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冲天炉热风换热器点击：1961 日期：[ 2014-04-26 21:40:00 ] |
| 冲天炉热风换热器 张明(威海科兴铸造机械有限公司,山东威海264200) 摘要：分析了冲天炉热风换热器的基本问题,评述了国内常见的各种热风换热器的结构与工作特性。 关键词：冲天炉,换热器 中图分类号：TG232.1; 文献标识码：B; 文章编号：1006-9658(2007)02-3 回收炉气余热产生热风不仅可以减少冲天炉的焦炭消耗、降低铁液生产成本,而且可以明显改善冲天炉的冶金性能和操作性能,同时可以有效降低炉气温度和黑度,有利于冲天炉除尘系统的工作,杜绝和防止除尘系统中CO引发的爆炸。由于能源价格和环保要求两方面的原因,目前国内越来越多的铸造厂开始重视冲天炉的热风回收问题,热风换热器的市场需求有了明显的增长。 间壁式换热器一般具有结构简单、性能可靠、造价低廉的优越性,目前除了个别铸造厂使用陶瓷粒子接触式换热器外,国内热风冲天炉绝大多数使用间壁式换热器。本文在分析冲天炉热风换热器基本问题的基础上,介绍几种国内常见的冲天炉热风换热器的结构及工作特性。 1·热风换热器的基本问题 冲天炉热风换热器的工作原理与其它工业领域的换热器完全相同,但炉气的一些特性往往使热风换热器及其热风系统存在一定的特殊问题。 冲天炉热风换热器属于回收炉气余热、特别是CO潜热的专用设备,因此需要首先向炉气中补充一定量的助燃空气,使炉气燃烧以释放CO包含的潜热,包含着炉气燃烧环节属于热风换热器的显著特征。目前有的热风系统在换热器前设置专门的炉气燃烧器,有的首先在冲天炉烟囱中使炉气燃烧、然后通过换热器回收热风,更有简单的将燃烧器与换热器合为一体。在此需要特别说明,炉气中包含大量热能,回收炉气余热可以获得很高温度的热风,冲天炉热风系统不必考虑添加任何燃料。回收热风后的炉气温度一般在500℃左右,仍然有进一步回收利用价值。 目前除了个别工厂外,国内冲天炉一般采用先回收热风后除尘的工艺路线,炉气中包含的大量灰粉限制了换热器的工作温度。灰份的熔点在900～950℃左右,为了防止灰份熔化粘结,换热器内部温度一般低于900℃,炉气在此温度范围的辐射换热能力很低,炉气与换热器壁之间以对流为最主要方式进行热交换。空气侧的介质一般不具备接受辐射的换热能力,空气与器壁之间完全通过对流进行热交换。由于炉气灰份引起的换热器工作温度的限制,对目前一般的热风换热器而言,如果提高炉气和空气流速,有利于提高换热器的对流换热系数、降低单位换热量的钢材用量[1]。 炉气中包含的大量灰粉也给换热器的结构带来了问题,目前大部分热风换热器均需要考虑换热器内部可能滞留的粉尘排放问题,有的需要在换热器上开设清扫门,有的需要在换热器底部设置排灰口。有关理论计算表明,目前国内普遍采用的先回收热风后除尘的工艺路线不利于炉气热能的回收,如果先除尘后回收热风可以大幅度提高炉气热能的回收效率[2]。 冲天炉炉气中包含的CO2、SO2、NO2、HF、水蒸气等气体在高温下长期作用于换热器,容易造成器壁特别是焊缝的化学腐蚀。换热器材料在高温下形成的热应力积聚在焊缝上,对焊缝造成了热应力腐蚀。长期作用于炉气侧焊缝上的化学腐蚀与热应力腐蚀,是目前国内各种间壁式热风换热器损坏失效的主要原因。炉气侧焊缝寿命决定着间壁式热风换热器的服役寿命,如果炉气侧不存在焊缝,可以大幅度提高热风换热器的服役时间。 目前冲天炉热风换热器包括规范性换热器与非规范性换热器两大类,规范性换热器内的温度场、流场比较简单,可以通过热工学的理论和方法进行数值计算;非规范性换热器内的温度场、流场比较复杂,很难用热工学进行数值计算,只能通过经验数据进行类比设计。非规范性热风换热器由于缺乏数值计算,单位换热量钢材耗量大,换热效率低,技术经济指标低下,应该引起我们的重视。 2·常见的热风换热器 2.1热风炉胆换热器 热风炉胆是最为常见的冲天炉热风换热器,该换热器安装在冲天炉预热段,通过吸收预热段炉气热量将冲天炉鼓风加热,热风温度一般在150～250℃,结构简单,造价低廉,但该换热器的局限性也很明显。该换热器通过吸收预热段炉气热量获得热风,与炉料争夺热量,影响炉料预热效果,因此该换热器的工作原理稍嫌落后。由于工作原理和换热面积的局限性,该换热器产生的热风温度较低,对改善冲天炉的熔化、提高铁液温度作用不明显。同时该换热器可靠性差,焊缝易开裂,累计服役时间一般不超过3000h,需要频繁更换。近十几年来,围绕该换热器的寿命问题,许多人对热风炉胆进行了不断的改进,有的着眼于更换费用将热风炉胆分为上、下两段;有的着眼于炉胆内壁焊缝采用铸造内壁,延长热风炉胆的服役寿命。 由于该换热器的性能特征,热风炉胆一般适合于生产规模不大、设备可靠性要求不高的小型铸造厂使用,由于频繁更换的原因,该换热器特别不适合于大批大量流水线长期连续生产的现代化铸造厂使用。另外,使用该换热器需要冲天炉操作工有较高的技术水平和责任心,如果冲天炉底焦高度变化幅度较大则该换热器很容易损坏。 2.2多管竖式换热器 长春第一汽车制造厂、天津内燃机厂等从国外进口的冲天炉,使用多管竖式换热器(亦称艾夏式换热器)。这种换热器结构紧凑,径向存在较多的结构层次,结构较复杂,一般采用不锈钢制作,热风温度在400～450℃之间。该换热器存在三个结构层次,为了消除各层在不同温度下产生的热应力,该换热器需要使用比较昂贵的不锈钢金属膨胀器,同时每次启动时需通过燃烧煤气或者油料进行预热。该换热器的服役时间一般为8～10年(4.8～6万小时),损坏失效往往由焊接热影响区的交变热应力腐蚀造成[3]。 这种热风换热器通过回收炉气余热产生热风,冲天炉的炉气出口一般开设在加料口以下,换热器一般安置在冲天炉附近的地面上,换热器前需要设置炉气燃烧器。由于该换热器及其炉气燃烧器高度较大,炉气进口往往低于冲天炉炉气出口,无法利用炉气温度形成的自然对流力,因此必须配置引风机械。 这种冲天炉换热器一般包括炉气管道及阀门、炉气燃烧器、助燃风机、冷却风机、尾气管道、系统引风机和比较复杂的电气控制系统等几部分,由于结构复杂,热风系统的造价往往高于冲天炉。另外,该热风系统需要占用一定的车间地面面积。 2.3蛇形换热器 该热风换热器因内部的换热管首尾相接被称之为蛇形换热器,该换热器最先用于矿石冲天炉。蛇形热风换热器安装在冲天炉加料口之上,不占用车间地面面积。该换热器的损坏失效一般由蛇形管焊缝腐蚀、开裂造成。如果采用20g类普通材料,热风温度一般为400～450℃,不检修服役时间约为3年(1.8万小时)。如果采用不锈钢,热风温度可接近600℃,不检修服役时间约为8年(4.8万小时)。该换热器内部的蛇形管外容易积灰,影响热交换效果,需要定期清灰,因此该换热器上开设有清灰门[4,5]。 该换热器内部的炉气温度一般控制在800～900℃之间,如果炉气温度过高蛇形换热管(特别是焊缝)很容易氧化损蚀、使换热器漏风。因此该换热器一般装置着冷却风机与相应的电气控制系统,当炉气温度超过预定值时,冷却风机可以自动启动向换热器内部鼓入冷风降温。 由于蛇形换热器炉气侧介质流速一般很低,介质与换热器壁之间的对流换热系数很低,同时由于炉气侧、空气侧介质的温度场比较复杂,很难利用热工学的方法进行比较准确的计算,因此目前该换热器单位换热量的钢耗量较大、重量大,技术经济性能较差。由于该换热器很难使用热工学方法进行设计计算,因此该换热器属于非规范性多程管换热器。 2.4窑式换热器 窑式换热器也称热风窑,最先见于铁屑炉,目前许多小型铸造厂使用这种换热器作为冲天炉的热风换热器。窑式换热器内部的换热管首尾相接呈蛇形排列,窑室一般设置在冲天炉加料平台上,侧面设有检修门、底部设有排灰口。该换热器还有另外一种变形结构:将该换热器设置在车间的地面上,通过管道将炉气向下引入换热器[6]。该换热器与蛇形换热器相比,换热管均首尾相接,外部均砌有耐火材料层,该换热器中炉气水平流动,蛇形换热器中炉气铅垂上升。该换热器与蛇形换热器具有完全相同的技术本质,均属于非规范性的多程管换热器。 该换热器窑室内的换热管有的采用水平排列、有的铅垂排列,有的用铸铁管、有的用普通钢管、有的用不锈钢钢管,管与管之间的接口大部分在窑室内部、也有些在窑室以外,有的采用承插口、有的采用焊接结构、有的采用法兰联结,有各种各样的具体结构形式。该换热器如果采用不锈钢钢管、焊接接口热风温度可以接近600℃,铸铁或普通钢管如果热风温度超过400℃,接口很容易漏风、换热管也容易短期内烧蚀。该换热器炉气侧介质流速较低,因此对炉气有一定的除尘作用,但钢材耗量大、重量大、耐火材料用量大,同时需要直接或间接占用一定的车间地面,因此一些铸造厂在技术改造中将窑式换热器更换为其它结构的换热器。 2.5多程管换热器 多程管热风换热器属于工业领域传统的规范换热器,该换热器内部的搪衬层,可以起到保温与保护换热器壳体的作用。该换热器的最大优越性为炉气侧的换热管不存在焊缝,避免了焊缝泄漏引起的换热器漏风问题。除了换热器内部的换热管外,其余部分可以完全使用普通材料,用材合理、有效降低了换热器的材料成本。换热管如果采用20g类普通钢管,热风温度可以达到400～450℃,服役时间可以达到5年(3万小时)以上;采用不锈钢管,热风温度可以接近600℃,服役时间可以达到12年(7.2万小时)以上[7,8]。 该换热器可以安装在冲天炉加料口上方成为最简单的热风装置,也可以像多管竖式换热器(艾夏换热器)一样安装在地面上组成较为复杂的热风装置,可简可繁,具有很强的使用灵活性。相对于多管竖式换热器,该换热器结构简单、坚固可靠、容易制造、成本低廉,因此具有很强的技术竞争力。 2.6陶瓷粒子换热器 陶瓷粒子热风换热器目前国内只有山东和上海等地有个别应用,该热风换热器属于接触式换热器。换热器分为上下两室,炉气在上室燃烧并将陶瓷粒子加热到一定温度,被加热的陶瓷粒子在重力作用下落入下室加热冲天炉鼓风获得热风,加热空气后的陶瓷粒子在风力提升器(或者环链式斗式提升机)的作用下返回上室、形成循环。该换热器循环使用的接触换热介质一般为Al2O3烧结球,热风温度一般可以达到600～650℃,属于目前国内热风温度较高的冲天炉热风换热器。炉气灰份的熔点与换热器有关结构件的极限工作温度,限制了该换热器内部的工作温度与热风温度[9]。 虽然陶瓷粒子换热器的工作原理、结构不同于多管竖式换热器,但两者所组成热风系统的结构要素基本相同,包含炉气管道及阀门、助燃风机、尾气管道、系统引风机、电气控制系统等几部分,结构复杂、造价高、系统运转费用高。陶瓷粒子循环系统是该换热器的薄弱环节,需要耗费人力和材料进行经常性的维修。 通过以上分析可以看出现有的各种热风换热器中,多程管换热器内设置有搪衬层、炉气侧不存焊缝,不仅服役寿命长,而且结构简单、容易制造、适应性强,具有明显的技术优越性。 参考文献 1·赵卫军.热风水冷无炉衬冲天炉及其应用.中国铸造装备与技术,2002(6):42～45. 2·张明,张严波.冲天炉热风换热器的设计.中国铸造装备与技术,2001(1). 3·龚乃俊.热风除尘冲天炉在汽车生产中的应用.铸造技术,1994(增). 4·张明,王忠双等.6t/h高温热风水冷冲天炉的结构及其应用.铸造,2003(4). 5·张明,等.直燃热风冲天炉的研制及其应用.铸造技术,2000(1). 6·郑秉和,郑钢.铸铁屑的回收利用.中国铸造装备与技术,2005(6):32～37. 7·张东玉,张明,等.多程管式烟囱高温热风冲天炉.中国铸造装备与技术,2004(1). 8·张明,温平,等.多程管换热器热风水冷冲天炉.中国铸造装备与技术,2006(4). 9·赵宗杰,龚乃俊等.10～14t/h外热风水冷冲天炉的改造.中国铸造装备与技术,2004(2):58～60. |
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