程），释放热量后温度降低，排出设备。

2. 原料气侧：低温原料气（如 20℃的天然气）流经另一侧，吸收热量后温度升高（如升至 100℃），达到工艺要求的温度后进入下一环节（如反应器、燃烧炉）。

3. 传热机制：通过热传导（热量通过管壁传递）、对流传热（热流体与管壁、原料气与管壁的对流换热）实现热量传递，部分设备可能涉及辐射传热（如高温烟气加热场景）。

二、常见结构类型

1. 管壳式预热器

• 结构：与管壳式蒸发器 / 冷凝器类似，由壳体、管束、管板、折流板等组成。

• 热流体：通常走壳程（横向冲刷管束，强化传热）。

• 原料气：走管程（多管程设计可提高流速，增强换热）。

• 特点：

• 适用于大流量、高压原料气的加热（如合成氨工艺中的原料气预热）。

• 可通过折流板调整热流体流向，提高壳程流速和湍流程度。

• 需注意管程压力降（原料气若为高压气体，需选择耐高压管材）。

2. 板式预热器

• 结构：由一组金属波纹板片叠加组成，板片间形成流体通道。

• 热流体与原料气：交替流经板片两侧，通过板片换热。

• 特点：

• 传热效率高：波纹板片增大接触面积，流体湍流程度高（比管壳式高 2-3 倍）。

• 体积小、重量轻：适用于空间受限场景（如燃气轮机燃料气预热）。

• 压力降较大：适合低压气体（如空气、低压天然气），不适合高压工况。

3. 翅片管式预热器

• 结构：在光管外表面加装翅片（如横向翅片、螺旋翅片），增大热流体侧的传热面积。

• 热流体：多为气体（如高温烟气），走壳程，翅片强化气体侧的对流传热（气体传热系数低，翅片可弥补这一缺陷）。

• 原料气：走管程（如压缩空气、合成气）。

• 特点：

• 适用于热流体为气体的场景（如锅炉烟气余热回收加热助燃空气）。

• 翅片类型需根据介质特性选择（如耐腐蚀翅片用于含硫烟气场景）。

4. 套管式预热器

• 结构：由两根不同直径的同心套管组成，内管走原料气，环隙走热流体（或反之）。

• 特点：

• 结构简单、易于制造，适合小流量、高压气体加热。

• 可通过串联多段套管增加换热面积，灵活性高。

• 金属耗量大，大流量场景成本较高。

5. 蓄热式预热器（再生式）

• 原理：利用蓄热体（如陶瓷球、蜂窝陶瓷）先吸收热流体的热量，再将热量释放给原料气，实现间接换热。

• 特点：

• 适用于高温气体加热（如冶金炉窑的助燃空气预热），回收废热效率高（可达 90% 以上）。

• 需成对使用（一蓄热、一放热），周期性切换气流方向，系统复杂。

三、主要应用场景

1. 化工合成反应

• 如合成氨工艺中，将原料气（N₂、H₂混合气）预热至 300-500℃，提高催化剂活性和反应速率。

• 甲醇合成中，预热合成气（CO、H₂）至 200-300℃，满足反应器温度要求。

2. 燃料气加热

• 燃气锅炉、燃气轮机的燃料气（天然气、煤气）预热，提高燃烧效率，减少污染物排放（如降低 NOx 生成）。

3. 气体干燥与输送

• 压缩空气预热：防止空气中的水分在管道中冷凝结冰，影响气动设备运行。

• 天然气预热：在液化前预热以调整温度，或在输送前加热防止水合物生成（如高压输气管道中，天然气温度过低可能形成固态水合物堵塞管道）。

4. 废气处理与余热回收

• 工业废气（如高温烟气）通过预热器加热原料气，实现废热回收，降低能耗（如钢铁厂加热助燃空气）。