一、工作原理

1. 熱流體側：高溫介質（如 150℃的蒸汽）流經換熱設備的一側（管程或殼程），釋放熱量后溫度降低，排出設備。

2. 原料氣側：低溫原料氣（如 20℃的天然氣）流經另一側，吸收熱量后溫度升高（如升至 100℃），達到工藝要求的溫度后進入下一環節（如反應器、燃燒爐）。

3. 傳熱機制：通過熱傳導（熱量通過管壁傳遞）、對流傳熱（熱流體與管壁、原料氣與管壁的對流換熱）實現熱量傳遞，部分設備可能涉及輻射傳熱（如高溫煙氣加熱場景）。

二、常見結構類型

1. 管殼式預熱器

• 結構：與管殼式蒸發器 / 冷凝器類似，由殼體、管束、管板、折流板等組成。

• 熱流體：通常走殼程（橫向沖刷管束，強化傳熱）。

• 原料氣：走管程（多管程設計可提高流速，增強換熱）。

• 特點：

• 適用于大流量、高壓原料氣的加熱（如合成氨工藝中的原料氣預熱）。

• 可通過折流板調整熱流體流向，提高殼程流速和湍流程度。

• 需注意管程壓力降（原料氣若為高壓氣體，需選擇耐高壓管材）。

2. 板式預熱器

• 結構：由一組金屬波紋板片疊加組成，板片間形成流體通道。

• 熱流體與原料氣：交替流經板片兩側，通過板片換熱。

• 特點：

• 傳熱效率高：波紋板片增大接觸面積，流體湍流程度高（比管殼式高 2-3 倍）。

• 體積小、重量輕：適用于空間受限場景（如燃氣輪機燃料氣預熱）。

• 壓力降較大：適合低壓氣體（如空氣、低壓天然氣），不適合高壓工況。

3. 翅片管式預熱器

• 結構：在光管外表面加裝翅片（如橫向翅片、螺旋翅片），增大熱流體側的傳熱面積。

• 熱流體：多為氣體（如高溫煙氣），走殼程，翅片強化氣體側的對流傳熱（氣體傳熱系數低，翅片可彌補這一缺陷）。

• 原料氣：走管程（如壓縮空氣、合成氣）。

• 特點：

• 適用于熱流體為氣體的場景（如鍋爐煙氣余熱回收加熱助燃空氣）。

• 翅片類型需根據介質特性選擇（如耐腐蝕翅片用于含硫煙氣場景）。

4. 套管式預熱器

• 結構：由兩根不同直徑的同心套管組成，內管走原料氣，環隙走熱流體（或反之）。

• 特點：

• 結構簡單、易于制造，適合小流量、高壓氣體加熱。

• 可通過串聯多段套管增加換熱面積，靈活性高。

• 金屬耗量大，大流量場景成本較高。

5. 蓄熱式預熱器（再生式）

• 原理：利用蓄熱體（如陶瓷球、蜂窩陶瓷）先吸收熱流體的熱量，再將熱量釋放給原料氣，實現間接換熱。

• 特點：

• 適用于高溫氣體加熱（如冶金爐窯的助燃空氣預熱），回收廢熱效率高（可達 90% 以上）。

• 需成對使用（一蓄熱、一放熱），周期性切換氣流方向，系統復雜。

三、主要應用場景

1. 化工合成反應

• 如合成氨工藝中，將原料氣（N?、H?混合氣）預熱至 300-500℃，提高催化劑活性和反應速率。

• 甲醇合成中，預熱合成氣（CO、H?）至 200-300℃，滿足反應器溫度要求。

2. 燃料氣加熱

• 燃氣鍋爐、燃氣輪機的燃料氣（天然氣、煤氣）預熱，提高燃燒效率，減少污染物排放（如降低 NOx 生成）。

3. 氣體干燥與輸送

• 壓縮空氣預熱：防止空氣中的水分在管道中冷凝結冰，影響氣動設備運行。

• 天然氣預熱：在液化前預熱以調整溫度，或在輸送前加熱防止水合物生成（如高壓輸氣管道中，天然氣溫度過低可能形成固態水合物堵塞管道）。

4. 廢氣處理與余熱回收

• 工業廢氣（如高溫煙氣）通過預熱器加熱原料氣，實現廢熱回收，降低能耗（如鋼鐵廠加熱助燃空氣）。