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        新型高效板式空氣預(yù)熱器在冶金步進(jìn)加熱爐的應(yīng)用

        2022-08-22 01:40:50時(shí)光輝衛(wèi)文峰邢玉明郝兆龍
        工業(yè)加熱 2022年7期
        關(guān)鍵詞:板片預(yù)熱器板式

        時(shí)光輝,衛(wèi)文峰,邢玉明,郝兆龍

        (1.北京瑞晨航宇能源科技有限公司,北京 100191;2.上海梅山鋼鐵股份有限公司,南京 430083;3.北京航空航天大學(xué),北京 100191)

        在鋼鐵冶金生產(chǎn)行業(yè)中,步進(jìn)加熱爐是連接連鑄和軋線的關(guān)鍵中間設(shè)備,用于加熱板坯使之達(dá)到軋制溫度[1]。一般的,加熱爐爐尾排煙溫度一般在600~1 000 ℃,排煙溫度較高。目前采用列管式空氣預(yù)熱器將加熱爐排出的高溫?zé)煔馀c助燃空氣換熱,在降低排煙溫度的同時(shí)提高助燃空氣溫度,從而實(shí)現(xiàn)加熱爐煙氣余熱回收。鋼鐵企業(yè)基本采用列管式換熱器,優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜,但是入口煙氣溫度不能過高、換熱效率低、由于結(jié)垢等原因使得傳熱性能衰減快,因此列管式換熱器的余熱回收效果有限,無法滿足未來鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的節(jié)能要求。

        板式換熱器傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小、節(jié)能效果穩(wěn)定,在化工行業(yè)應(yīng)用廣泛,但是鋼鐵行業(yè)案例較少,原因在于鋼鐵冶金加熱爐排煙溫度高、流速快、腐蝕性強(qiáng),對(duì)于煙氣側(cè)允許壓降要求高,對(duì)板式換熱器的密封性、熱膨脹性、熱應(yīng)力、耐高溫性要求嚴(yán)格,傳統(tǒng)板式換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)無法達(dá)到應(yīng)用到冶金步進(jìn)加熱爐的標(biāo)準(zhǔn)。

        目前板式換熱器的發(fā)展趨勢在強(qiáng)化傳熱效率、研發(fā)新型強(qiáng)化板型結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新生產(chǎn)焊接工藝,提高換熱器的整體強(qiáng)度,從而滿足高溫高壓介質(zhì)運(yùn)行的條件[2]。Arsenyeva等[3]對(duì)于不同幾何尺寸板片模型的實(shí)驗(yàn)研究,得出了的凹凸板內(nèi)、外通道的阻力系數(shù)和對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式。郭志強(qiáng)等[4]研究發(fā)現(xiàn)雨滴狀板片的流道能夠增強(qiáng)對(duì)流傳熱,努塞爾數(shù)是平板的1.9~4.5倍。Kumar等[5]對(duì)凹凸板的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)板片焊點(diǎn)對(duì)通道內(nèi)的傳熱影響可以忽略,但會(huì)增加管道的壓力損失。Shirzad[6]等通過CFD模擬,發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)條件下,增加板片的通道高度會(huì)提高換熱效率,減小焊點(diǎn)的間距會(huì)增摩擦系數(shù)。中國鋼研科技集團(tuán)曾將板式換熱器應(yīng)用于軋鋼加熱爐[7],預(yù)熱空氣溫度為400 ℃。

        本文為了進(jìn)一步提高步進(jìn)加熱爐空氣預(yù)熱溫度到560 ℃以上,專門針對(duì)冶金步進(jìn)加熱爐研發(fā)了新型高效板式換熱器,解決了步進(jìn)加熱爐工藝特點(diǎn)產(chǎn)生的板式空氣預(yù)熱器的技術(shù)難度,并且成功在梅山鋼鐵公司熱軋1422線1號(hào)加熱爐實(shí)施了改造,經(jīng)過兩年多的運(yùn)行,技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,相較于傳統(tǒng)列管式空氣預(yù)熱器大幅提高了余熱回收率,從而提高了加熱爐綜合熱效率,給生產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

        1 加熱爐介紹

        1.1 加熱爐基本信息

        其公司熱軋廠1 422 mm熱軋1號(hào)加熱爐1993年11月投產(chǎn),并于2009年完成燃燒和冷卻系統(tǒng)技術(shù)改造,加熱爐燃料為高焦混合煤氣,采用常規(guī)燒嘴供熱、連續(xù)燃燒控制。該加熱爐是步進(jìn)式加熱爐,爐型為三段供熱側(cè)進(jìn)側(cè)出步進(jìn)梁加熱爐。加熱爐自裝料端至出料端沿爐長上分為預(yù)熱段、加熱一段、加熱二段及均熱段。為充分有效回收煙氣余熱,在煙道內(nèi)設(shè)置列管式空氣預(yù)熱器。

        1.2 列管式換熱器使用情況

        原空氣預(yù)熱器為傳統(tǒng)列管式預(yù)熱器,換熱效率較低[8],且由于列管形式換熱器積灰問題嚴(yán)重以至于換熱器效率逐年減低,直接影響到加熱爐的熱效率和加熱爐的安全運(yùn)行,提高了企業(yè)運(yùn)行成本和增加了安全隱患。

        原列管式空氣預(yù)熱器技術(shù)參數(shù)見表1。

        采用列管式換熱器進(jìn)行煙氣余熱回收的主要問題[3]如下:

        1)煙氣余熱回收效率低

        原空氣預(yù)熱器為傳統(tǒng)列管形式,本身換熱效率較低,且材質(zhì)原因要求煙氣入口溫度限制在較低水平,需要摻冷風(fēng)給煙氣降溫,一方面增加了冷風(fēng)風(fēng)機(jī)耗電,另一方面,熱損失較大。

        2)積灰問題嚴(yán)重

        原空氣預(yù)熱器為列管式預(yù)熱器,煙氣流動(dòng)方向水平換熱管阻擋煙氣流動(dòng),結(jié)構(gòu)原因積灰問題無法解決。而且,換熱器構(gòu)件中未安裝輔助清灰裝置,設(shè)備運(yùn)行過程中,換熱效率逐年衰減,一般運(yùn)行超過6個(gè)月空氣余熱溫度明顯下降。

        3)煤氣超溫報(bào)警

        在實(shí)際生產(chǎn)過程中,1號(hào)加熱爐空氣預(yù)熱溫度較低,出空氣預(yù)熱器的煙氣溫度偏高,即使采用開啟稀釋風(fēng)機(jī)向煙道摻冷風(fēng)的方法降溫,其后的煤氣預(yù)熱器的煤氣預(yù)熱溫度也時(shí)常達(dá)到320 ℃以上,發(fā)生超溫報(bào)警(煤氣超溫報(bào)警溫度為320 ℃)。這樣既增加了稀釋風(fēng)機(jī)的開啟頻率,增加了電耗,又不能充分利用煙氣余熱,還具有較大的安全運(yùn)行隱患。

        2 新型高效板式換熱器的應(yīng)用

        2.1 板式換熱器的基本特點(diǎn)

        板式換熱器是以特殊強(qiáng)化傳熱板型作為換熱面,在煙氣和空氣流動(dòng)過程中形成湍流,從而破壞換熱面表面邊界層[9],有效地強(qiáng)化了傳熱。

        新型高效板式換熱器技術(shù)特點(diǎn)如下:

        (1)使用溫度高,采用不銹鋼材質(zhì)時(shí),使用溫度可達(dá)1 100 ℃以上;

        (2)結(jié)構(gòu)緊湊度高,占地面積僅為列管式換熱器1/3左右,特別適用于步進(jìn)加熱爐隧道有限空間布置要求;

        (3)傳熱效率比列管式的提高近1倍,而壓降增加并不明顯。金屬耗量低,在同等熱負(fù)荷的前提下,金屬耗量僅為列管式的1/3左右;

        (4)由于板式空氣預(yù)熱器的板片表面接近于鏡面,且與煙氣流動(dòng)方向一致,因此不易積灰,即便少量積灰也可以采用清洗或者超聲波吹灰方式除灰;

        (5)由于板式空氣預(yù)熱器材質(zhì)均為不銹鋼,使用壽命大為延長。

        2.2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

        1)燃?xì)鉄嵛镄再|(zhì)

        梅鋼1422線1號(hào)加熱爐使用煤氣成分見表2。

        表2 煤氣成分組成 %

        燃?xì)鉄嵛镄再|(zhì)都可按各組分的體積百分?jǐn)?shù)和各組分的性質(zhì)計(jì)算得到。燃料氣可近似地看作理想氣體,其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度可由標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度和所處的溫度壓力來計(jì)算[10]。

        ρ0=ΣXiρ0i

        (1)

        (2)

        式中:ρ0為燃料氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度,kg/m3(標(biāo)準(zhǔn));ρtp為燃料氣在溫度t和壓力p下的密度,kg/m3。

        煤氣的標(biāo)態(tài)密度為ρ0=1.012 6 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)),低位熱值為Qdw=8 656kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))。

        2)空氣量

        燃料氣的理論空氣量和實(shí)際空氣量計(jì)算:

        (3)

        V=αV0或L=αL0

        (4)

        理論空氣量L0=1.99 m3空氣/m3煤氣(標(biāo)準(zhǔn))。

        3)煙氣量

        Wg=ΣWi

        (5)

        式中:Wi為煙氣中各組分的質(zhì)量,kg/kg燃料氣。

        2.3 設(shè)計(jì)工況計(jì)算

        現(xiàn)場改造技術(shù)要求:

        1)在加熱爐正常額定生產(chǎn)狀態(tài)下,預(yù)熱器前煙氣溫度≥700 ℃時(shí),空氣預(yù)熱溫度≥500 ℃;

        2)在加熱爐正常額定生產(chǎn)狀態(tài)下,煤氣預(yù)熱器的煤氣預(yù)熱溫度≤320 ℃。

        設(shè)計(jì)計(jì)算[10]基本理論公式

        1)傳熱基本方程式

        Q=KFΔtm

        (6)

        式中:Q為傳熱量,W;F為換熱面積,m2;K為總傳熱系數(shù),W/ (m2·K);Δtm為傳熱平均溫差, ℃。

        2)換熱量計(jì)算式

        Q=qm2cp2(t2i-t2o)=qm1cp1(t1o-t1i)

        (7)

        式中:Q為換熱量,kJ;qm為質(zhì)量流量,kg/s;cp為比熱容,kJ/ (kg·K);to為流體進(jìn)口溫度, ℃;ti為流通出口溫度, ℃。

        3)流道數(shù)的計(jì)算與選擇

        (8)

        4)流道內(nèi)實(shí)際流速

        (9)

        式中:W為流道內(nèi)實(shí)際流速,m/s;m為流程數(shù);ρ為流體密度,kg/m3;

        根據(jù)1422線1號(hào)加熱爐運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和改造技術(shù)要求,工況設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)如表3所示。

        表3 板式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)工況參數(shù)

        2.4 板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該新型高效板式換熱器采用丁胞型板片作為傳熱元件,單個(gè)板片兩兩正反通過翼邊焊接成一束,特殊的結(jié)構(gòu)使多個(gè)板束通過翼邊的焊接形成冷熱流體相互分離的兩個(gè)通道,形成板式換熱器的換熱芯體。全焊接結(jié)構(gòu)[12]將全部板片通過焊接連接在一起,取代了傳統(tǒng)的板片之間使用的橡膠密封墊片,防止在高溫下墊片變形失效造成換熱流體泄漏。

        針對(duì)不同現(xiàn)場條件,可以在設(shè)計(jì)階段通過采用不同強(qiáng)化板型、板間距離、疊加厚度來調(diào)節(jié)煙氣側(cè)和空氣側(cè)的換熱系數(shù),繼而調(diào)控各段的金屬壁溫。在板片的加工過程中嚴(yán)格控制強(qiáng)化板型的尺寸參數(shù)[13],主要包括丁胞傾角、間距、展開系數(shù)、深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。 各換熱段均以模塊化的形式進(jìn)行組裝,提高了預(yù)熱器整體的安裝效率。

        某公司熱軋廠1422mm熱軋1號(hào)加熱爐使用的新型高效板式換熱器根據(jù)運(yùn)行工況設(shè)計(jì)了2個(gè)換熱段。其中,高溫?fù)Q熱段采用了310S不銹鋼材質(zhì);低溫?fù)Q熱段采用了321不銹鋼材質(zhì),一共六組??勺畲笙薅鹊鼗厥崭邷?zé)煔獾挠酂?,結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

        圖1 新型高效板式換熱器設(shè)計(jì)圖

        3 應(yīng)用效果分析

        3.1 改造后的節(jié)能效果

        對(duì)梅山鋼鐵1422線1號(hào)爐更換新型高效板式換熱器后的節(jié)能效果進(jìn)行記錄,節(jié)能情況如表4所示。

        表4 改造前后噸鋼消耗標(biāo)煤記錄

        由表1可以看出由列管式換熱器更換高效板式換熱器后,加熱爐軋鋼線上每生產(chǎn)一噸鋼可以節(jié)約2~4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤,減少了熱軋線上的煤氣消耗量,大幅減少碳排放。

        3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

        根據(jù)加熱爐列管式空預(yù)器使用經(jīng)驗(yàn)可知,由于換熱器表面積灰和金屬表面碳化的因素影響,列管式換熱器在使用初期1—3年內(nèi)的空氣預(yù)熱效果會(huì)快速下降,然后趨于穩(wěn)定。新型高效板式換熱器在5年內(nèi)性能不衰減,8年內(nèi)空氣預(yù)熱溫度降低溫度小于30 ℃。

        結(jié)合1422線1號(hào)爐換熱器改造情況分析,對(duì)冶金加熱爐使用新型高效板式換熱器代替列管式換熱器的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,結(jié)果如表5所示。

        表5 高效板式換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

        由表5可以看出,1422線1號(hào)加熱爐在分別安裝高效板式換熱器和列管式換熱器后,新型高效板式換熱器的煙氣余熱回收效果要超出普通列管式換熱器,并且隨著列管式換熱器換熱效率的逐年降低,節(jié)能效益前五年會(huì)逐年增加,到第五年使用高效板式換熱器會(huì)比列管式換熱器多創(chuàng)造節(jié)能收益801萬元,大幅度地降低鋼企煤氣消耗成本。

        3.3 技術(shù)可行性分析

        1422線1#爐新型高效板式換熱器的改造,需要保證現(xiàn)有加熱爐空氣、煙氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行,且在最高預(yù)熱溫度、煙氣側(cè)阻力等方面滿足設(shè)計(jì)要求,因此展開換熱器改造的技術(shù)可行性分析。

        1)換熱效果衰減問題

        新型高效板式換熱器采用湍流增強(qiáng)型薄板式換熱元件,針對(duì)不同的溫區(qū)采用不同的耐熱材料,結(jié)構(gòu)緊湊、焊接可靠、不衰減,壽命長。正常使用條件下5年不衰減。

        2)板片銹蝕問題

        針對(duì)處于煙氣入口的板片高溫段采用310S不銹鋼材質(zhì),310S不銹鋼具有良好的耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿和耐高溫性能。

        3)積灰問題導(dǎo)致傳熱效率的下降

        煙氣流動(dòng)方向沒有橫截面和阻擋,且板片表面接近于鏡面,因此不易積灰,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,綜合考慮加熱爐的灰分特點(diǎn),采用膜片式聲波吹灰器。

        4)空氣、煙氣側(cè)壓降

        金屬板式預(yù)熱器通過調(diào)節(jié)板間隙尺寸,來滿足煙氣側(cè)壓降的要求;通過對(duì)熱空氣出口段管路、板片通道連接等方面進(jìn)行優(yōu)化,盡可能地降低空氣側(cè)壓降。

        因此使用全焊接板式換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度不銹鋼材料、先進(jìn)的板片壓制切割技術(shù)和全自動(dòng)焊接設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)板式換熱器在加熱爐高溫條件下的煙氣余熱回收利用。

        4 總 結(jié)

        新型高效板式換熱器通過創(chuàng)新的板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了冶金步進(jìn)加熱爐傳統(tǒng)列管式換熱器換熱效率低、積灰嚴(yán)重、使用溫度低等問題;相對(duì)于傳統(tǒng)板式換熱器,高效板式換熱器采用全焊接形式,取消了密封墊片,在不同溫度區(qū)采用不同的耐熱材料,因此耐熱、耐壓性能好于普通板式換熱器,解決了高溫環(huán)境下?lián)Q熱流體的泄漏問題。

        梅山鋼鐵公司1號(hào)加熱爐將列管式換熱器更換為新型高效板式換熱器后,空氣預(yù)熱溫度平均提高了100 ℃以上,最高一年能為熱軋線節(jié)約1 907.1萬標(biāo)方煤氣,帶來節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益801萬元,新型高效板式換熱器的成功應(yīng)用在冶金加熱爐行業(yè)的節(jié)能減排領(lǐng)域做了很好的示范作用。

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