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

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(xiàn)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(jiǎn)單、造價(jià)便宜，但是入口煙氣溫度不能過(guò)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(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)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(wú)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(shì)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(mǎn)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(guò)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(guó)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)1號(hào)加熱爐實(shí)施了改造，經(jīng)過(guò)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(lái)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(chǎng)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(zhǎng)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(wèn)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(jiàn)表1。

采用列管式換熱器進(jìn)行煙氣余熱回收的主要問(wèn)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?yè)Q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(wèn)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(wèn)題無(wú)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(guò)程中，換熱效率逐年衰減，一般運(yùn)行超過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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?jī)H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(zhǎng)。

2.2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

1)燃?xì)鉄嵛镄再|(zhì)

梅鋼1422線(xiàn)1號(hào)加熱爐使用煤氣成分見(jiàn)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(lái)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(chǎng)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(xiàn)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(guò)翼邊焊接成一束，特殊的結(jié)構(gòu)使多個(gè)板束通過(guò)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(guò)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(chǎng)條件，可以在設(shè)計(jì)階段通過(guò)采用不同強(qiáng)化板型、板間距離、疊加厚度來(lái)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(guò)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(kāi)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(chǎng)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。可最大限度地回收高溫?zé)煔獾挠酂?，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wàn)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(xiàn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此展開(kāi)換熱器改造的技術(shù)可行性分析。

1)換熱效果衰減問(wèn)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(zhǎng)。正常使用條件下5年不衰減。

2)板片銹蝕問(wèn)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(wèn)題導(dǎo)致傳熱效率的下降

煙氣流動(dòng)方向沒(méi)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(chǎng)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(guò)調(diào)節(jié)板間隙尺寸，來(lái)滿(mǎn)足煙氣側(cè)壓降的要求；通過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(xiàn)節(jié)約1 907.1萬(wàn)標(biāo)方煤氣，帶來(lái)節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益801萬(wàn)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。