摘 要：在冶金、機(jī)械、化工等工廠中爐窯的出爐煙氣溫度高達(dá)1100-1300℃，對(duì)煙氣的余熱回收，在工業(yè)爐窯節(jié)能措施中效果比較顯著的一項(xiàng)技術(shù)。在高溫?zé)煔舛伟惭b陶瓷換熱器，將煙氣溫度降到一定溫度，再安裝普通碳鋼金屬換熱器，將兩者串聯(lián)，既能充分高效回收余熱，又能降低建設(shè)費(fèi)用。針對(duì)上述情況，就一種陶瓷—金屬組合式換熱器在燃高爐煤氣加熱爐上的可行性做出以下分析和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：余熱回收;陶瓷換熱器;串聯(lián);可行性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.039

工業(yè)爐高達(dá)1100～1300℃的出爐煙氣，在經(jīng)過(guò)陶瓷換熱器之后，溫度降低到800℃以下，再通過(guò)普通碳鋼金屬換熱器，再次換熱達(dá)到余熱的充分利用。計(jì)算僅以一個(gè)燒嘴的煤氣量為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)其煤氣供應(yīng)量為200m3/h。組合式換熱器簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖1）。

現(xiàn)對(duì)組合式換熱器進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

1 燃料與燃燒計(jì)算

1.1 高爐煤氣的低發(fā)熱值計(jì)算

根據(jù)高爐煤氣的干成分：CO—25.6% ?CO2—14.6% ?O2—0.4% ?H2—1.3% ?N2—57.3% ?其他—0.8% （其他成分以CH4計(jì)算）的比例，計(jì)算高爐煤氣的濕成分，并計(jì)算出高爐煤氣的低發(fā)熱值Q低：查《燃料與燃燒》并計(jì)算得：Q低=3600 KJ/m3 。

1.2 實(shí)際空氣需求量

查《燃料與燃燒》并計(jì)算，1m3的高爐煤氣的理論空氣需求量L0=0.7 m3/m3。則實(shí)際空氣需求量Ln= L0 *1.1=0.77 m3/m3（空氣消耗系數(shù)取1.1）。

1.3 煙氣密度計(jì)算

查《燃料與燃燒》并計(jì)算，煙氣產(chǎn)物量Vn=1.6293m3/m3。同時(shí)計(jì)算出煙氣各產(chǎn)物的體積含量，查《燃料與燃燒》并計(jì)算煙氣的密度ρ=1.415 Kg/ m3 。

2 空氣預(yù)熱計(jì)算

假設(shè)將空氣預(yù)熱到t理=1800℃，由Q燃+Q空+Q低=t理*Vn*C產(chǎn)：

所以計(jì)算得：t空=1398.2/C空。

查《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》表1—5得：

當(dāng)空氣的比熱C空=1.397KJ/（kg.K）時(shí)，t空=1014℃。

3 金屬換熱器、陶瓷換熱器出口煙氣溫度

（1）假設(shè)進(jìn)金屬換熱器煙氣溫度t煙2=760℃時(shí)，查得比熱C煙2=1.547KJ/（kg.K）;進(jìn)金屬換熱器空氣溫度t空1=20℃，查得比熱C空1=1.296KJ/（kg.K）;出金屬換熱器空氣溫度t空2=400℃，查得比熱C空2=1.338KJ/（kg.K）。考慮到金屬換熱器煙氣的泄露，則取煙氣利用率η=0.95，考慮到空氣的泄露V空=Ln*1.2。

所以由（Q煙入-Q煙出）*η=Q空計(jì)算得：出金屬換熱器煙氣的溫度t煙3=854.1/C煙出。

所以當(dāng)煙氣比熱C煙3=1.505KJ/（kg.K）時(shí)，出金屬換熱器煙氣的溫度t煙3=567.5℃。

（2）假設(shè)進(jìn)陶瓷換熱器煙氣溫度t煙1=1200℃時(shí)，查得比熱C煙1=1.588KJ/（kg.K）;進(jìn)陶瓷換熱器空氣溫度t空2=400℃，查得比熱C空2=1.338KJ/（kg.K）;出陶瓷換熱器的空氣溫度t空3=1100℃，查得空氣比熱C空3=1.463KJ/（kg.K）?？紤]到陶瓷換熱器煙氣泄露，則取煙氣利用率η=0.85，考慮到空氣的泄露V空=Ln*1.2。

同理：由（Q煙入-Q煙出）*η=Q空得：出陶瓷換熱器煙氣的溫度t煙2=1188.97/C煙2。

所以，當(dāng)煙氣的比熱C煙2=1.547KJ/（kg.K）時(shí)，出陶瓷換熱器煙氣的溫度t煙2=769℃;基本滿足煙氣進(jìn)金屬換熱器的假設(shè)條件。

4 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 陶瓷換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

假設(shè)陶瓷換熱器芯體單片高D=20mm，長(zhǎng)、寬均為310mm，單片孔N=6個(gè)，孔高d=17mm，孔寬=45mm，單片厚度δ=D-d=3mm。陶瓷芯體的導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.396W/（m.k）;空氣側(cè)3行程9片，煙氣側(cè)1行程9片。單片結(jié)構(gòu)示意圖（見(jiàn)圖2）。

查《換熱器原理與設(shè)計(jì)》并計(jì)算出單片芯體的有效換熱面積Ap=1.49m2。

陶瓷換熱器的換熱量，由Q空=q * Cp *（t3-t2）得，式中q=0.77*1.2 m3/ m3?？諝鈧?cè)平均溫差△t=（1100+400）/2=750℃，所以查《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》表1—5得：Cp=1.397 KJ/（kg.K）。

所以計(jì)算得Q空=0.77*1.2*1.397*（1100-400）=903.6KJ/m3。

根據(jù)《換熱器原理與設(shè)計(jì)》并查《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊(cè)》，經(jīng)過(guò)計(jì)算并驗(yàn)證最后得，需要陶瓷芯體的片數(shù)為17片，所以空氣側(cè)3行程8片，煙氣側(cè)1行程9片。同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到陶瓷芯體的取整后長(zhǎng)度L=340mm。

4.2 金屬換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

換熱器的結(jié)構(gòu)：采用平滑直管，帶“一”字行紐帶插入件;

換熱管規(guī)格為：φ19*2.0mm;

換熱管布置：順排，換熱管中心距0.038m;

換熱器氣流方向及流速：逆叉流;煙氣走殼程，流速W煙=3m/s;空氣走管程，流速W空=8m/s。

金屬換熱器的換熱量，由Q空=q * Cp *（t3-t2）得，式中q=1.6293 m3/ m3?？諝鈧?cè)平均溫差△t=（20+400）/2=210℃，所以查《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》表1—5得：Cp=1.296 KJ/（kg.K）。endprint

所以計(jì)算得Q空=1.6293*1.296*（400-20）=455.05KJ/m3。

取單根換熱管長(zhǎng)L=0.35m，計(jì)算得單根換熱管的換熱面積為0.016485m2。所以理論換熱管總根數(shù)n總=78.99。

根據(jù)《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》，經(jīng)過(guò)計(jì)算并驗(yàn)證后得到，單根換熱管長(zhǎng)0.35m，換熱管5列，8行，2行程，換熱管總數(shù)為80根。

5 換熱器阻力計(jì)算

5.1 陶瓷換熱器煙氣側(cè)阻力h1

陶瓷換熱的阻力是由煙氣進(jìn)陶瓷換熱器入口處阻力、煙氣由風(fēng)箱進(jìn)出芯體阻力及煙氣在芯體里的摩擦阻力四部分組成。計(jì)算得h1=177.62Pa。

5.2 金屬換熱器煙氣側(cè)阻力h2

金屬換熱的阻力是由煙氣進(jìn)金屬換熱器阻力、煙氣在換熱管外阻力及煙氣出金屬換熱器出口處阻力三部分組成。計(jì)算得h2=80.66Pa。

5.3 陶瓷換熱器空氣側(cè)阻力h3

陶瓷換熱器空氣側(cè)阻力是由熱空氣進(jìn)陶瓷換熱器的阻力、熱空氣有風(fēng)箱進(jìn)出陶瓷芯體的阻力、熱空氣在風(fēng)箱90°拐彎處的阻力、熱空氣在陶瓷芯體內(nèi)的阻力及熱空氣出陶瓷換熱器出口處的阻力五部分組成。計(jì)算得h3=346.53Pa。

5.4 金屬換熱器空氣側(cè)阻力h4

金屬換熱器空氣側(cè)阻力是由冷空氣進(jìn)金屬換熱器入口處阻力、熱空氣由風(fēng)箱進(jìn)出換熱管局部阻力、熱空氣在風(fēng)箱90°拐彎處阻力、熱空氣在換熱管內(nèi)的阻力及熱空氣出金屬換熱器出口處的阻力五部分組成。計(jì)算得h3=343.66Pa。

所以，煙氣側(cè)的總阻力h煙=h1+h2=258.3 Pa;空氣側(cè)的總阻力h空 =h3+h4=690.4 Pa

綜合上述的設(shè)計(jì)計(jì)算，可知陶瓷—金屬組合式換熱器能夠?qū)⒖諝鈴?0℃加熱到1100℃，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。煙氣的溫度從1100℃降低到560℃左右;同時(shí)，煙氣從陶瓷側(cè)進(jìn)入金屬側(cè)的溫度在760℃左右;空氣從金屬側(cè)進(jìn)入陶瓷側(cè)的溫度在400℃左右，工作溫度均在800℃以下，綜合考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性選用如20號(hào)鋼等材料;陶瓷側(cè)的工作溫度較高，其芯體部分用陶瓷材料，其余部分必須使用耐熱鋼材料。

所以。在以高爐煤氣為燃料的工業(yè)爐窯生產(chǎn)過(guò)程中。在高溫?zé)煔舛尾捎锰沾伞饘俳M合式換熱器，既能充分高效回收余熱，又能降低建設(shè)費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)介：翟金長(zhǎng)（1983-），男，本科，研究方向：熱能與動(dòng)力工程。endprint