沖天爐熱風(fēng)換熱器
                   張明(威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司,山東威海264200)
    摘要：分析了沖天爐熱風(fēng)換熱器的基本問題,評述了國內(nèi)常見的各種熱風(fēng)換熱器的結(jié)構(gòu)與工作特性。
    關(guān)鍵詞：沖天爐,換熱器
    中圖分類號：TG232.1;  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B;    文章編號：1006-9658(2007)02-3
    回收爐氣余熱產(chǎn)生熱風(fēng)不僅可以減少沖天爐的焦炭消耗、降低鐵液生產(chǎn)成本,而且可以明顯改善沖天爐的冶金性能和操作性能,同時可以有效降低爐氣溫度和黑度,有利于沖天爐除塵系統(tǒng)的工作,杜絕和防止除塵系統(tǒng)中CO引發(fā)的爆炸。由于能源價格和環(huán)保要求兩方面的原因,目前國內(nèi)越來越多的鑄造廠開始重視沖天爐的熱風(fēng)回收問題,熱風(fēng)換熱器的市場需求有了明顯的增長。
    間壁式換熱器一般具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、造價低廉的優(yōu)越性,目前除了個別鑄造廠使用陶瓷粒子接觸式換熱器外,國內(nèi)熱風(fēng)沖天爐絕大多數(shù)使用間壁式換熱器。本文在分析沖天爐熱風(fēng)換熱器基本問題的基礎(chǔ)上,介紹幾種國內(nèi)常見的沖天爐熱風(fēng)換熱器的結(jié)構(gòu)及工作特性。
    1·熱風(fēng)換熱器的基本問題
    沖天爐熱風(fēng)換熱器的工作原理與其它工業(yè)領(lǐng)域的換熱器完全相同,但爐氣的一些特性往往使熱風(fēng)換熱器及其熱風(fēng)系統(tǒng)存在一定的特殊問題。
    沖天爐熱風(fēng)換熱器屬于回收爐氣余熱、特別是CO潛熱的專用設(shè)備,因此需要首先向爐氣中補(bǔ)充一定量的助燃空氣,使?fàn)t氣燃燒以釋放CO包含的潛熱,包含著爐氣燃燒環(huán)節(jié)屬于熱風(fēng)換熱器的顯著特征。目前有的熱風(fēng)系統(tǒng)在換熱器前設(shè)置專門的爐氣燃燒器,有的首先在沖天爐煙囪中使?fàn)t氣燃燒、然后通過換熱器回收熱風(fēng),更有簡單的將燃燒器與換熱器合為一體。在此需要特別說明,爐氣中包含大量熱能,回收爐氣余熱可以獲得很高溫度的熱風(fēng),沖天爐熱風(fēng)系統(tǒng)不必考慮添加任何燃料?；厥諢犸L(fēng)后的爐氣溫度一般在500℃左右,仍然有進(jìn)一步回收利用價值。
    目前除了個別工廠外,國內(nèi)沖天爐一般采用先回收熱風(fēng)后除塵的工藝路線,爐氣中包含的大量灰粉限制了換熱器的工作溫度?；曳莸娜埸c(diǎn)在900～950℃左右,為了防止灰份熔化粘結(jié),換熱器內(nèi)部溫度一般低于900℃,爐氣在此溫度范圍的輻射換熱能力很低,爐氣與換熱器壁之間以對流為最主要方式進(jìn)行熱交換?？諝鈧?cè)的介質(zhì)一般不具備接受輻射的換熱能力,空氣與器壁之間完全通過對流進(jìn)行熱交換。由于爐氣灰份引起的換熱器工作溫度的限制,對目前一般的熱風(fēng)換熱器而言,如果提高爐氣和空氣流速,有利于提高換熱器的對流換熱系數(shù)、降低單位換熱量的鋼材用量[1]。
    爐氣中包含的大量灰粉也給換熱器的結(jié)構(gòu)帶來了問題,目前大部分熱風(fēng)換熱器均需要考慮換熱器內(nèi)部可能滯留的粉塵排放問題,有的需要在換熱器上開設(shè)清掃門,有的需要在換熱器底部設(shè)置排灰口。有關(guān)理論計算表明,目前國內(nèi)普遍采用的先回收熱風(fēng)后除塵的工藝路線不利于爐氣熱能的回收,如果先除塵后回收熱風(fēng)可以大幅度提高爐氣熱能的回收效率[2]。
    沖天爐爐氣中包含的CO2、SO2、NO2、HF、水蒸氣等氣體在高溫下長期作用于換熱器,容易造成器壁特別是焊縫的化學(xué)腐蝕。換熱器材料在高溫下形成的熱應(yīng)力積聚在焊縫上,對焊縫造成了熱應(yīng)力腐蝕。長期作用于爐氣側(cè)焊縫上的化學(xué)腐蝕與熱應(yīng)力腐蝕,是目前國內(nèi)各種間壁式熱風(fēng)換熱器損壞失效的主要原因。爐氣側(cè)焊縫壽命決定著間壁式熱風(fēng)換熱器的服役壽命,如果爐氣側(cè)不存在焊縫,可以大幅度提高熱風(fēng)換熱器的服役時間。
    目前沖天爐熱風(fēng)換熱器包括規(guī)范性換熱器與非規(guī)范性換熱器兩大類,規(guī)范性換熱器內(nèi)的溫度場、流場比較簡單,可以通過熱工學(xué)的理論和方法進(jìn)行數(shù)值計算;非規(guī)范性換熱器內(nèi)的溫度場、流場比較復(fù)雜,很難用熱工學(xué)進(jìn)行數(shù)值計算,只能通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行類比設(shè)計。非規(guī)范性熱風(fēng)換熱器由于缺乏數(shù)值計算,單位換熱量鋼材耗量大,換熱效率低,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低下,應(yīng)該引起我們的重視。
    2·常見的熱風(fēng)換熱器
    2.1熱風(fēng)爐膽換熱器
    熱風(fēng)爐膽是最為常見的沖天爐熱風(fēng)換熱器,該換熱器安裝在沖天爐預(yù)熱段,通過吸收預(yù)熱段爐氣熱量將沖天爐鼓風(fēng)加熱,熱風(fēng)溫度一般在150～250℃,結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,但該換熱器的局限性也很明顯。該換熱器通過吸收預(yù)熱段爐氣熱量獲得熱風(fēng),與爐料爭奪熱量,影響爐料預(yù)熱效果,因此該換熱器的工作原理稍嫌落后。由于工作原理和換熱面積的局限性,該換熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)溫度較低,對改善沖天爐的熔化、提高鐵液溫度作用不明顯。同時該換熱器可靠性差,焊縫易開裂,累計服役時間一般不超過3000h,需要頻繁更換。近十幾年來,圍繞該換熱器的壽命問題,許多人對熱風(fēng)爐膽進(jìn)行了不斷的改進(jìn),有的著眼于更換費(fèi)用將熱風(fēng)爐膽分為上、下兩段;有的著眼于爐膽內(nèi)壁焊縫采用鑄造內(nèi)壁,延長熱風(fēng)爐膽的服役壽命。
    由于該換熱器的性能特征,熱風(fēng)爐膽一般適合于生產(chǎn)規(guī)模不大、設(shè)備可靠性要求不高的小型鑄造廠使用,由于頻繁更換的原因,該換熱器特別不適合于大批大量流水線長期連續(xù)生產(chǎn)的現(xiàn)代化鑄造廠使用。另外,使用該換熱器需要沖天爐操作工有較高的技術(shù)水平和責(zé)任心,如果沖天爐底焦高度變化幅度較大則該換熱器很容易損壞。
    2.2多管豎式換熱器
    長春第一汽車制造廠、天津內(nèi)燃機(jī)廠等從國外進(jìn)口的沖天爐,使用多管豎式換熱器(亦稱艾夏式換熱器)。這種換熱器結(jié)構(gòu)緊湊,徑向存在較多的結(jié)構(gòu)層次,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,一般采用不銹鋼制作,熱風(fēng)溫度在400～450℃之間。該換熱器存在三個結(jié)構(gòu)層次,為了消除各層在不同溫度下產(chǎn)生的熱應(yīng)力,該換熱器需要使用比較昂貴的不銹鋼金屬膨脹器,同時每次啟動時需通過燃燒煤氣或者油料進(jìn)行預(yù)熱。該換熱器的服役時間一般為8～10年(4.8～6萬小時),損壞失效往往由焊接熱影響區(qū)的交變熱應(yīng)力腐蝕造成[3]。
    這種熱風(fēng)換熱器通過回收爐氣余熱產(chǎn)生熱風(fēng),沖天爐的爐氣出口一般開設(shè)在加料口以下,換熱器一般安置在沖天爐附近的地面上,換熱器前需要設(shè)置爐氣燃燒器。由于該換熱器及其爐氣燃燒器高度較大,爐氣進(jìn)口往往低于沖天爐爐氣出口,無法利用爐氣溫度形成的自然對流力,因此必須配置引風(fēng)機(jī)械。
    這種沖天爐換熱器一般包括爐氣管道及閥門、爐氣燃燒器、助燃風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、尾氣管道、系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)和比較復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)等幾部分,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熱風(fēng)系統(tǒng)的造價往往高于沖天爐。另外,該熱風(fēng)系統(tǒng)需要占用一定的車間地面面積。
    2.3蛇形換熱器
    該熱風(fēng)換熱器因內(nèi)部的換熱管首尾相接被稱之為蛇形換熱器,該換熱器最先用于礦石沖天爐。蛇形熱風(fēng)換熱器安裝在沖天爐加料口之上,不占用車間地面面積。該換熱器的損壞失效一般由蛇形管焊縫腐蝕、開裂造成。如果采用20g類普通材料,熱風(fēng)溫度一般為400～450℃,不檢修服役時間約為3年(1.8萬小時)。如果采用不銹鋼,熱風(fēng)溫度可接近600℃,不檢修服役時間約為8年(4.8萬小時)。該換熱器內(nèi)部的蛇形管外容易積灰,影響熱交換效果,需要定期清灰,因此該換熱器上開設(shè)有清灰門[4,5]。
    該換熱器內(nèi)部的爐氣溫度一般控制在800～900℃之間,如果爐氣溫度過高蛇形換熱管(特別是焊縫)很容易氧化損蝕、使換熱器漏風(fēng)。因此該換熱器一般裝置著冷卻風(fēng)機(jī)與相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng),當(dāng)爐氣溫度超過預(yù)定值時,冷卻風(fēng)機(jī)可以自動啟動向換熱器內(nèi)部鼓入冷風(fēng)降溫。
    由于蛇形換熱器爐氣側(cè)介質(zhì)流速一般很低,介質(zhì)與換熱器壁之間的對流換熱系數(shù)很低,同時由于爐氣側(cè)、空氣側(cè)介質(zhì)的溫度場比較復(fù)雜,很難利用熱工學(xué)的方法進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計算,因此目前該換熱器單位換熱量的鋼耗量較大、重量大,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能較差。由于該換熱器很難使用熱工學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計計算,因此該換熱器屬于非規(guī)范性多程管換熱器。
    2.4窯式換熱器
    窯式換熱器也稱熱風(fēng)窯,最先見于鐵屑爐,目前許多小型鑄造廠使用這種換熱器作為沖天爐的熱風(fēng)換熱器。窯式換熱器內(nèi)部的換熱管首尾相接呈蛇形排列,窯室一般設(shè)置在沖天爐加料平臺上,側(cè)面設(shè)有檢修門、底部設(shè)有排灰口。該換熱器還有另外一種變形結(jié)構(gòu):將該換熱器設(shè)置在車間的地面上,通過管道將爐氣向下引入換熱器[6]。該換熱器與蛇形換熱器相比,換熱管均首尾相接,外部均砌有耐火材料層,該換熱器中爐氣水平流動,蛇形換熱器中爐氣鉛垂上升。該換熱器與蛇形換熱器具有完全相同的技術(shù)本質(zhì),均屬于非規(guī)范性的多程管換熱器。
    該換熱器窯室內(nèi)的換熱管有的采用水平排列、有的鉛垂排列,有的用鑄鐵管、有的用普通鋼管、有的用不銹鋼鋼管,管與管之間的接口大部分在窯室內(nèi)部、也有些在窯室以外,有的采用承插口、有的采用焊接結(jié)構(gòu)、有的采用法蘭聯(lián)結(jié),有各種各樣的具體結(jié)構(gòu)形式。該換熱器如果采用不銹鋼鋼管、焊接接口熱風(fēng)溫度可以接近600℃,鑄鐵或普通鋼管如果熱風(fēng)溫度超過400℃,接口很容易漏風(fēng)、換熱管也容易短期內(nèi)燒蝕。該換熱器爐氣側(cè)介質(zhì)流速較低,因此對爐氣有一定的除塵作用,但鋼材耗量大、重量大、耐火材料用量大,同時需要直接或間接占用一定的車間地面,因此一些鑄造廠在技術(shù)改造中將窯式換熱器更換為其它結(jié)構(gòu)的換熱器。
    2.5多程管換熱器
    多程管熱風(fēng)換熱器屬于工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)的規(guī)范換熱器,該換熱器內(nèi)部的搪襯層,可以起到保溫與保護(hù)換熱器殼體的作用。該換熱器的最大優(yōu)越性為爐氣側(cè)的換熱管不存在焊縫,避免了焊縫泄漏引起的換熱器漏風(fēng)問題。除了換熱器內(nèi)部的換熱管外,其余部分可以完全使用普通材料,用材合理、有效降低了換熱器的材料成本。換熱管如果采用20g類普通鋼管,熱風(fēng)溫度可以達(dá)到400～450℃,服役時間可以達(dá)到5年(3萬小時)以上;采用不銹鋼管,熱風(fēng)溫度可以接近600℃,服役時間可以達(dá)到12年(7.2萬小時)以上[7,8]。
    該換熱器可以安裝在沖天爐加料口上方成為最簡單的熱風(fēng)裝置,也可以像多管豎式換熱器(艾夏換熱器)一樣安裝在地面上組成較為復(fù)雜的熱風(fēng)裝置,可簡可繁,具有很強(qiáng)的使用靈活性。相對于多管豎式換熱器,該換熱器結(jié)構(gòu)簡單、堅固可靠、容易制造、成本低廉,因此具有很強(qiáng)的技術(shù)競爭力。
    2.6陶瓷粒子換熱器
    陶瓷粒子熱風(fēng)換熱器目前國內(nèi)只有山東和上海等地有個別應(yīng)用,該熱風(fēng)換熱器屬于接觸式換熱器。換熱器分為上下兩室,爐氣在上室燃燒并將陶瓷粒子加熱到一定溫度,被加熱的陶瓷粒子在重力作用下落入下室加熱沖天爐鼓風(fēng)獲得熱風(fēng),加熱空氣后的陶瓷粒子在風(fēng)力提升器(或者環(huán)鏈?zhǔn)蕉肥教嵘龣C(jī))的作用下返回上室、形成循環(huán)。該換熱器循環(huán)使用的接觸換熱介質(zhì)一般為Al2O3燒結(jié)球,熱風(fēng)溫度一般可以達(dá)到600～650℃,屬于目前國內(nèi)熱風(fēng)溫度較高的沖天爐熱風(fēng)換熱器。爐氣灰份的熔點(diǎn)與換熱器有關(guān)結(jié)構(gòu)件的極限工作溫度,限制了該換熱器內(nèi)部的工作溫度與熱風(fēng)溫度[9]。
    雖然陶瓷粒子換熱器的工作原理、結(jié)構(gòu)不同于多管豎式換熱器,但兩者所組成熱風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素基本相同,包含爐氣管道及閥門、助燃風(fēng)機(jī)、尾氣管道、系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)等幾部分,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。陶瓷粒子循環(huán)系統(tǒng)是該換熱器的薄弱環(huán)節(jié),需要耗費(fèi)人力和材料進(jìn)行經(jīng)常性的維修。
    通過以上分析可以看出現(xiàn)有的各種熱風(fēng)換熱器中,多程管換熱器內(nèi)設(shè)置有搪襯層、爐氣側(cè)不存焊縫,不僅服役壽命長,而且結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、適應(yīng)性強(qiáng),具有明顯的技術(shù)優(yōu)越性。
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