碳化硅高溫?fù)Q熱器的研制及應(yīng)用

宋德升，張 彪，朱振坤

（山東祥桓環(huán)境科技有限公司，山東 濟(jì)南250002）

高溫?fù)Q熱技術(shù)是從煙氣余熱回收技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，要研究它的應(yīng)用必須研究煙氣余熱回收技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，以找出其應(yīng)用規(guī)律。

為了回收各種工業(yè)爐窯煙氣余熱，人們往往采用金屬“間壁式”空氣預(yù)熱器，但傳統(tǒng)的金屬換熱器存在著無(wú)法適應(yīng)高溫工況和腐蝕性工質(zhì)的局限性。陶瓷換熱器很好地克服了這種局限性（如圖1所示），陶瓷換熱管冷熱介質(zhì)分別走管程和殼程，實(shí)現(xiàn)間接換熱?，F(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法加工復(fù)雜表面的陶瓷換熱元件，依靠多根陶瓷換熱管組裝形成的換熱裝置單臺(tái)加熱氣體流量低于10 000 m3/h，無(wú)法實(shí)現(xiàn)陶瓷換熱器的大型化，從而影響了陶瓷換熱器的推廣[1]。

圖1 常規(guī)碳化硅換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)別于“間壁式”空氣預(yù)熱器的蓄熱式換熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于熱風(fēng)爐和焦?fàn)t等以回收煙氣余熱來(lái)預(yù)熱空氣的裝備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于其工作原理要求，往往需要3～4座爐子同時(shí)運(yùn)行，因此蓄熱式換熱器體積龐大，蓄熱體厚，換向時(shí)間長(zhǎng)，預(yù)熱溫度波動(dòng)大，熱回收率低，無(wú)法推廣應(yīng)用于其他工業(yè)爐窯[2]。

圖2 蓄熱式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)研、反復(fù)模擬和應(yīng)用試驗(yàn)，山東祥桓環(huán)境科技有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)了碳化硅高溫?fù)Q熱器，結(jié)合到目前為止所掌握的耐高溫材料應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析，所設(shè)計(jì)的高溫?fù)Q熱器可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄熱式熱風(fēng)爐，并且在設(shè)備體積、制造成本、換熱效率及預(yù)熱溫度的穩(wěn)定性等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 高溫?fù)Q熱器選型設(shè)計(jì)方法

1.1 材料選擇

經(jīng)常接觸的冷介質(zhì)以空氣為主，熱介質(zhì)一般為煙氣，換熱器溫度及材質(zhì)選擇見(jiàn)表1[3]。

表1 換熱器溫度及材質(zhì)選擇

碳化硅在水蒸氣、含氧氣氛中存在高溫氧化問(wèn)題。含氧氣氛中，碳化硅在800℃以上開(kāi)始被氧化，可形成一層SiO2保護(hù)膜，在溫度高于1 200℃時(shí)該保護(hù)膜即軟化被沖蝕破壞，換熱元件壽命迅速縮短。這也是一般碳化硅換熱元件最高用到1 200℃的原因。碳化硅與蒸汽自1 000℃開(kāi)始強(qiáng)烈反應(yīng)，腐蝕生成的SiO2與水蒸氣發(fā)生揮發(fā)反應(yīng)，生成氣態(tài)的Si（OH）4，不能形成保護(hù)膜[4]。

在碳化硅換熱器設(shè)計(jì)時(shí)候要注意以下問(wèn)題：

（1）煙氣含有較多的水蒸氣和少量氧氣，煙氣側(cè)溫度不宜超過(guò)1 200℃。

（2）空氣中包含大量氧氣和少量水蒸氣，空氣側(cè)溫度不宜超過(guò)1 000℃，極限為1 200℃。

（3）蒸汽環(huán)境中，蒸汽與碳化硅在高溫下劇烈反應(yīng)，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，蒸汽溫度不宜超過(guò)1 000℃。

（4）煤氣中含有H2、CO、H2O，煤氣溫度不宜超過(guò)1 000℃。水蒸氣與碳化硅反應(yīng)形成SiO2，而H2具有還原性，在高溫下H2與SiO2快速發(fā)生反應(yīng)，使SiO2還原，造成換熱元件表面出現(xiàn)裂紋、松弛等。

1.2 換熱面形式的選擇

流量≤1 000 m3/h的時(shí)候，陶瓷高溫?fù)Q熱器造價(jià)主要由耐火材料和加工費(fèi)決定，耐熱鋼換熱器造價(jià)主要由耐熱鋼和耐火材料決定，單位面積造價(jià)高，適合密封性要求高的場(chǎng)合。流量≥1 000 m3/h的時(shí)候，陶瓷高溫?fù)Q熱器造價(jià)主要由換熱元件和耐火材料決定，耐熱鋼換熱器造價(jià)主要由耐熱鋼決定，耐熱鋼換熱器經(jīng)濟(jì)性較低。基于上述分析，不同氣量下的換熱面形式的選擇建議見(jiàn)表2。

表2 氣量與換熱面形式的選擇

1.3 高溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)計(jì)算方法

換熱器工作時(shí)，冷、熱流體分別處在換熱通道的兩側(cè)，熱流體把熱量通過(guò)壁面?zhèn)鹘o冷流體，形成熱交換。若換熱器沒(méi)有保溫，存在熱損失，則熱流體放出的熱量大于冷流體獲得的熱量。

（1）換熱器的傳熱方程為

（2）熱流體和冷流體熱交換平衡方程式為

熱流體放出的熱量為：

式中：K—綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）F—傳熱面積，m2

Qt—單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量，kW

Vt—熱流體的流量，m3/s

cpt′、cpt″—熱流體的進(jìn)、出口溫度下的比熱，kJ/（m3·℃）

T1、T2—熱流體的進(jìn)、出口溫度，K或℃。冷流體獲得的熱量為：

式中：Qs—單位時(shí)間內(nèi)冷流體獲得的熱量，kJ/s=kW

Vs—冷流體的流量，m3/s

cps′、cps″—熱流體的進(jìn)、出口溫度下的比熱，kJ/（m3·℃）

t1、t2—冷流體的進(jìn)、出口溫度，K或℃

損失的熱量為：

冷熱流體間的溫差是傳熱的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于逆流傳熱，平均溫差為

式中：Δt1=T1-t2；Δt2=T2-t1

常用冷卻介質(zhì)為空氣、煤氣或其他氣體，熱流體煙氣為吸收性氣體，存在較強(qiáng)的輻射能力，如煙氣中的三原子、多原子及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的雙原子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH4等，均有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力[5]。其他單原子和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體，如H2、N2、O2、空氣等，無(wú)反射和吸收的能力，可以看作透明體[6]。

輻射到氣體層界面上的輻射能在輻射行程中被吸收減弱，減弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所遇到的分子數(shù)目（與射線(xiàn)行程長(zhǎng)度及氣體密度有關(guān)）[7]。氣體的輻射和吸收是氣層厚度（即射線(xiàn)程長(zhǎng)）L、溫度T和分壓p（密度）的函數(shù)：

由于氣體的容積輻射特性，與射線(xiàn)程長(zhǎng)L關(guān)系密切，而L取決于氣體容積的形狀和尺寸[8]。

CO2和H2O氣的吸收率不僅與氣體溫度Tg、分壓及厚度有關(guān)，還與投入氣體的輻射光譜有關(guān)。因?yàn)镃O2和H2O氣對(duì)投入輻射的波長(zhǎng)有選擇性地吸收，所以不能把氣體當(dāng)作灰體和漫射體[9]。

氣體的吸收率αg不等于同等溫度下的黑度εg，在加熱爐中，投入輻射來(lái)自氣體的包殼壁面，這些壁面近似于黑體或灰體，它的輻射光譜取決于壁面溫度Tw，所以CO2和H2O氣的吸收率也與Tw有關(guān)[10]。

2 碳化硅高溫?fù)Q熱器研究和設(shè)計(jì)

基于上述分析，研究開(kāi)發(fā)出了碳化硅高溫?fù)Q熱器（專(zhuān)利號(hào)ZL202020793291.5，一種便于模塊化安裝的換熱裝置；專(zhuān)利號(hào)ZL201920797876.1，一種高溫?zé)煔饣責(zé)崾綋Q熱器），其結(jié)構(gòu)如圖3所示[11]。

圖3 碳化硅高溫?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置由多組換熱模塊法蘭連接組成，多組換熱模塊上下聯(lián)通形成殼程換熱通道，殼程換熱通道內(nèi)走煙氣，換熱模塊中的換熱管形成管程換熱通道，多組換熱模塊中的換熱管與折流板一起形成多個(gè)管程通道，通過(guò)多組換熱元件實(shí)現(xiàn)最高1 200℃的高溫?fù)Q熱過(guò)程[12]。

該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，換熱器模塊由鋼殼、耐火隔熱墻、碳化硅換熱單元、折流板和支撐梁組成，換熱單元由換熱管、管板、拉桿與螺母拼接組合后整體燒制成型，支撐梁、管板、換熱管、拉桿及螺母均采用碳化硅材質(zhì)，熱膨脹系數(shù)一致，減少高溫下的熱膨脹影響。換熱模塊與隔熱耐火墻形成殼程換熱通道，換熱模塊中的換熱管形成管程換熱通道[13]。

換熱單元由多根碳化硅換熱管、碳化硅管板、拉桿與螺母組成，碳化硅換熱管、碳化硅管板采用插接結(jié)構(gòu)，連接位置采用陶瓷膠填縫，接口密封效果好，拉桿與螺母用于固定換熱元件，拼接組合后整體燒制形成單個(gè)換熱單元[14]。換熱支撐梁、管板、換熱管、拉桿及螺母均采用碳化硅材質(zhì)，熱膨脹系數(shù)一致，不擔(dān)心高溫下的熱膨脹問(wèn)題。碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的抗熱震、耐高溫、耐腐蝕性及抗磨損性能，而且在高溫下導(dǎo)熱性能良好，碳化硅高溫?fù)Q熱器可用于高溫、高含塵、腐蝕性氣體的換熱過(guò)程[15]。

碳化硅高溫?fù)Q熱器優(yōu)勢(shì)：

（1）解決蓄熱式熱風(fēng)爐滯留氣體未燃盡、燃燒波動(dòng)、煙風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題。

（2）換熱模塊中的換熱單元和支撐結(jié)構(gòu)為同一材質(zhì)，即支撐梁、管板、換熱管、拉桿、螺母均采用碳化硅材質(zhì)，熱膨脹系數(shù)一致，以上元件具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗磨損性能。

（3）采用模塊化設(shè)計(jì)的換熱模塊，換熱模塊之間通過(guò)法蘭連接、密封，可根據(jù)換熱需求調(diào)整模塊數(shù)量和安裝方式，換熱單元的卡槽式設(shè)計(jì)具有便于組裝及放大的優(yōu)勢(shì)。

3 應(yīng)用效益分析

3.1 山東某冶金企業(yè)蓄熱室式熱風(fēng)爐改造應(yīng)用分析

山東某冶金企業(yè)的科研項(xiàng)目采用小型蓄熱室式熱風(fēng)爐，煤氣經(jīng)燃燒室燃燒，通過(guò)換向閥交替切換空氣與煙氣，使之周期性交替流經(jīng)蓄熱體，可將空氣預(yù)熱至800℃以上。該科研項(xiàng)目運(yùn)行參數(shù)調(diào)整后，需要1 000℃空氣，由于蓄熱室空間受限，蓄熱性能無(wú)法擴(kuò)容。山東祥桓環(huán)境科技有限公司接手后，對(duì)該公司蓄熱式熱風(fēng)爐進(jìn)行換熱式改造，在原蓄熱室位置加裝換熱模塊，改造進(jìn)出口煙道，改造后系統(tǒng)如圖4所示，前后參數(shù)如表3所示[16]。

表3 蓄熱式熱風(fēng)爐改造前、后對(duì)比

圖4 蓄熱式熱風(fēng)爐改造后系統(tǒng)示意圖

燃料氣經(jīng)燃燒室充分燃燒后，可穩(wěn)定煙溫至1 250℃左右，經(jīng)換熱系統(tǒng)降溫的煙氣通入烘干系統(tǒng)。冷側(cè)為空氣，流量1 800 m3/h。工作壓力10～15 kPa，進(jìn)口40℃，經(jīng)系統(tǒng)換熱后，出口溫度不小于1 000℃。

使用碳化硅高溫?fù)Q熱器后，輸出空氣溫度由800℃提高至1 050℃，排煙溫度由1 030℃降低至950℃，節(jié)能效果顯著，提高了熱風(fēng)爐整體性能[17]。

3.2 河北某鋼鐵集團(tuán)煤氣預(yù)熱器應(yīng)用效益分析

河北某鋼鐵集團(tuán)應(yīng)用的煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器作為高溫氣化爐煤氣余熱回收裝置的一部分，用于預(yù)熱來(lái)自于煤氣加壓機(jī)的冷煤氣。預(yù)熱后的冷煤氣用于生產(chǎn)，初步降溫的熱煤氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽。

高溫煤氣中灰塵含量約20 g/m3，并含有一定的焦油，項(xiàng)目方要求煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器具有寬幅性能調(diào)節(jié)能力，所預(yù)熱冷煤氣流量應(yīng)在0～25 000 m3/h之間可調(diào)，冷煤氣預(yù)熱溫度應(yīng)在400～700℃之間可調(diào)。該項(xiàng)目應(yīng)用的煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)示意圖

表4 煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器運(yùn)行參數(shù)

該煤氣-煤氣高溫?fù)Q熱器投入運(yùn)行一年多時(shí)間以來(lái)，換熱效果良好，目前運(yùn)行狀況正常，未發(fā)現(xiàn)高溫腐蝕、熱應(yīng)力蠕變及磨損等情況[18]。

4 總結(jié)

碳化硅高溫?fù)Q熱器適用于1～10萬(wàn)m3/h氣量，不便于設(shè)置多座蓄熱式熱風(fēng)爐的場(chǎng)合，尤其適用于600～1 200℃高溫?fù)Q熱，對(duì)于含塵量較高、含腐蝕性氣體場(chǎng)合也能適用。

山東祥桓環(huán)境科技有限公司提出的碳化硅陶瓷高溫?fù)Q熱器、集成式陶瓷換熱模塊進(jìn)一步完善了高溫?fù)Q熱技術(shù)，拓展了高溫?fù)Q熱領(lǐng)域。利用碳化硅陶瓷高溫?fù)Q熱器實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的熱風(fēng)（煤氣、空氣等）供應(yīng)，再將熱風(fēng)回送至燃燒室助燃或向外輸送的工藝技術(shù)，將不斷拓展高溫?fù)Q熱應(yīng)用領(lǐng)域，并推動(dòng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展[19]。