時光輝，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，北京 100191)

在鋼鐵冶金生產行業(yè)中，步進加熱爐是連接連鑄和軋線的關鍵中間設備，用于加熱板坯使之達到軋制溫度[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熱器將加熱爐排出的高溫煙氣與助燃空氣換熱，在降低排煙溫度的同時提高助燃空氣溫度，從而實現(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)點為結構簡單、造價便宜，但是入口煙氣溫度不能過高、換熱效率低、由于結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”目標的節(jié)能要求。

板式換熱器傳熱系數(shù)高、結構緊湊占地面積小、節(jié)能效果穩(wěn)定，在化工行業(yè)應用廣泛，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，對于煙氣側允許壓降要求高，對板式換熱器的密封性、熱膨脹性、熱應力、耐高溫性要求嚴格，傳統(tǒng)板式換熱器設計結構無法達到應用到冶金步進加熱爐的標準。

目前板式換熱器的發(fā)展趨勢在強化傳熱效率、研發(fā)新型強化板型結構、創(chuàng)新生產焊接工藝，提高換熱器的整體強度，從而滿足高溫高壓介質運行的條件[2]。Arsenyeva等[3]對于不同幾何尺寸板片模型的實驗研究，得出了的凹凸板內、外通道的阻力系數(shù)和對流傳熱關聯(lián)式。郭志強等[4]研究發(fā)現(xiàn)雨滴狀板片的流道能夠增強對流傳熱，努塞爾數(shù)是平板的1.9～4.5倍。Kumar等[5]對凹凸板的傳熱和流動特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)板片焊點對通道內的傳熱影響可以忽略，但會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提高換熱效率，減小焊點的間距會增摩擦系數(shù)。中國鋼研科技集團曾將板式換熱器應用于軋鋼加熱爐[7]，預熱空氣溫度為400 ℃。

本文為了進一步提高步進加熱爐空氣預熱溫度到560 ℃以上，專門針對冶金步進加熱爐研發(fā)了新型高效板式換熱器，解決了步進加熱爐工藝特點產生的板式空氣預熱器的技術難度，并且成功在梅山鋼鐵公司熱軋1422線1號加熱爐實施了改造，經(jīng)過兩年多的運行，技術指標均達到了設計要求，相較于傳統(tǒng)列管式空氣預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，給生產企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟效益。

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號加熱爐1993年11月投產，并于2009年完成燃燒和冷卻系統(tǒng)技術改造，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。該加熱爐是步進式加熱爐，爐型為三段供熱側進側出步進梁加熱爐。加熱爐自裝料端至出料端沿爐長上分為預熱段、加熱一段、加熱二段及均熱段。為充分有效回收煙氣余熱，在煙道內設置列管式空氣預熱器。

1.2 列管式換熱器使用情況

原空氣預熱器為傳統(tǒng)列管式預熱器，換熱效率較低[8]，且由于列管形式換熱器積灰問題嚴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行，提高了企業(yè)運行成本和增加了安全隱患。

原列管式空氣預熱器技術參數(shù)見表1。

采用列管式換熱器進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

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

2)積灰問題嚴重

原空氣預熱器為列管式預熱器，煙氣流動方向水平換熱管阻擋煙氣流動，結構原因積灰問題無法解決。而且，換熱器構件中未安裝輔助清灰裝置，設備運行過程中，換熱效率逐年衰減，一般運行超過6個月空氣余熱溫度明顯下降。

3)煤氣超溫報警

在實際生產過程中，1號加熱爐空氣預熱溫度較低，出空氣預熱器的煙氣溫度偏高，即使采用開啟稀釋風機向煙道摻冷風的方法降溫，其后的煤氣預熱器的煤氣預熱溫度也時常達到320 ℃以上，發(fā)生超溫報警(煤氣超溫報警溫度為320 ℃)。這樣既增加了稀釋風機的開啟頻率，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行隱患。

2 新型高效板式換熱器的應用

2.1 板式換熱器的基本特點

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

新型高效板式換熱器技術特點如下：

(1)使用溫度高，采用不銹鋼材質時，使用溫度可達1 100 ℃以上；

(2)結構緊湊度高，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)由于板式空氣預熱器的板片表面接近于鏡面，且與煙氣流動方向一致，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)由于板式空氣預熱器材質均為不銹鋼，使用壽命大為延長。

2.2 設計基本參數(shù)

1)燃氣熱物性質

梅鋼1422線1號加熱爐使用煤氣成分見表2。

表2 煤氣成分組成 %

燃氣熱物性質都可按各組分的體積百分數(shù)和各組分的性質計算得到。燃料氣可近似地看作理想氣體，其標準狀態(tài)下的密度可由標準狀態(tài)下的密度和所處的溫度壓力來計算[10]。

ρ0=ΣXiρ0i

(1)

(2)

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

煤氣的標態(tài)密度為ρ0=1.012 6 kg/m3(標準)，低位熱值為Qdw=8 656kJ/m3(標準)。

2)空氣量

燃料氣的理論空氣量和實際空氣量計算：

(3)

V=αV0或L=αL0

(4)

理論空氣量L0=1.99 m3空氣/m3煤氣(標準)。

3)煙氣量

Wg=ΣWi

(5)

式中：Wi為煙氣中各組分的質量，kg/kg燃料氣。

2.3 設計工況計算

現(xiàn)場改造技術要求：

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

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

設計計算[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)換熱量計算式

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

(7)

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

3)流道數(shù)的計算與選擇

(8)

4)流道內實際流速

(9)

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

根據(jù)1422線1號加熱爐運行數(shù)據(jù)分析和改造技術要求，工況設計點參數(shù)如表3所示。

表3 板式空氣預熱器設計工況參數(shù)

2.4 板式換熱器結構設計

該新型高效板式換熱器采用丁胞型板片作為傳熱元件，單個板片兩兩正反通過翼邊焊接成一束，特殊的結構使多個板束通過翼邊的焊接形成冷熱流體相互分離的兩個通道，形成板式換熱器的換熱芯體。全焊接結構[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。

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

某公司熱軋廠1422mm熱軋1號加熱爐使用的新型高效板式換熱器根據(jù)運行工況設計了2個換熱段。其中，高溫換熱段采用了310S不銹鋼材質；低溫換熱段采用了321不銹鋼材質，一共六組。可最大限度地回收高溫煙氣的余熱，結構示意圖見圖1。

圖1 新型高效板式換熱器設計圖

3 應用效果分析

3.1 改造后的節(jié)能效果

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

表4 改造前后噸鋼消耗標煤記錄

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一噸鋼可以節(jié)約2～4 kg 標準煤，減少了熱軋線上的煤氣消耗量，大幅減少碳排放。

3.2 經(jīng)濟可行性分析

根據(jù)加熱爐列管式空預器使用經(jīng)驗可知，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年內的空氣預熱效果會快速下降，然后趨于穩(wěn)定。新型高效板式換熱器在5年內性能不衰減，8年內空氣預熱溫度降低溫度小于30 ℃。

結合1422線1號爐換熱器改造情況分析，對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)濟效益進行分析，結果如表5所示。

表5 高效板式換熱器經(jīng)濟性分析

由表5可以看出，1422線1號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)能效益前五年會逐年增加，到第五年使用高效板式換熱器會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)的正常運行，且在最高預熱溫度、煙氣側阻力等方面滿足設計要求，因此展開換熱器改造的技術可行性分析。

1)換熱效果衰減問題

新型高效板式換熱器采用湍流增強型薄板式換熱元件，針對不同的溫區(qū)采用不同的耐熱材料，結構緊湊、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

針對處于煙氣入口的板片高溫段采用310S不銹鋼材質，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)積灰問題導致傳熱效率的下降

煙氣流動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)場實際情況，綜合考慮加熱爐的灰分特點，采用膜片式聲波吹灰器。

4)空氣、煙氣側壓降

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

因此使用全焊接板式換熱器設計結構、高強度不銹鋼材料、先進的板片壓制切割技術和全自動焊接設備，可以實現(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

新型高效板式換熱器通過創(chuàng)新的板型結構設計，解決了冶金步進加熱爐傳統(tǒng)列管式換熱器換熱效率低、積灰嚴重、使用溫度低等問題；相對于傳統(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1 907.1萬標方煤氣，帶來節(jié)能經(jīng)濟效益801萬元，新型高效板式換熱器的成功應用在冶金加熱爐行業(yè)的節(jié)能減排領域做了很好的示范作用。