千度級空氣預熱器的結構分析及應用研究

魏振文，崔建波，于國慶，張龍龍

(青島德固特節(jié)能裝備股份有限公司，山東 青島 266300)

我國工業(yè)余熱可利用資源豐富，在許多行業(yè)生產過程廣泛存在，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達60%，余熱回收率提升空間大，節(jié)能潛力巨大[1。為了響應國家節(jié)能減排的政策，各個企業(yè)都不斷推陳出新，研發(fā)或者采購節(jié)能環(huán)保設備。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，盡量減少能量轉換次數[2。目前常用空氣預熱器、油預熱器等換熱器來回收余熱加熱工藝空氣、燃料(油)等，這種是余熱回收最直接、效率較高并且經濟的方案。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。在高溫煙氣余熱利用方面，尤其是高于900℃的高溫煙氣的余熱利用，常規(guī)方式都是采用噴水降溫或者余熱鍋爐來降低煙氣溫度，然后再利用空氣預熱器加熱工藝空氣。如果能夠直接利用高溫煙氣，提高預熱空氣溫度，將會進一步減少燃料的使用，達到節(jié)能減排目的。因此本文提出了千度級空氣預熱器的方案，目的是回收最高1050℃的高溫煙氣熱量，將空氣預熱到最高950℃。

1 千度級空氣預熱器結構研究

千度級空氣預熱器采用立式管殼式結構，高溫煙氣從下往上走管程，工藝空氣從上往下走殼程，熱風出口設在殼程下端，如圖1所示。其中為了強化傳熱，在殼程采用折流板，使得空氣流動距離增長，提高換熱效率。

由于煙氣進口溫度為1050℃，空氣出口溫度為950℃，底部換熱管理論溫度可以達到1000℃，常規(guī)的金屬材料在此溫度下，已經不能夠使用。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。千度級空氣預熱器采用特殊結構保證設備性能。其中，采用單管補償器結構，解決高溫膨脹問題；環(huán)向進風結構，保證設備的穩(wěn)定運行；內保溫結構，降低高溫殼體溫度；雙管板+冷卻風結構，降低管板溫度，節(jié)約材料成本、保證設備性能。

圖1 千度級空氣預熱器簡圖Fig.1 Simplified diagram of a thousand-degree air preheater

1.1 單管補償器結構

千度級空氣預熱器不僅需要面臨材料的選擇問題，同樣需要考慮金屬在高溫下膨脹的問題。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。但是由于煙氣進入換熱管時，氣流分布不均，造成不同換熱管的平均壁溫會有不同，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裂、換熱管和管板變形，影響設備的性能和使用壽命。因此，千度級空氣預熱器采用單管補償器的結構。

單管補償器就是在每根換熱管上，都安裝有膨脹節(jié)，如圖2所示。單管補償器位于換熱管頂部并與上管板焊接。因為不同換熱管與殼體的膨脹差不同，單管補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，延長設備的使用壽命同時又能起到密封作用。

圖2 單管補償器Fig.2 Single tube compensator

利用ABAQUS軟件對增加單管補償器后的上管板進行應力分析。建模包含的結構為：筒體、上管板、波紋管、波紋管內管袖管、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

設置條件：(1)設置焊腳與各結構的約束關系，本計算采取的時tie約束，約束順序可根據結構實際的運動先后順序設置，或許這樣更不容易出問題；(2)減縮積分的選取，減縮積分不適于復雜的接觸問題；(3)由于結構處于溫度和重力的復合場中，變形較大，幾何非線性打開。計算結果如圖4～圖7所示。

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

圖5 波紋管應力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of bellows

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

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

計算結果表明：最大應力為92.6 MPa，出現在波紋管處；波紋管能夠有效吸收換熱管與筒體的膨脹差，保證了筒體內部各處焊腳受力較小(最大應力25 MPa)，這樣就保證了焊縫的強度，減少了開裂幾率，增加了使用壽命。

1.2 環(huán)向進風結構

單管補償器的主要構件為波紋管，波紋管的厚度為0.25～0.3mm。高溫空氣預熱器上部為空氣進口，這樣就使得較冷的空氣沖刷波紋管，由于波紋管內部是高溫煙氣，波紋管內外溫差過大，就容易造成波紋管的開裂和泄漏。為了解決此問題，我們采用環(huán)向進風結構：空氣先通過環(huán)隙，進行預熱，預熱后的空氣再進入換熱器殼程。采用環(huán)向進風結構能夠減小波紋管內外溫差，延長單管補償器的使用壽命。

1.3 內保溫結構

空氣預熱器結構為立式，而且溫度分布特點為下部溫度高，上部溫度低。造成空氣預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950℃，一般金屬材料在此溫度下強度極低。為保證此部分性能與壽命，我們采用內保溫結構，如圖8所示。

圖8 內保溫結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of internal thermal insulation structure

內保溫結構主要由內殼體，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，內殼體和錨固釘主要起固定保溫材料的作用。通過內保溫結構，使得外殼體壁溫降低200℃左右。這樣就可使空氣預熱器在材料不變的情況下，材料的機械強度大大增加，提高下殼體高溫運行的可靠度。

1.4 雙管板+冷卻風結構

空氣預熱器下管板采用兩個管板(下管板I和下管板II)形式，中間存在空腔，如圖9所示。工藝風機提供的工藝空氣一部分通過空氣進口進入空氣預熱器，另一部分成為冷卻空氣。冷卻空氣通過兩管板間的殼體開孔進入空腔，冷卻雙管板，然后由冷卻風出口進入殼程，與工藝空氣混合。通過調節(jié)冷風量來控制雙管板間溫度。

圖9 雙管板結構Fig.9 Double tube sheet structure

由于雙管板的金屬溫度測量比較困難，因此我們采用CFD數值模擬的方法對雙管板溫度進行模擬。其中建立高溫空氣預熱器的物理模型，對模型進行簡化，如表1所示。邊界條件數據如表2所示。由于雙管板結構中冷風系統(tǒng)的阻力和一般工廠的風機壓頭的限制，冷風量為空氣量的10%左右。

表1 模型簡化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結構能夠滿足材料溫度要求。模擬結果表明，采用雙管板結構，引入冷風系統(tǒng)，相比于單管板結構而言，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Fig.10 Temperature field of double tube sheet

考慮實際應用問題，在高溫情況下，存在很大的溫差應力，空氣預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，在某些特定場合這種混合將導致生產事故。針對此問題，對雙管板進行應力分析。采用的分析軟件為ABAQUS。

首先進行建模，包含主要結構為：上管板、下管板、上管壁、下管壁、側壁、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內表面+下管板I上表面：50KPa；內側壁+上管板下表面+下管板上表面：55KPa；下管板II內表面+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。

圖11 雙管板結構模型Fig.11 Structural model of double tube sheet

在使用abaqus計算時設置條件：(1)設置焊腳與各結構的約束關系，本計算采取的是tie約束；(2)本計算沒有設置接觸類約束條件；(3)由于結構處于溫度和重力的復合場中，變形較大，幾何非線性打開。應力分析結果如圖12～圖13所示。

圖12下管板I應力圖Fig.12 Stress diagram of the lower tube sheet I

圖13 下管板II應力圖Fig.13 Stress diagram of lower tube sheet II

通過模擬結果可以看出，雙管板最大應力為170.1 kPa(下管板I)和265.2kPa(下管板II)遠遠小于材料在此溫度下的許用應力和焊縫的失效應力。

綜上所述，通過CFD的溫度場模擬和有限元分析的應力分析，采用雙管板+冷卻風結構，能夠降低雙管板的溫度，有效減少管板的溫差應力，減少焊縫開裂幾率，保證設備安全性，延長設備使用壽命。

2 千度級高溫空氣預熱器的效益分析

工業(yè)中常用的空氣預熱器預熱空氣溫度多為300～400℃，回收熱量相對較少。千度級空氣預熱器最高預熱空氣溫度達950℃。通過對比950℃與400℃空氣溫度，計算其經濟效益和環(huán)境效益。以預熱15000Nm3/h的空氣為例，部分技術參數如表3所示。

表3 950℃空氣溫度與400℃空氣溫度空氣預熱器的技術參數對比
Table 3 Comparison of technical parameters of air preheater

between 950 ℃ air temperature and 400 ℃ air temperature

根據表3，計算不同空氣預熱溫度下，空氣吸收熱量，然后根據公式(4)換算成節(jié)約的標煤量。同時，通過節(jié)省標煤量，計算減少二氧化碳，二氧化硫和氮氧化物的排放量。

(1)

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

預熱950℃的空氣與預熱400℃的空氣進行節(jié)能減排方面進行對比，如圖14所示(其中年運行時間以8000小時計)。根據對比結果顯示，預熱空氣能夠有效的節(jié)煤減排，同時預熱溫度越高，節(jié)能減排效果越明顯。

計算結果表明，千度級高溫空氣預熱器將工藝空氣預熱到950℃，相比400℃空氣預熱器，節(jié)約標煤約3245 t/a；同時減少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。

千度級空氣預熱器應用于低熱值燃料燃燒領域，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行伴燒，這樣就造成了燃料的浪費。隨著空氣預熱溫度越高，伴燒燃料用量越少。采用千度級空氣預熱器，預熱空氣到600～950℃，僅僅需要開始時消耗一部分伴燒燃料，待空氣溫度達到600℃以上，就不再需要其它燃料進行伴燒。千度級空氣預熱器對煙氣進行余熱回收，加熱燃燒用空氣，既能節(jié)約燃料，又能減少廢氣和污染物的排放。

圖14 預熱空氣溫度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 結論

本文主要對千度級空氣預熱器結構和效益進行分析研究。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別換熱器的強度要求。采用單管補償器結構，解決因每根換熱管膨脹量不同造成焊縫開裂和換熱管與殼體的變形問題。采用環(huán)向進風結構，減少單管補償器內外溫差，延長單管補償器的使用壽命。采用內保溫結構，降低外殼體壁溫，在材質不變的情況下，增加殼體強度；采用雙管板+冷卻風結構，有效降低雙管板溫度，提高管板強度，降低雙管板和換熱管間焊縫的溫差應力，保證設備穩(wěn)定運行、延長設備使用壽命。

千度級空氣預熱器與400℃空氣預熱器進行效益對比。采用千度級高溫空氣預熱器比400℃空氣預熱器，節(jié)能減排效果明顯。通過核算，空氣預熱節(jié)約的熱量換算成標煤量，節(jié)約標煤約3245 t/a；同時減少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，特殊的結構與材料的選擇，使得空氣預熱達到千度級。使用千度級空氣預熱器能夠帶來十分可觀經濟效益和環(huán)境效益。目前，高溫空氣預熱器可以預熱空氣溫度600～950℃，已經應用于炭黑行業(yè)、煤氣化行業(yè)、鑄造行業(yè)以及廢氣處理和危險液、固廢處理等行業(yè)。