大型环形加热炉用高效节能空气换热器的研制

　　并利用数值计算方法对其进行了详细地仿真计算，使空气换热器的综合传热系数得到显著提高，得出了满足设计要求的佳结构参数。采用SolidWorks三维设计软件和AutoCAD工程设计软件开发出新一代高效节能型空气换热器，并投入工程应用，效果良好，推广前景广阔。

　　1前言进水平高15左右。由此可见，积极开展研究和推广行之有效的工业炉窑节能新技术是摆在王俊升（1979~）‘硕士研究生；10北京市海淀以直接返回到炉内，直接降低了炉子的燃料消近年来，随着各种节能环保新技术在工业炉窑上的推广与应用，工业炉窑的能耗与污染物排放水平都得到了显著的降低。但与国际先进水平相比，仍然有相当大的节能降耗空间。例如：全国工业炉窑约有45万余座，其热效率平均仅为32左右，而国际平均水平则为50以上冶金炉窑的能耗约占全国总能耗的18，其中车L钢厂加热炉耗能占很大比例，其能耗比国际先12-21我们面前的重要任务之一。

　　目前，轧钢加热炉使用的高温烟气余热回收装置及其主要技术措施包括：设置余热锅炉。该措施由于受到炉况、蒸汽压力波动等的影响，而回收的热量又不能直接返回到炉内，一般不作为方案。

　　设置煤气换热器。该措施会受到煤气总管压力、安全操作等影响，一般情况下不提倡设置煤气换热器。

　　设置空气换热器。该措施回收的热量可◎整个间壁式换热热器发展的历史加就是如何强Pub强烈。Huse.耗，可以显著提高理论燃烧温度，强化炉内热交换，提高加热炉产量，起到了事半功倍的作用。常常作为高温烟气余热回收的方案。

　　高温蓄热式加热炉。该技术就是近几年来被工业炉界广泛使用的“高温空气燃烧技术”在轧钢加热炉中的典型案例。几年的实践证明：该技术是回收工业炉窑高温烟气余热为有效的技术措施之一。但对某些大型板坯步进梁式连续加热炉和管坯环形加热炉而言（小时产量在200吨以上）目前还有一定困难，尚处于研究和探索阶段。

　　2课题背景某钢铁公司大型管坯环形加热炉使用的空气换热器已连续使用三年。在2003年底的大修期间发现该换热器在高温段有非常严重的腐蚀和漏损现象。通过对切割下来的“换热管”腐蚀情况的理化检验，初步分析造成目前情况的主要原因有以下几点：燃料原因。环形加热炉原设计使用的燃料为重油，后改为烧“焦炉煤气”。由于焦炉煤气中不可避免地会有少量的二氧化硫和硫化氢等气体，这些气体的存在必然会对“换热管”有一定的腐蚀作用，随着使用时间的延长腐蚀将会越来越严重。

　　二次燃烧现象。尽管在换热器入口处有的可能性，其结果势必会导致高温烟气在换热器内的“二次燃烧现象”，终加快了换热管的腐蚀和烧蚀速度。

　　换热管材质的选取过分考虑减低成本。

　　根据对现场高温换热管材质的理化检验，其选用的材料为lCrl8Ni9Ti.显然，当高温烟气达到900°C以上时，管壁温度将突破750°C甚至更高，此时用1Cr18Ni9Ti显然是不合适的。

　　通过上述分析，迫切需要在短期内根据具体情况优化设计出能够满足实际生产需要的“环形加热炉用高效节能型空气换热器”，并在2004年大修前完成加工制作，按期投入现场使用。

　　3间壁式换热器强化传热技术剖析化间壁二侧传热的历史。即：在强化烟气侧和空气侧传热过程的同时，力求减小气流的压力损失。一般可将间壁式换热器的发展进程划分为以下五个阶段。

　　代一光滑表面阶段间壁为光滑表面的换热器，其综合传热系数低，一般为15~20W/（m2°C），空气流速为10~15m/s，烟气流速为2~4m/s，而空气侧压力损失可达500~5000Pa，烟气侧压力损失为15~ 50Pa.用以增强光滑表面对流换热系数的主要方法，就是提高气流速度。但是流速提高后，虽然可以使间壁上气体与固体之间的附面层减薄，减少传热热阻，提高对流换热系数，但必然导致压力损失的增加，并且是成倍地增加。所以，提高整体流速的办法只能在一定范围内应用。

　　第二代一粗糙表面阶段通过人为的办法，使间壁表面粗糙化。如喷砂、刻凹、凸槽、安置突出物和环状物等扰流物手段，增加流体与表面之间的摩擦阻力，提高对流换热系数，尤其是当粗糙物尖锋、凸槽的高度、突出物体的尺寸超过附面层厚度时，效果更为明显。采用这种措施后，可使综合传热系数在流速不增加的情况下，提高到20~（m2°C）。其原因在于流体流过间壁表面上许多扰流物时，局部地方的附面层被减薄、剥离、中断和碎裂，经过一段距离后，当附面层的厚度又增长时，破坏作用再一次发生，因此得以提高对流换热系数。但是，这种作用是有限的，由于流体的紊流度没有提高，流体核心的动量和热量传输作用有限，特别是对附面层的整体厚度没有减薄，其破坏作用是不够的，因此其效果并不显著。

　　第三代一插入件扰动阶段用各种形式，如：一字形片、Y字形片、十字形片、波纹片、螺旋片等的插入件插入流体中，在流体通过间壁表面时产生扰动，使附面层受到各方向来的流体的破坏，导致附面层较大面积地减薄、中断和破损，虽然其作用并不剧烈，但效果比较好。同时插入件还使流体核心的紊流度增加，加强了动量和热量的传输。此外，插入件还参与了间接的热交换，其作用在高温下更力口如将气体从小孔或小缝喷出，使其流股冲向间壁上的附表层，将大部分流体的附面层打碎、破裂和彻底损坏，可以大幅度地减少传热热阻，使对流换热系数得到根本的提高，同时由于喷流件的介入，像插入件一样，起中间传热作用，因而增加了传输的能量。采用喷流以后，可使综合传热系数提高到30~35W/（m2°C），在高温烟气情况下甚至更高，效果较为显著。流体从小孔或小缝喷出后，形成射流，其速度为20~ 30m/s，具有较大的动能，可以击碎附面层，使对流换热系数提高到150~250W/（m2°C），效果是非常显著的。与此同时，还可以降低间壁温度，使其接近预热温度，进而提高换热器的使用寿命。

　　第五代一贴壁流扰动阶段如果采用片流器、环流器和旋流器等将流股平行或旋转地射向间壁表面，可将流动附面层大面积地破坏，直接将传热表面裸露于高速气流中，待附面层增厚时，再来一次贴壁扰动，这样可使总的对流换热系数提高到更高水平。采用贴壁流后，可使综合传热系数提高到35~45W/（m2°C）。同时，也降低了管壁温度，提高了换热器的使用寿命，因降低了对材质的耐热性要求，可以使用更便宜的材料，使换热器的成本大大降低。由于附壁效应，其压力损失也比较小，而破坏附面层的作用却很大，流股的能量利用率大大提高，基本可以满足对换热器既高效又低阻的要求。

　　4换热器结构优化设计的具体措施通过上述分析，综合采用了第三代和第五代强化传热技术，设计开发出了“新型高效节能型旋流器与插件组合式空气换热器”，并在某公司环形加热炉上投入了工业应用。其技术特点主要体现在以下几方面：采用高效旋流器与扭带相结合技术强化管内传热众所周知，空气是双原子气体，既无辐射能力，又不吸收辐射能。所以空气侧只有对流换热发生。一般来说，强化管内传热的方法有减少气方法。本设计的特点就是综合考虑了各种可能提高换热器空气侧给热系数的方法，既汲取了传统技术的精华，又在新技术上有所突破创新。由于插入了螺旋扭带，流体在管内不断地重复分割过程，始终保持着入口状态，从而有效地破坏了层流附面层的发展，增强了流动的湍流度；另外，管内插入的扭带能起到内肋作用，增加了有效的表面换热面积；同时，管内插入的扭带能直接接受来自管壁的热辐射（固体间辐射传热），然后再以对流方式传给空气。

　　通常，在气体流动时，通道中心的速度较高，贴壁的速度很低，在壁面上的速度为零，在湍流条件下，中心速度是平均速度的1.2倍。由于采用了旋流器和纽带结合，使通道中心速度低，而贴壁速度反而很高，这对减薄和破坏附面层更加有利，同时从流股的方向与间壁平行来看，其动能得到了充分利用，满足了对换热器既高效又低阻的要求。

　　从对流换热和辐射换热两方面强化管外烟气侧传热因为烟气中有CO2和H2O等多原子气体，具有对辐射能的吸收和辐射能力，所以强化烟气侧传热要从辐射传热和对流传热两方面去考虑。

　　由于该环形加热炉原设计烟气流速、阻力损失的限制，所以不能从提高烟气侧流速来强化烟气侧传热，只能从换热器结构和材料表面黑度上考虑增强烟气侧传热，具体措施包括：G对高温侧前10排不锈钢管为了保证其长期在750~850°C高温下正常工作，并且能够承受短期内高达965°C的高温，所以选用了优质的不锈钢材料Cr25Ni20，同时对它进行了渗铝处理，增强了管件的耐高温、耐腐蚀性，从而延长了这些换热管的使用寿命。

　　颂寸高温侧前10排不锈钢管，全部采用了弯管结构，从而使每根管子都有一定的弹性，以便能够分别地补偿每根管子的不均匀膨胀，有效地消除了热膨胀应力，延长了换热器的使用寿命。

　　流层流边界层热阻和增加当量流量的表面积两种cPublishin热管罐面喷涂了红外辐射节能涂―bookmark1③由于高温侧的不锈钢管采取了横向打弯处理，并且是交错排列布置的。因此，在一定程度上强化了烟气侧的对流换热。

　　表1不同工况下空气换热器的设计计算结果料，有效地增大了传热面的黑度，提高了换热管表面的辐射吸收能力，强化了辐射传热。

　　5设计计算结果及其分析根据已知设计参数：每组换热器烟气流量在求的预热温度为480~520°C.把实际情况简化并建立数学模型，运用Matlab6. 0编写计算机程序，对单组换热器的小换热面积进行数值仿真计算，并以大烟气量下的换热面积及管道数为依据（并适当考虑富余量）确定换热器的佳结构参数。表1为典型工况下空气换热器的校核计算结果。

　　从表1可以看出：单组换热器的小换热面积取515m2，完全可以满足烟气量和空气量发生波动时，对空气预热温度以及排烟温度的要求。随着空气流量与烟气流量、空气流速与烟气流速以及烟气入口温度等工况的变化，烟气侧阻力和空气侧阻力损失基本上变化不是很大。无论在何种工况下，烟气入口处壁温与烟气出口处壁温都在设计材料可承受的范围内波动W. 6制作加工过程的设计与实现为了在短期内安全、有效、低成本地实现新型换热器的加工制作，本文采用先借助计算机对其结构进行数值模拟和优化仿真计算，再绘制工结果，本文运用三维设计软件Solidworks在计算机上进行了各种方案的分析、对比，后结合现场实际生产情况及国家相关技术标准，确定出佳的结构参数和切实可行的技术方案，从而有效地保证了施工安全，节省了时间、降低了成本。为了方便现场施工，本文采用AutoCAD软件绘制了整套图纸。

　　7结论从强化传热技术出发，剖析了间壁式换热器强化传热技术的发展进程。即：在提高烟气侧和空气侧传热强度的同时，要力求减小气流的压力损失，并根据其采取技术措施的不同将其划分为五个发展阶段。

　　通过对某公司环形加热炉原有换热器损坏状况的理化分析和化学检验，找出了问题根源，并提出了切实可行的解决方案。综合运用第三代和第五代强化传热的技术措施，并根据该公司实际生产情况设计出了新型高效节能型空气换热器。

　　件，设计出了换热器三维立体结构，并在计算机上对其性能进行校核实验，通过软件发现和解决设计过程中的缺陷与不足，在此基础上开发出满足实际生产需要的换热器佳结构参数，并采用AutoCAD完成了整套施工装配图纸。

　　研制的高效节能新型空气换热器现已投程图纸导现场施工的方法。根据上述仿真计算对于锅炉暖风器的温升应按冬季预热器达到上述冷端壁温值进行选取。假设锅炉的排烟温度为e= 1.8.在冬季暖风器出口温度若能提高到40~45°C，由式（2）预热器冷端壁温可达：锅炉的经济性会有略微提高。

　　22空气预热器分段将空气预热器冷空气入口处壁面温度低于烟气露点的部分设计成独立的整体，便于在腐蚀后及时低成本更换。并且好在壁温低于烟气露点的部分采用耐腐蚀材料。据介绍采用搪玻璃钢管空气预热器，能基本解决低温受热面的腐蚀和堵灰问题。搪玻璃钢管空气预热器主要由管板和搪玻璃钢管组成，搪玻璃钢管采用的是特殊的工艺，在钢管外面均匀地覆盖一层厚度约为0.3mm左右的玻璃，用石棉绳或柔性石墨密封圈把搪玻璃钢管和管板连接在一起。由于烟气在管外流动，空气在管内流动，依靠气流的压力差达到密闭的效果。搪玻璃钢管空气预热器具有耐腐蚀、耐磨损、阻力小、清灰方便及维护制作方便等优点。

　　23运行中的防止低温腐蚀措施运行中采取的防止低温腐蚀的措施也是针对减少S03的含量和防止空气预热器的受热面壁温过低。

　　（1）采用低氧燃烧技术。减少烟气中SO3的含量，从而减少烟气的酸露点温度，达到降低低温腐蚀的目的。

　　控制炉膛燃烧温度水平。减少S3的生成量。一般采用烟气再循环降低炉膛温度。

　　经常检修和定期冲洗。避免和减少空气预热器漏风和积灰。

　　3结论锅炉尾部受热面的低温腐蚀和积灰对电站锅炉正常工作影响很大，只要采取合理的措施，可以减轻低温腐蚀和积灰，提高电厂锅炉运行的经济性。