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4.2MW燃煤热风炉换热器壁温计算方法研究点击：1943 日期：[ 2014-04-26 22:14:00 ] |
| 4.2MW燃煤热风炉换热器壁温计算方法研究 1.赵斌 2.刘景新 （1.河北理工大学，河北 唐山 063009；2.唐山市特种设备检验研究所，河北唐山 063000） 摘要：推导了烟气在管内流动、均匀受热管壁的壁温计算公式，分析得出，影响壁温的主要因素是烟气温度和表面传热系数。降低管壁温度的有效方法是降低烟气温度，即在受热面前的高温烟气中混入冷烟气或冷空气，对降低壁温的两种方法进行了比较。研究了热风炉计算中过量空气系数、再循环系数的确定方法及热风炉对风温变化的适应性。 关键词：热风炉；换热器；壁温；过量空气系数；烟气再循环系数 中图分类号：TF066.21 文献标识码：A 文章编号：1002-1639(2007)02-0025-03 换热器是热风炉的关键部件。在热风炉的换热器中，受热面壁温接近烟气和空气的平均温度，烟气温度较高的地方，壁温也较高，可能超过受热面金属的极限耐热温度，造成金属表面氧化并逐层脱落。严重时，可将受热面过热失效。因此，热风炉的壁温控制即工作可靠性是专业人员普遍关心的问题。 1 壁温计算及控制壁温的措施 1.1 壁温计算公式的推导 对烟气在管内流动的均匀受热的管壁内外壁温度tn 、tw分别为： 1.2 控制壁温的措施 由前述各式可知，影响壁温的主要因素为： （1）气流温度（包括空气温度和烟气温度）。气流温度越高，壁温越高。 （2）表面传热系数。烟气侧表面传热系数提高，壁温增加；而空气侧表面传热系数提高，壁温由于接近空气温度而降低。 （3）受热面结构参数和积灰层厚度。积灰层相当于受热面上的一层保护膜，虽然积灰层可以降低壁温，但积灰层热阻大，影响传热，因此应尽量避免积灰。热风炉运行初期，受热面上无积灰，此时壁温最高。 对某一用途的热风炉，空气温度基本一定。积灰层厚度对壁温的影响虽然较大，但由于最大壁温发生在不积灰时，所以积灰层厚度对壁温的影响可不考虑，影响壁温的主要因素是烟气温度和表面传热系数。 提高空气侧表面传热系数或降低烟气温度和烟气侧表面传热系数，都可降低壁温。但烟气侧表面传热系数降低（烟气流速降低）会造成总传热系数降低，积灰增加，传递一定热量所需的受热面积增加，且可能堵灰，所以烟速不能过低。而提高空气侧表面传热系数，虽使传热系数增加，但空气流动阻力随之增加，热风炉运行费用增加，所以采用过高的空气流速也不合适。因此降低管壁温度的有效方法是降低烟气温度，即在受热面前的高温烟气中混入冷烟气或冷空气。 2 降低受热面入口烟气温度的两种计算方法 为了提高热风炉的使用寿命，最常用的方法是降低受热面入口烟气温度，为了达到降低受热面入口烟气温度的目的，通常在受热面前的高温烟气中混入冷烟气或冷空气。混入冷空气时，计算中只要人为的增加热风炉炉膛出口的过量空气系数即可达到这一目的，此时热风炉的传热计算按照锅炉的计算方法。而混入冷烟气时，需要将热风炉的排烟通过循环风机送入炉膛，即烟气再循环2。此时，热风炉的计算会遇到一些特殊问题。 2.1 过量空气系数的确定 无烟气再循环时，过量空气系数的选取应考虑送入热风炉的空气能将受热面前的烟气温度降到允许的范围内，这一允许的温度与受热面的材料有关。此种情况下，过量空气系数按以下方法确定： 热风炉的有效利用热量为 有烟气再循环时，热风炉出口过量空气系数为固定的数值，受热面入口烟温通过烟气再循环系数控制。 2.2 再循环系数的确定 再循环系数为循环烟气量与没有烟气循环时燃烧产生烟气量的比值。烟气再循环是控制受热面壁温的有效方法之一。设计热风炉时，按以下方法确定： 首先，计算没有烟气再循环时受热面入口烟气焓。对于炉膛内没有布置受热面的热风炉，受热面入口烟气焓等于热风炉有效利用热量。然后，根据排烟温度和排烟处过量空气系数确定排烟焓。则烟气循环后的混合烟气焓为 根据受热面材料的允许温度确定受热面入口烟温，按此烟温和烟气循环后的混合烟气焓，根据焓温表即可确定热风炉出口过量空气系数。 2.3 降低壁温的两种方法比较 混入冷烟气时，排烟处的过量空气系数为 （1）无烟气再循环时热风炉的计算结果 无烟气再循环时热风炉的计算结果见图 1 ～图 2。 ①由图 1 知，排烟过量空气系数增加，热风炉效率降低。这是因为排烟损失增加。排烟损失主要与排烟过量空气系数和排烟温度有关，排烟过量空气系数增加时，排烟温度也增加，这两方面因素都使排烟损失增加。 ②由图2知，受热面入口烟温随排烟过量空气系数增加而降低，这是因为排烟过量空气系数增加时，大量冷空气进入热风炉受热面入口，使受热面入口烟温降低。当受热面前入口烟温为 750 ℃时，确定的炉膛出口过量空气系数为 3.2。 （2）有烟气再循环时热风炉的计算结果 有烟气再循环时热风炉的计算结果见图 3 ～图 4。 ①由图3知，再循环系数增加，热风炉效率降低。这是因为排烟温度增加排烟损失增加。 ②由图4知，受热面入口烟温随再循环系数增加而降低，这是因为再循环系数增加时，大量冷烟气进入热风炉受热面入口，与高温烟气混合，使受热面入口烟温降低。按前述计算方法，当受热面前入口烟温为 750 ℃时，确定的再循环系数为 1.22。 3 热风炉对风温变化的适应性研究 本4.2MW热风炉，设计冷风温度为 32 ℃，热风温度为 80 ℃，此为矿井通风时的风温，如果用于粮食烘干，需要更高的热风温度。本节研究热风温度升高 80 ～150 ℃时，热风炉热力参数的变化。计算中，有烟气再循环时再循环系数取 1.22。计算结果见图 5 ～图 6。 （1）由图 5 知，热风温度增加，热风炉效率降低。 （2）由图 6 知，受热面入口烟温随热风温度增加而增加，这是因为热风温度增加时，排烟温度增加，排烟焓增加，循环烟气与炉膛出口烟气混合后的焓值增加，使受热面入口烟温升高。当热空气温度为 150 ℃时，受热面入口烟温约为 815 ℃，稍高出碳钢受热面允许的烟气温度，可见，热风温度提高时，为保证热风炉运行可靠，再循环系数应适当加大，但热风炉运行的经济性降低。 4 结 论 （1）从烟气在管内流动均匀受热管壁的壁温计算公式分析得出，影响壁温的主要因素是烟气温度和空气侧表面传热系数。在受热面前的高温烟气中混入冷烟气或冷空气，都能有效地降低管壁温度，但混入冷烟气时，热风炉的运行经济性较高。 （2）研究了热风炉计算中过量空气系数、再循环系数的确定方法。按照 4.2 MW 热风炉的结构参数和设计燃料，进行了无烟气再循环、有烟气再循环时的热力计算，计算表明为保证碳钢受热面的可靠工作，无烟气再循环时，热风炉出口过量空气系数为 3.2，有烟气再循环时，再循环系数为 1.22，并分析了参数的变化规律。 （3）研究了热风炉对风温变化的适应性，结果表明，当热风温度在 80 ～ 150 ℃范围内变化时，可通过调整再循环系数来控制受热面入口烟气温度，热风炉热风温度变化与热风炉效率成反比关系。 参考文献： [1] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]．北京：高等教育出版社，1998． [2] 胡秀和. 高效节能热风炉设计与计算 [J]．工业炉，2004，26（3）：41-44. |
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