换热器应用设计中的技术进步

摘要本文对金属对流换热器材质的进步, 换热器系统控制方式中的新技术, 以及设计中确定空气预热温度时应考虑的问题等进行了论述。

关键词金属换热器超温保护低温保护预热温度

随着换热器应用的日益普及, 人们对换热器及其系统的认识也越来越深刻, 技术水平日益提高。现就设计中涉及的一些新技术进行论述。

1金属对流换热器材质的进步

70 年代末随着能源矛盾的日益突出, 国内冶金工业炉开始大量采用换热器, 其中绝大多数是金属对流换热器。当时最受青睐的是翅片管换热器, 它的换热元件是带有内外翅片的铸钢管。由于单位体积内的换热面积大, 所以换热器整体效率高, 占地小,适合旧有炉子改造位置紧张的条件。但由于铸造产品质量控制难度大, 裂、漏现象严重, 而且膨胀问题也成为薄弱环节, 更有令人头痛的积灰问题, 限制了翅片管换热器的应用水平。自80 年代后期以来, 各种轧制管材的换热器逐渐取代了翅片管换热器。虽然其单位体积内的换热量没有翅片换热器大, 但它的质量稳定, 寿命长, 阻力损失也不太大, 得到广大用户的喜爱。目前应用最多的是管式换热器, 其换热管是无缝钢管, 有时管内加插件以强化传热, 材质是碳钢或碳钢渗铝或耐热钢。近年来, 材质水平又有了新的提高。

(1) 高温管的材质: 目前高温段耐热钢管的材质大都采用1Cr18N i9T i。众所周知, 高温下N i 与S 反应发生晶间腐蚀加速材料的损坏, 而冶金工业炉的烟气中大都含有较高的S, 因此这种选择是不合理的, 应该选择不含N i 的耐热钢如0Cr17 等。但1Cr18N i9T i 属奥氏体不锈钢容易焊接, 而0Cr17 等属铁素体钢极难焊接, 加之国内市场上采购0Cr17管不太容易, 因此尽管技术上合理却很难得到应用。近年来国内换热器市场竞争激烈, 促进了换热器制造水平的提高, 铁素体钢的焊接技术逐渐被人掌握,铁素体钢换热器自1996 年开始在国内大型轧钢加热炉上被应用, 效果很好, 寿命可提高约1 倍, 价格与1Cr18N i9T i 相当或略低。很有发展前途。

(2) 耐低温腐蚀钢管: 低温腐蚀是造成换热器损坏的主要原因之一。所谓低温腐蚀就是烟气中的S与H2O 反应生成稀硫酸, 以汽态、液态及酸性垢的形式腐蚀换热器管壁, 造成钢管的损坏。我们经常看到换热器低温侧结满了厚厚的黄、绿、褐色垢, 进而损坏, 就是低温露点腐蚀造成的。温度越底越严重,烟气中含S 越多越严重。防止低温露点腐蚀的措施主要有两种, 其一是采用耐低温露点腐蚀的材质; 其二是采用自动控制回路, 或者两种同时采用。控制回路方式将在后面论述, 这里主要说一说耐低温露点腐蚀的材质。近年来, 石化行业开发了一种能抵抗低温露点腐蚀的低合金钢, 名为ND 钢。它经硫酸腐蚀后表面很快形成一层光亮的保护膜, 从而可防止进一步的腐蚀。实践证明, 在含S 烟气中使用ND 钢可比渗铝碳钢提高设备寿命3～ 10 倍, 而价格仅略大于渗铝碳钢远低于耐热钢。目前ND 钢管已被成功地应用于加热炉换热器的低温侧, 可有效提高换热器寿命。加热炉的煤气换热器都设在空气换热器的后面, 温度更低, 在煤气换热器上使用ND 钢管更有提高安全性的作用, 意义重大。

2换热器系统控制方式中的新技

术

(1) 换热器热保护系统: 常规的热保护系统由进口烟温保护、热风温度保护组成。进口烟温保护是用兑冷风风机向换热器前烟气掺冷风, 根据检测的烟气温度调节掺冷风量, 使入换热器烟温不大于设定值, 从而防止换热器管壁温度过高。热风温度保护是当炉子骤然减负荷空气量减少而烟道壁由于热惯性大不能同步降温引起空气温度升高时, 通过热风放散提高空气流量来降低空气温度, 从而降低换热器管壁温度。上述控制的目标都是管壁温度, 而检测项

目都是气体温度。近年来法国SH 公司在上述基础上又增加了直接检测管壁温度的项目, 采用特制的电偶固定在多处管壁上, 在线显示管壁真实温度, 提高了换热器热保护的水平。常规热保护系统的流程,如图1 所示。

(2) 换热器低温保护系统: 如前所述, 避免烟温过低是防止低温露点腐蚀的有效措施。在空气流程上设旁路, 根据换热器出口烟气温度调节旁通管上的阀门。当烟温过低时使一部分冷空气不经换热器直接从旁通管流过以减小换热器空气流量从而减少换热量, 增加排烟温度。如果空气换热器后面还有煤气换热器则以煤气换热器后烟气温度为控制依据。该技术在国外各大炉子公司的设计中较为常见, 在国内尚未见应用。换热器低温保护系统的流程, 如图2 所示。

3空气预热温度的确定

空气预热温度并不是越高越好, 设计时确定预热温度值主要应考虑如下因素:

(1) 外在条件限制: 如场地条件限制换热面积 从而限制预热温度, 排烟温度、烟气量限制预热温度,空气或烟气阻力损失限制预热温度等, 在这种情况下只能有多高是多高, 无法强求。

(2) 热风系统耐温条件: 国外加热炉换热器的空气预热温度经常考虑在500～ 600 ℃, 此时热风管道材质都采用耐热钢, 管道上的阀门等附件的耐温水平也相应提高。而我国的条件与国外不尽相同, 主要是耐热钢价格与碳钢价格相差太大, 提高100～ 200℃风温所回收的热量与提高热风管路系统耐温水平所增加的费用相比太不合适, 因此不宜采用太高的风温, 以烧嘴前不大于450 ℃为宜。

(3) 换热器材质和寿命问题: 据计算, 热风温度由450 ℃提高到550 ℃, 换热器管壁温度将由～ 630℃提高到～ 750 ℃, 要求换热器传热管材质进一步提高, 而国内目前常用的1Cr18N i9T i 和0Cr17 之类的耐热钢都不能满足要求, 如果用之, 则寿命将大幅降低, 从投入产出的角度看如此提高风温是很不适合的。

(4) 配合煤气换热器的问题: 对于热值2000×4. 18 kJöm 3 左右或更低的煤气来说, 煤气体积占相当大的比例。花很大代价单独提高空气温度远不如增加煤气换热器合适。只要平面布置允许, 在空气换热器后面增设煤气换热器, 即可以最大限度利用烟气余热, 又可避免提高材质、降低寿命的问题, 从投入产出的角度考虑是最合适的。

综合上面各因素, 空气最高预热温度以烧嘴前450 ℃为宜。