具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐

崔 宇

（哈爾濱銘陽爐業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 傳統(tǒng)的燃料熱處理爐降溫方式降溫速率慢， 難以滿足快節(jié)奏的生產(chǎn)工藝。筆者經(jīng)過考慮，采用了一種具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐， 在滿足助燃空氣高效預(yù)熱的前提下，有效解決了降溫速度慢、降溫工藝時(shí)間長的問題，提高了設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)奏，進(jìn)而節(jié)能降耗。

1 高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的要求

1.1 具有高效預(yù)熱功能

燃料熱處理爐排煙過程中帶走了大量的熱，一般認(rèn)為， 助燃空氣預(yù)熱溫度每提高100 ℃， 可節(jié)能5%，因此燃料熱處理爐通過預(yù)熱器回收煙氣的熱量來預(yù)熱助燃空氣意義重大。 該具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的新型燃料熱處理爐采用管狀預(yù)熱器，管狀預(yù)熱器以對流換熱方式為主，適合用來回收中、低溫?zé)煔獾挠酂?，煙氣溫度低?00 ℃時(shí)，管狀預(yù)熱器空氣預(yù)熱效果要好于輻射型預(yù)熱器。

1.2 具有快速降溫功能

為了縮短降溫時(shí)間，加快生產(chǎn)節(jié)奏，對于燃料熱處理爐的降溫提出了新的要求， 一般要求降溫速度為30～60 ℃/h。

2 高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的新型燃料熱處理爐組成

具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐結(jié)構(gòu)如圖1~圖3 所示。

圖1 具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐主視示意圖1

圖2 具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐主視示意圖2

圖3 具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐俯視示意圖

2.2 工作原理

2.2.1 高效預(yù)熱功能

由圖1 可知， 高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐啟動(dòng)預(yù)熱功能， 預(yù)熱閥處于打開狀態(tài)，降溫閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)從高壓離心風(fēng)機(jī)吹出來的室溫空氣只能經(jīng)過助燃空氣管路流向管狀換熱器的入口，進(jìn)入到換熱器內(nèi)部的管束，與管束外側(cè)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行對流換熱， 完成對流換熱后從換熱器的出口流出， 經(jīng)助燃預(yù)熱空氣管路最終到達(dá)各個(gè)燒嘴的空氣入口管， 為燃料的燃燒提供預(yù)熱后的助燃空氣。

2.2.2 快速降溫功能

由圖2 可知， 高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的燃料熱處理爐啟動(dòng)降溫功能， 預(yù)熱閥處于關(guān)閉狀態(tài)，降溫閥處于打開狀態(tài)，此時(shí)從高壓離心風(fēng)機(jī)吹出來的室溫空氣只能經(jīng)過助燃空氣管路直接流入到各個(gè)燒嘴的空氣入口管， 由于從高壓離心風(fēng)機(jī)吹出來的室溫空氣沒有流經(jīng)換熱器， 而是直接流入到各個(gè)燒嘴的空氣入口管， 將室溫下的空氣直接送入爐膛去置換熱工件釋放的熱量，因此，可以大大提高降溫速度，縮短退火工藝的降溫時(shí)間。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 管式換熱器計(jì)算

3.1.1 已知條件

預(yù)熱空氣量：4750 m3/h

空氣入口溫度：20 ℃

空氣出口溫度：300 ℃

管束最窄處空氣流速ωk：11 m/s

煙氣量：5250 m3/h

煙氣流速ωy：2.5 m/s

總傳熱系數(shù)：27.06 W/（㎡·℃）

管子外徑：0.052 m

管子內(nèi)徑：0.044 m

管子間距：0.1 m

3.1.2 預(yù)熱氣體所需的熱量

如表1 所示， 出口溫度下平均比熱容及入口溫度下平均比熱容見表2， 預(yù)熱氣體所需的熱量Q借助Excel 表格，輸入已知數(shù)據(jù)后通過編輯公式自動(dòng)計(jì)算獲得，其中，預(yù)熱氣體所需熱量按公式Q=Vk×（t出×c出-t入×c入）計(jì)算。

表1 預(yù)熱氣體所需熱量Q 計(jì)算

3.1.3 求對數(shù)平均溫度差（預(yù)熱器氣流方式為逆流）

對數(shù)平均溫度差Δtd借助Excel 表格，輸入已知數(shù)據(jù)后通過編輯公式自動(dòng)計(jì)算獲得（見表3），其中：

表2 干空氣的物理性質(zhì)

表3 對數(shù)平均溫度差Δtd計(jì)算 （℃）

3.1.4 預(yù)熱器所需傳熱面積（預(yù)熱器氣流方式為逆流）

所需傳熱面積借助Excel 表格編輯公式自動(dòng)計(jì)算獲得（見表4），其中修正系數(shù)為1.07，其中，所需傳熱面積， 以下表格數(shù)據(jù)計(jì)算均通過Excel 表格編輯公式自動(dòng)計(jì)算獲得，不再描述。

3.1.5 預(yù)熱器管束的排列——管子每米長度的傳熱面積f計(jì)算

表4 預(yù)熱器所需傳熱面積F 計(jì)算

表5 管子每米長度的傳熱面積f 計(jì)算

3.1.6 預(yù)熱器管束的排列——所需管子長度L計(jì)算

所需管子總長度按公式L=A÷f計(jì)算，見表6。

表6 所需管子長度L 計(jì)算

3.1.7 預(yù)熱器管束的排列——每根單管的空氣流量vk計(jì)算

表7 每根單管的空氣流量vk 計(jì)算

3.1.8 預(yù)熱器管束的排列——并聯(lián)管子根數(shù)n計(jì)算

并聯(lián)管子根數(shù)按公式n=Vk÷vk計(jì)算，見表8。

表8 并聯(lián)管子根數(shù)n 計(jì)算

3.1.9 預(yù)熱器管束的排列——單管長度l的計(jì)算

單管長度按公式l=L÷（2n）計(jì)算，見表9。

3.1.10 煙氣流通面積Ay的計(jì)算

所需流通面積按公式Ay=Vy÷ωy÷3600計(jì)算，見表10。

表9 單管長度l 計(jì)算表

表10 煙氣流通面積Ay 計(jì)算

3.1.11 面對煙氣橫向管束列數(shù)y的計(jì)算

管束列數(shù)按公式y(tǒng)=Ay÷l÷（s1-d1）計(jì)算，見表11。

表11 面對煙氣橫向管束列數(shù)y 計(jì)算

3.1.12 面對煙氣縱向管束排數(shù)x的計(jì)算

管束排數(shù)按公式x=n÷y計(jì)算，見表12。

表12 面對煙氣縱向管束排數(shù)x 計(jì)算

3.1.13 管束排列結(jié)果（單管總數(shù)及縱向管束數(shù)量計(jì)算）

單管總數(shù)等于行程乘以并聯(lián)管子根數(shù)， 縱向管束排數(shù)等于單管總數(shù)除以橫向管束列數(shù)，見表13。

表13 單管總數(shù)及縱向管束數(shù)量計(jì)算

最后根據(jù)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的管式換熱器如圖4 所示，面對煙氣管束列數(shù)為8 列，縱向管束列數(shù)為20 列，單管總數(shù)共160 根。

圖4 管式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 降溫時(shí)間及降溫速率的計(jì)算

已知設(shè)備裝載量100 t（含墊鐵）,爐墻為全纖維結(jié)構(gòu)，纖維總重量20 t，爐底臺車為耐火磚砌筑，耐火磚總重量35 t，要求設(shè)備以20～100 ℃/h 速率加熱至550 ℃后保溫2.5 h， 然后在爐內(nèi)降溫至300 ℃，最后出爐空冷，現(xiàn)計(jì)算降溫所需時(shí)間和降溫速率。

3.2.1 降溫過程中熱量釋放計(jì)算

（1）工件從550 ℃降至300 ℃過程中釋放的熱量Q1

式中：G為爐子裝載量，kg；J1、J2為金屬的比能，即熱含量，kJ/kg，550 ℃時(shí)， 金屬的比能為315.5 kJ/kg，300 ℃時(shí)，金屬的比能為155.7 kJ/kg。

（2）纖維從550 ℃降至300 ℃過程中釋放的熱量Q2

550 ℃時(shí)爐襯的平均溫度t=0.59（tl+tb）=0.59×（550+20）=336.3（℃）

式中：tl與tb分別為爐溫550 ℃時(shí)纖維的內(nèi)表面溫度及外表面溫度，℃。

300 ℃時(shí)爐襯的平均溫度t=0.59（t′l+t′b）=0.59×（300+20）=188.8（℃）

式中：t′l與t′b分別為爐溫300 ℃時(shí)纖維的內(nèi)表面溫度及外表面溫度，℃。

336.3 ℃時(shí)硅酸鋁耐火纖維比熱容c=1.013+0.075×10-6t2=1.013+0.075×10-6×336.3=1.021[kJ/（kg·℃）]

188.8 ℃時(shí)硅酸鋁耐火纖維比熱容c=1.013+0.075×10-6t2=1.013+0.075×10-6×188.8=1.016[kJ/（kg·℃）]

式中，k為考慮到熱處理爐工藝時(shí)間較短，在升溫和保溫結(jié)束時(shí)爐襯并不能完全熱透引入的修正系數(shù)，在此k值取0.5。

（3）耐火磚從550 ℃降至300 ℃過程中釋放的熱量Q3

耐火磚在550 ℃及300 ℃時(shí)的爐襯平均溫度計(jì)算方法與纖維一致。

336.3 ℃時(shí)耐火黏土磚比熱容c=0.84+0.272×10-3·t=0.84+0.272×10-3×336.3≈0.93[kJ/（kg·℃）]

188.8 ℃時(shí)耐火黏土磚比熱容c=0.84+0.272×10-3·t=0.84+0.272×10-3×188.8≈0.89[kJ/（kg·℃）]

式中，t為實(shí)際溫度，℃。

（4）爐溫從550 ℃降至300 ℃過程中釋放的總熱量Q總

考慮爐門及密封處熱損失， 引入修正系數(shù)K，K取0.9。

3.2.2 降溫過程中所需空氣量計(jì)算

20 ℃及550 ℃時(shí)空氣熱容量C20=25.96 kJ/m3，C550=742.28 kJ/m3。不同溫度下，空氣的熱容量依據(jù)表2 通過不同溫度下的比熱容乘以對應(yīng)溫度進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)爐溫從550 ℃降至300 ℃過程中釋放的總熱量Q總均被空氣置換，則所需空氣總量V為：

根據(jù)理性氣體狀態(tài)方程：

式中，P1、P2為不同溫度下的壓強(qiáng)，Pa， 爐子為非密閉容器，故在不同溫度下，壓強(qiáng)相等；T1=20 ℃；T2=550℃；V1為20 ℃時(shí)空氣的體積，m3；V2為550 ℃時(shí)空氣的體積，m3。

3.2.3 降溫時(shí)間及降溫速率計(jì)算

其中， 設(shè)備助燃風(fēng)機(jī)采用兩臺9-19No.6.3A-7高壓離心風(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)機(jī)流量為6978 m3/h，降溫速率

4 實(shí)例應(yīng)用

2018年為一重集團(tuán)大連石化裝備有限公司設(shè)計(jì)制作了兩臺具有高效預(yù)熱與快速降溫功能的新型臺車式燃?xì)馔嘶馉t， 設(shè)備爐膛尺寸分別為16 m×7 m×8 m 和12 m×7 m×8 m， 加熱方式采用高速燒嘴，脈沖燃燒控制， 主要用于壓力容器焊后去應(yīng)力退火熱處理，這兩臺設(shè)備具有高效預(yù)熱與快速降溫功能，已成功驗(yàn)收并投產(chǎn)使用， 圖5 為高效預(yù)熱與快速降溫管路連接切換圖， 整個(gè)生產(chǎn)過程中， 無須人工干預(yù)， 設(shè)備自動(dòng)按預(yù)定升溫→保溫→降溫工藝自動(dòng)運(yùn)行。 該具有高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的新型燃料熱處理爐在加熱階段預(yù)熱空氣預(yù)熱溫度高，在降溫階段降溫速度快，因而加快了生產(chǎn)節(jié)奏，進(jìn)而節(jié)能降耗，得到了用戶的高度認(rèn)可。

圖5 高效預(yù)熱與快速降溫管路連接切換圖

5 結(jié)語

從該高效預(yù)熱與快速降溫雙作用功能的新型燃料熱處理爐整體性能來看， 在滿足高效預(yù)熱的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)帶件時(shí)的快速降溫，根據(jù)裝載率的不同一般可實(shí)現(xiàn)30～70 ℃/h 的降溫速度，進(jìn)而提高了設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)奏，可廣泛應(yīng)用于類似的燃料熱處理爐領(lǐng)域。