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均热炉换热器的改造与应用
蔡佑刚
(攀长钢公司轧钢厂,四川江油621702)
摘 要：攀长钢轧钢厂针对大型材车间均热炉换热器结构不合理和热损失大。对均热炉换热器进行了改造。改善了炉内的燃烧状况,使得助燃空气的温度和压力得到了不同程度地提高,可节约燃料10%左右,收到了较好的节能效果。
关键词：换热器;预热空气;风温;风压;烟气余热;改造
中图分类号：TF806.1/.9 文献标识码：A 文章编号：1674-0971(2009)04-057-03
引言
在冶金企业的生产过程中,需要消耗大量的热能,而在所消耗的热能中,仅有一部分热能被有效地利用,另一部分热能则被排放到大气中,被白白的浪费掉,并对环境也产生一定的影响。有资料显示,通常对于初轧均热炉而言,烟气带走的热量可占总供热负荷的60%以上。因此,对余热资源的有效再利用,成为一项非常重要而且有意义的工作。
攀长钢轧钢厂大型材车间现有12座均热炉,其中8座均热炉以天然气为燃烧介质。在换热器未改造前,公司于2005年底曾委托北京钢铁研究总院对均热炉做过热平衡测试,其结果是:均热炉的燃料有效利用率为37%,烟气带走的物理热量高达总负荷的69.5%,热效率极低。虽然在烟道中安装了换热器,利用了一部分烟气余热,但由于其形式和结构不尽合理以及年久失修,热风温度在230℃以下,并且热风压力也不能完全满足烧嘴的要求。为此,我们决定对换热器进行改造,于2007年底利用均热炉大修之际在6#均热炉上设计、制造和安装一台换热器,从运行后的效果来看,起到了明显的作用,不仅提高了热风温度和压力而且减少了热损失和环境污染。
1·换热器的改造及对烟气余热的有效利用
在换热器改造之前,攀长钢轧钢厂采用的是我国60年代初的辐射式换热器,其结构形式虽然简单,但由于所使用的钢材材质较差,在1000℃左右的高温烟气下容易造成换热器因烧裂而漏风,导致风量和风压不足,烧嘴火焰大小及形状发生了变化,不能完全满足均热炉烧钢工艺的要求。同时由于空气在换热器内停留时间较短(空气从换热器的下风箱进,下风箱出,换热器内旋流筋片布置不合理,有的甚至没有筋片),其换热效率也很低。针对以上换热器存在的缺点,经过对比筛选了几个方案,我们决定采用复合辐射逆流式制作了一台换热器。改造后的换器有如下特点:
(1)在材质上我们在换热器高温段选用1Cr18Ni9Ti渗铝,低温段选用Q235渗铝。由于钢材渗铝后抗高温氧化性能和抗腐蚀性能都要比母材好。有资料显示,渗铝后钢材的抗氧化性能比母材可以提高200℃~300℃。因此能有效延长换热器的使用寿命。
(2)在换热器空气侧内筒外表面上设置密集筋片;同时在换热器钢管内设置了“S”形1Cr18Ni9Ti插入片,可使气流旋转流动增强,提高空气对流传热系数,强化空气侧对流换热,增加传热面积并有利于降低内筒壁温度,从而提高空气预热温度。
(3)换热器整体设计为复合式,在烟气高温段采用筒状结构且空气为顺流形式,而在烟气低温段采用筒状和管状相结合且空气为逆流形式。因此有利于延长换热器的使用寿命,同时又能提高空气的预热温度,空气预热温度可达450℃以上,最高时可达470℃。
(4)换热器及上、下风箱采用耐火纤维绝热保温,有利于减少热风的温降,同时降低了环境温度。在6#均热炉正常运行的情况下,我们跟踪采集了一些数据,对改造后的换热器运行情况做如下的计算验证。
(1)助燃空气在单位时间内吸收的热量Q1:
Q1=V1C1(t12-t11)kJ/h (1)
式中
V1—热风的流量m3/h(热风流量为8000 m3/h)
C1—热风的热容量kJ/m3℃(C1选取0.31 km3℃) t12—热风温度℃(改造后的热风温度450℃),
t11—冷风温度(冷风温度18℃)
把以上数据代入公式(1)得出:
当热风温度为230℃时:
(2)烟气余热在单位时间内放出的热量Q2
Q2=V2C2(t21-t22)kJ/h (2)
式中
V2—烟气的流量m3/h(烟气流量为8600 m3/h)
C2—烟气的热容量kJ/m3℃(C2选取0.34 kJm3℃)
T21—换热器前烟气温度℃(换热器前烟气温度1000℃)
T22—环境温度℃(环境温度18℃)
把以上数据代入公式(2)得出:
(3)换热器的热效率η
在换热器的运行过程中,烟气中烟气所放出的热量不可能通过换热器被助燃空气百分之百的吸收,因此,对换热器有一个热效率的问题。改造后换热器的热效率η:
Q1—助燃空气在单位时间内吸收的热量
Q2—烟气余热在单位时间内放出的热量
改造前换热器的热效率η*:
从以上的计算和换热器的实际运行来看,在换热器前烟气温度在1000℃左右时,热风温度可以达到450℃以上。改造后换热器的热效率比改造前提高了19%,同时风温和风压都能很好的满足均热炉烧嘴的要求。利用均热炉所排放的烟气预热助燃空气,不仅能节约燃料,而且由于助燃空气的温度增高,提高了换热器热效率和火焰燃烧温度,改善了均热炉内火焰的燃烧状况,取得了良好的改造效果。
2·结果与分析
对余热资源的再利用有多种多样的方式,无疑,利用换热器对助燃空气的预热是非常简单有效的一种,它所表现出的良好效果具体表现在以下几个方面。
2.1 节约燃料
通过换热器利用均热炉排放的烟气对助燃空气进行预热,其节约燃料的效果是显而易见的。在燃料种类不变,炉子的有效热和炉膛各项热损失不变的条件下,由于助燃空气预热温度的提高,燃料的相对节约量可表示为:
QD-燃料的低发热量
QD=35530( kJ/m3)
qy-单位流量空气的物理热(1m3天然气需要10 m3空气助燃)
qy=5597.86( kJ/m3)
qf-单位流量烟气的物理热(1m3天然气正常燃烧产生11.5 m3的烟气)
把以上数据代入公式(3)得出:
(1)换热器改造后节约量
(2)换热器改造前节约量
通过计算可以看出,当烟气温度为1000℃时,换热器改造后助燃空气可以预热到450℃,而由于助燃空气温度的提高,可以节约燃料10%左右。即改造后比改造前节约天然气提高了近10个百分点。
2.2 提高理论燃烧温度
利用均热炉所排放的烟气预热助燃空气,不仅能节约燃料,而且可以提高理论燃烧温度,由于助燃空气预热温度的提高,改善了烧嘴的着火条件,同时也提高了均热炉炉膛的温度,火焰变得明亮、有力。这一点从烧嘴的实际燃烧过程得到了很好的验证。
2.3 改善均热炉的燃烧过程
此次对均热炉换热器的改造,不仅提高了助燃空气的预热温度,由过去的风温230℃左右提高到450℃以上。而且也提高了助燃空气的压力,同时也满足了烧嘴对风压的要求。因为风温、风压的提高,使天然气和空气的混合条件得到了改善,加快了天然气和空气的燃烧反应速度,使得天然气在合理的空气系数下燃烧,同时也减少了均热炉内钢锭(钢坯)的氧化烧损和环境污染。
参考文献
[1] 杨世铭.传热学[M].北京:人民教育出版社,1981
[2] 提高钢材的市场竞争力[Z].2002年全国轧钢生产技术会议暨中国金属学会第七届轧钢年会论文集.北京:冶金工业出版社,2002
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