魏振文，崔建波，于國(guó)慶，張龍龍

(青島德固特節(jié)能裝備股份有限公司，山東 青島 266300)

我國(guó)工業(yè)余熱可利用資源豐富，在許多行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程廣泛存在，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達(dá)60%，余熱回收率提升空間大，節(jié)能潛力巨大[1。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，各個(gè)企業(yè)都不斷推陳出新，研發(fā)或者采購(gòu)節(jié)能環(huán)保設(shè)備。節(jié)能減排在高能耗、高污染的企業(yè)尤為迫切。

余熱回收應(yīng)優(yōu)先用于本系統(tǒng)或者本工藝流程，降低一次能源的消耗，盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)[2。目前常用空氣預(yù)熱器、油預(yù)熱器等換熱器來(lái)回收余熱加熱工藝空氣、燃料(油)等，這種是余熱回收最直接、效率較高并且經(jīng)濟(jì)的方案。工業(yè)余熱按照溫度品位，一般分為600℃以上的高溫余熱，300～600℃的中溫余熱和300℃以下的低溫余熱三種。在高溫?zé)煔庥酂崂梅矫妫绕涫歉哂?00℃的高溫?zé)煔獾挠酂崂?，常?guī)方式都是采用噴水降溫或者余熱鍋爐來(lái)降低煙氣溫度，然后再利用空氣預(yù)熱器加熱工藝空氣。如果能夠直接利用高溫?zé)煔?，提高預(yù)熱空氣溫度，將會(huì)進(jìn)一步減少燃料的使用，達(dá)到節(jié)能減排目的。因此本文提出了千度級(jí)空氣預(yù)熱器的方案，目的是回收最高1050℃的高溫?zé)煔鉄崃?，將空氣預(yù)熱到最高950℃。

1 千度級(jí)空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)研究

千度級(jí)空氣預(yù)熱器采用立式管殼式結(jié)構(gòu)，高溫?zé)煔鈴南峦献吖艹?，工藝空氣從上往下走殼程，熱風(fēng)出口設(shè)在殼程下端，如圖1所示。其中為了強(qiáng)化傳熱，在殼程采用折流板，使得空氣流動(dòng)距離增長(zhǎng)，提高換熱效率。

由于煙氣進(jìn)口溫度為1050℃，空氣出口溫度為950℃，底部換熱管理論溫度可以達(dá)到1000℃，常規(guī)的金屬材料在此溫度下，已經(jīng)不能夠使用。我們采用我公司專有的耐高溫耐腐蝕換熱管材料，保證換熱管可以在此溫度下正常使用。千度級(jí)空氣預(yù)熱器采用特殊結(jié)構(gòu)保證設(shè)備性能。其中，采用單管補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，解決高溫膨脹問(wèn)題；環(huán)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，降低高溫殼體溫度；雙管板+冷卻風(fēng)結(jié)構(gòu)，降低管板溫度，節(jié)約材料成本、保證設(shè)備性能。

圖1 千度級(jí)空氣預(yù)熱器簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified diagram of a thousand-degree air preheater

1.1 單管補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)

千度級(jí)空氣預(yù)熱器不僅需要面臨材料的選擇問(wèn)題，同樣需要考慮金屬在高溫下膨脹的問(wèn)題。常規(guī)的管殼式換熱器，通常在殼體增加膨脹節(jié)，以便抵消殼體與換熱管的膨脹差。但是由于煙氣進(jìn)入換熱管時(shí)，氣流分布不均，造成不同換熱管的平均壁溫會(huì)有不同，膨脹量也有不同，采用殼體膨脹節(jié)就不能有效的抵消由于換熱管膨脹量不同引起的膨脹差，這樣就容易造成換熱管與管板的焊縫開(kāi)裂、換熱管和管板變形，影響設(shè)備的性能和使用壽命。因此，千度級(jí)空氣預(yù)熱器采用單管補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)。

單管補(bǔ)償器就是在每根換熱管上，都安裝有膨脹節(jié)，如圖2所示。單管補(bǔ)償器位于換熱管頂部并與上管板焊接。因?yàn)椴煌瑩Q熱管與殼體的膨脹差不同，單管補(bǔ)償器抵消每根換熱管的膨脹差，這樣就能避免管板由于換熱管膨脹不均而造成的變形，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命同時(shí)又能起到密封作用。

圖2 單管補(bǔ)償器Fig.2 Single tube compensator

利用ABAQUS軟件對(duì)增加單管補(bǔ)償器后的上管板進(jìn)行應(yīng)力分析。建模包含的結(jié)構(gòu)為：筒體、上管板、波紋管、波紋管內(nèi)管袖管、換熱管、以及必要的焊腳，如圖4所示。加載條件：(1)換熱管下端面：35mm向上位移載荷。(2)換熱管、波紋管，袖管：478℃；上管板：475℃；筒體：465℃。

圖3 上管板段模型Fig.3 Upper tube sheet segment model

設(shè)置條件：(1)設(shè)置焊腳與各結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，本計(jì)算采取的時(shí)tie約束，約束順序可根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)先后順序設(shè)置，或許這樣更不容易出問(wèn)題；(2)減縮積分的選取，減縮積分不適于復(fù)雜的接觸問(wèn)題；(3)由于結(jié)構(gòu)處于溫度和重力的復(fù)合場(chǎng)中，變形較大，幾何非線性打開(kāi)。計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 管板段應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of the upper tube sheet segment

圖5 波紋管應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of bellows

圖6 焊腳處應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud diagram I at the welding foot

圖7 焊腳處應(yīng)力云圖IIFig.7 Stress cloud diagram II at the welding foot

計(jì)算結(jié)果表明：最大應(yīng)力為92.6 MPa，出現(xiàn)在波紋管處；波紋管能夠有效吸收換熱管與筒體的膨脹差，保證了筒體內(nèi)部各處焊腳受力較小(最大應(yīng)力25 MPa)，這樣就保證了焊縫的強(qiáng)度，減少了開(kāi)裂幾率，增加了使用壽命。

1.2 環(huán)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)

單管補(bǔ)償器的主要構(gòu)件為波紋管，波紋管的厚度為0.25～0.3mm。高溫空氣預(yù)熱器上部為空氣進(jìn)口，這樣就使得較冷的空氣沖刷波紋管，由于波紋管內(nèi)部是高溫?zé)煔猓y管內(nèi)外溫差過(guò)大，就容易造成波紋管的開(kāi)裂和泄漏。為了解決此問(wèn)題，我們采用環(huán)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)：空氣先通過(guò)環(huán)隙，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的空氣再進(jìn)入換熱器殼程。采用環(huán)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠減小波紋管內(nèi)外溫差，延長(zhǎng)單管補(bǔ)償器的使用壽命。

1.3 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)為立式，而且溫度分布特點(diǎn)為下部溫度高，上部溫度低。造成空氣預(yù)熱器下部不僅受力大而且溫度高。由于在此處殼體最高溫度超過(guò)950℃，一般金屬材料在此溫度下強(qiáng)度極低。為保證此部分性能與壽命，我們采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of internal thermal insulation structure

內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)殼體，保溫層，外殼體和錨固釘組成。其中主要外殼體為主要受力點(diǎn)，內(nèi)殼體和錨固釘主要起固定保溫材料的作用。通過(guò)內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，使得外殼體壁溫降低200℃左右。這樣就可使空氣預(yù)熱器在材料不變的情況下，材料的機(jī)械強(qiáng)度大大增加，提高下殼體高溫運(yùn)行的可靠度。

1.4 雙管板+冷卻風(fēng)結(jié)構(gòu)

空氣預(yù)熱器下管板采用兩個(gè)管板(下管板I和下管板II)形式，中間存在空腔，如圖9所示。工藝風(fēng)機(jī)提供的工藝空氣一部分通過(guò)空氣進(jìn)口進(jìn)入空氣預(yù)熱器，另一部分成為冷卻空氣。冷卻空氣通過(guò)兩管板間的殼體開(kāi)孔進(jìn)入空腔，冷卻雙管板，然后由冷卻風(fēng)出口進(jìn)入殼程，與工藝空氣混合。通過(guò)調(diào)節(jié)冷風(fēng)量來(lái)控制雙管板間溫度。

圖9 雙管板結(jié)構(gòu)Fig.9 Double tube sheet structure

由于雙管板的金屬溫度測(cè)量比較困難，因此我們采用CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)雙管板溫度進(jìn)行模擬。其中建立高溫空氣預(yù)熱器的物理模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如表1所示。邊界條件數(shù)據(jù)如表2所示。由于雙管板結(jié)構(gòu)中冷風(fēng)系統(tǒng)的阻力和一般工廠的風(fēng)機(jī)壓頭的限制，冷風(fēng)量為空氣量的10%左右。

表1 模型簡(jiǎn)化Table 1 Model simplification

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

雙管板溫度云圖如圖10所示。其中下管板I溫度773.4℃，下管板II溫度805.8℃。根據(jù)所選雙管板材料特性，其工作溫度為750～850℃，因此雙管板通入冷風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠滿足材料溫度要求。模擬結(jié)果表明，采用雙管板結(jié)構(gòu)，引入冷風(fēng)系統(tǒng)，相比于單管板結(jié)構(gòu)而言，能夠明顯降低管板的溫度，降低管板材料的成本，提高管板的使用壽命。

圖10 雙管板溫度場(chǎng)Fig.10 Temperature field of double tube sheet

考慮實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，在高溫情況下，存在很大的溫差應(yīng)力，空氣預(yù)熱器的管束和管板連接處容易發(fā)生泄漏，致使殼程物料和管程物料混合，在某些特定場(chǎng)合這種混合將導(dǎo)致生產(chǎn)事故。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)雙管板進(jìn)行應(yīng)力分析。采用的分析軟件為ABAQUS。

首先進(jìn)行建模，包含主要結(jié)構(gòu)為：上管板、下管板、上管壁、下管壁、側(cè)壁、換熱管、冷氣管以及必要的焊腳。圖11為建立的雙管板模型。

加載條件：(1)下管板I內(nèi)表面+下管板I上表面：50KPa；內(nèi)側(cè)壁+上管板下表面+下管板上表面：55KPa；下管板II內(nèi)表面+下管板II下表面：15KPa；換熱管上表面：1784.2KPa。(2)下管板I：773℃；下管板II：805℃；上管壁：775℃；下管壁：805℃；側(cè)壁：200℃；換熱管：1000℃；冷氣管：870℃；袖管(按余弦定理分布)：840+160*cos ( pi/100*(Y+25) )，其中pi=3.1415926，Y是縱向坐標(biāo)。

圖11 雙管板結(jié)構(gòu)模型Fig.11 Structural model of double tube sheet

在使用abaqus計(jì)算時(shí)設(shè)置條件：(1)設(shè)置焊腳與各結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，本計(jì)算采取的是tie約束；(2)本計(jì)算沒(méi)有設(shè)置接觸類約束條件；(3)由于結(jié)構(gòu)處于溫度和重力的復(fù)合場(chǎng)中，變形較大，幾何非線性打開(kāi)。應(yīng)力分析結(jié)果如圖12～圖13所示。

圖12下管板I應(yīng)力圖Fig.12 Stress diagram of the lower tube sheet I

圖13 下管板II應(yīng)力圖Fig.13 Stress diagram of lower tube sheet II

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，雙管板最大應(yīng)力為170.1 kPa(下管板I)和265.2kPa(下管板II)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料在此溫度下的許用應(yīng)力和焊縫的失效應(yīng)力。

綜上所述，通過(guò)CFD的溫度場(chǎng)模擬和有限元分析的應(yīng)力分析，采用雙管板+冷卻風(fēng)結(jié)構(gòu)，能夠降低雙管板的溫度，有效減少管板的溫差應(yīng)力，減少焊縫開(kāi)裂幾率，保證設(shè)備安全性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2 千度級(jí)高溫空氣預(yù)熱器的效益分析

工業(yè)中常用的空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣溫度多為300～400℃，回收熱量相對(duì)較少。千度級(jí)空氣預(yù)熱器最高預(yù)熱空氣溫度達(dá)950℃。通過(guò)對(duì)比950℃與400℃空氣溫度，計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。以預(yù)熱15000Nm3/h的空氣為例，部分技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 950℃空氣溫度與400℃空氣溫度空氣預(yù)熱器的技術(shù)參數(shù)對(duì)比
Table 3 Comparison of technical parameters of air preheater

between 950 ℃ air temperature and 400 ℃ air temperature

根據(jù)表3，計(jì)算不同空氣預(yù)熱溫度下，空氣吸收熱量，然后根據(jù)公式(4)換算成節(jié)約的標(biāo)煤量。同時(shí)，通過(guò)節(jié)省標(biāo)煤量，計(jì)算減少二氧化碳，二氧化硫和氮氧化物的排放量。

(1)

其中： M：每小時(shí)節(jié)約標(biāo)煤的量,kg/h；Cv：空氣在平均溫度下的定壓比容，kJ/kg·℃；ρ標(biāo)：標(biāo)況下的空氣密度, kg/m3；V標(biāo)：標(biāo)況下空氣流量,Nm3/h；TOUT,TIN:空氣出口、進(jìn)口溫度,℃； Q標(biāo)煤：每公斤標(biāo)準(zhǔn)煤熱值, Kcal/kg。

預(yù)熱950℃的空氣與預(yù)熱400℃的空氣進(jìn)行節(jié)能減排方面進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示(其中年運(yùn)行時(shí)間以8000小時(shí)計(jì))。根據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示，預(yù)熱空氣能夠有效的節(jié)煤減排，同時(shí)預(yù)熱溫度越高，節(jié)能減排效果越明顯。

計(jì)算結(jié)果表明，千度級(jí)高溫空氣預(yù)熱器將工藝空氣預(yù)熱到950℃，相比400℃空氣預(yù)熱器，節(jié)約標(biāo)煤約3245 t/a；同時(shí)減少CO2排放量8088 t/a，減少SO2排放量243.4 t/a，NOx排放量121.7 t/a。

千度級(jí)空氣預(yù)熱器應(yīng)用于低熱值燃料燃燒領(lǐng)域，節(jié)能減排效果顯著。例如污泥燃燒、低熱值垃圾燃燒等。由于燃料的熱值偏低，常規(guī)低溫預(yù)熱空氣不足以支持其正常燃燒，常常需要添加天然氣等燃料進(jìn)行伴燒，這樣就造成了燃料的浪費(fèi)。隨著空氣預(yù)熱溫度越高，伴燒燃料用量越少。采用千度級(jí)空氣預(yù)熱器，預(yù)熱空氣到600～950℃，僅僅需要開(kāi)始時(shí)消耗一部分伴燒燃料，待空氣溫度達(dá)到600℃以上，就不再需要其它燃料進(jìn)行伴燒。千度級(jí)空氣預(yù)熱器對(duì)煙氣進(jìn)行余熱回收，加熱燃燒用空氣，既能節(jié)約燃料，又能減少?gòu)U氣和污染物的排放。

圖14 預(yù)熱空氣溫度400℃與950℃的年節(jié)能減排量Fig.14 Annual energy saving and emission reduction of preheated air temperature of 400℃ and 950℃

3 結(jié)論

本文主要對(duì)千度級(jí)空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)和效益進(jìn)行分析研究。采用的專有的耐熱耐腐蝕換熱管材料，保證換熱管在千度級(jí)別換熱器的強(qiáng)度要求。采用單管補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，解決因每根換熱管膨脹量不同造成焊縫開(kāi)裂和換熱管與殼體的變形問(wèn)題。采用環(huán)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，減少單管補(bǔ)償器內(nèi)外溫差，延長(zhǎng)單管補(bǔ)償器的使用壽命。采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，降低外殼體壁溫，在材質(zhì)不變的情況下，增加殼體強(qiáng)度；采用雙管板+冷卻風(fēng)結(jié)構(gòu)，有效降低雙管板溫度，提高管板強(qiáng)度，降低雙管板和換熱管間焊縫的溫差應(yīng)力，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

千度級(jí)空氣預(yù)熱器與400℃空氣預(yù)熱器進(jìn)行效益對(duì)比。采用千度級(jí)高溫空氣預(yù)熱器比400℃空氣預(yù)熱器，節(jié)能減排效果明顯。通過(guò)核算，空氣預(yù)熱節(jié)約的熱量換算成標(biāo)煤量，節(jié)約標(biāo)煤約3245 t/a；同時(shí)減少CO2排放量8088 t/a，減少SO2排放量243.4 t/a，NOx排放量121.7 t/a。

綜上所述，特殊的結(jié)構(gòu)與材料的選擇，使得空氣預(yù)熱達(dá)到千度級(jí)。使用千度級(jí)空氣預(yù)熱器能夠帶來(lái)十分可觀經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前，高溫空氣預(yù)熱器可以預(yù)熱空氣溫度600～950℃，已經(jīng)應(yīng)用于炭黑行業(yè)、煤氣化行業(yè)、鑄造行業(yè)以及廢氣處理和危險(xiǎn)液、固廢處理等行業(yè)。