組合式換熱器在燃高爐煤氣加熱爐上應用分析

摘 要：在冶金、機械、化工等工廠中爐窯的出爐煙氣溫度高達1100-1300℃，對煙氣的余熱回收，在工業爐窯節能措施中效果比較顯著的一項技術。在高溫煙氣段安裝陶瓷換熱器，將煙氣溫度降到一定溫度，再安裝普通碳鋼金屬換熱器，將兩者串聯，既能充分高效回收余熱，又能降低建設費用。針對上述情況，就一種陶瓷—金屬組合式換熱器在燃高爐煤氣加熱爐上的可行性做出以下分析和設計。

關鍵詞：余熱回收;陶瓷換熱器;串聯;可行性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.039

工業爐高達1100～1300℃的出爐煙氣，在經過陶瓷換熱器之后，溫度降低到800℃以下，再通過普通碳鋼金屬換熱器，再次換熱達到余熱的充分利用。計算僅以一個燒嘴的煤氣量為標準，設其煤氣供應量為200m3/h。組合式換熱器簡圖（見圖1）。

現對組合式換熱器進行相關的設計計算如下：

1 燃料與燃燒計算

1.1 高爐煤氣的低發熱值計算

根據高爐煤氣的干成分：CO—25.6% ?CO2—14.6% ?O2—0.4% ?H2—1.3% ?N2—57.3% ?其他—0.8% （其他成分以CH4計算）的比例，計算高爐煤氣的濕成分，并計算出高爐煤氣的低發熱值Q低：查《燃料與燃燒》并計算得：Q低=3600 KJ/m3 。

1.2 實際空氣需求量

查《燃料與燃燒》并計算，1m3的高爐煤氣的理論空氣需求量L0=0.7 m3/m3。則實際空氣需求量Ln= L0 *1.1=0.77 m3/m3（空氣消耗系數取1.1）。

1.3 煙氣密度計算

查《燃料與燃燒》并計算，煙氣產物量Vn=1.6293m3/m3。同時計算出煙氣各產物的體積含量，查《燃料與燃燒》并計算煙氣的密度ρ=1.415 Kg/ m3 。

2 空氣預熱計算

假設將空氣預熱到t理=1800℃，由Q燃+Q空+Q低=t理*Vn*C產：

所以計算得：t空=1398.2/C空。

查《火焰爐設計計算參考資料》表1—5得：

當空氣的比熱C空=1.397KJ/（kg.K）時，t空=1014℃。

3 金屬換熱器、陶瓷換熱器出口煙氣溫度

（1）假設進金屬換熱器煙氣溫度t煙2=760℃時，查得比熱C煙2=1.547KJ/（kg.K）;進金屬換熱器空氣溫度t空1=20℃，查得比熱C空1=1.296KJ/（kg.K）;出金屬換熱器空氣溫度t空2=400℃，查得比熱C空2=1.338KJ/（kg.K）。考慮到金屬換熱器煙氣的泄露，則取煙氣利用率η=0.95，考慮到空氣的泄露V空=Ln*1.2。

所以由（Q煙入-Q煙出）*η=Q空計算得：出金屬換熱器煙氣的溫度t煙3=854.1/C煙出。

所以當煙氣比熱C煙3=1.505KJ/（kg.K）時，出金屬換熱器煙氣的溫度t煙3=567.5℃。

（2）假設進陶瓷換熱器煙氣溫度t煙1=1200℃時，查得比熱C煙1=1.588KJ/（kg.K）;進陶瓷換熱器空氣溫度t空2=400℃，查得比熱C空2=1.338KJ/（kg.K）;出陶瓷換熱器的空氣溫度t空3=1100℃，查得空氣比熱C空3=1.463KJ/（kg.K）。考慮到陶瓷換熱器煙氣泄露，則取煙氣利用率η=0.85，考慮到空氣的泄露V空=Ln*1.2。

同理：由（Q煙入-Q煙出）*η=Q空得：出陶瓷換熱器煙氣的溫度t煙2=1188.97/C煙2。

所以，當煙氣的比熱C煙2=1.547KJ/（kg.K）時，出陶瓷換熱器煙氣的溫度t煙2=769℃;基本滿足煙氣進金屬換熱器的假設條件。

4 換熱器設計計算

4.1 陶瓷換熱器設計計算

假設陶瓷換熱器芯體單片高D=20mm，長、寬均為310mm，單片孔N=6個，孔高d=17mm，孔寬=45mm，單片厚度δ=D-d=3mm。陶瓷芯體的導熱系數λ=1.396W/（m.k）;空氣側3行程9片，煙氣側1行程9片。單片結構示意圖（見圖2）。

查《換熱器原理與設計》并計算出單片芯體的有效換熱面積Ap=1.49m2。

陶瓷換熱器的換熱量，由Q空=q * Cp *（t3-t2）得，式中q=0.77*1.2 m3/ m3。空氣側平均溫差△t=（1100+400）/2=750℃，所以查《火焰爐設計計算參考資料》表1—5得：Cp=1.397 KJ/（kg.K）。

所以計算得Q空=0.77*1.2*1.397*（1100-400）=903.6KJ/m3。

根據《換熱器原理與設計》并查《工程常用物質的熱物理性質手冊》，經過計算并驗證最后得，需要陶瓷芯體的片數為17片，所以空氣側3行程8片，煙氣側1行程9片。同時經過計算得到陶瓷芯體的取整后長度L=340mm。

4.2 金屬換熱器設計計算

換熱器的結構：采用平滑直管，帶“一”字行紐帶插入件;

換熱管規格為：φ19*2.0mm;

換熱管布置：順排，換熱管中心距0.038m;

換熱器氣流方向及流速：逆叉流;煙氣走殼程，流速W煙=3m/s;空氣走管程，流速W空=8m/s。

金屬換熱器的換熱量，由Q空=q * Cp *（t3-t2）得，式中q=1.6293 m3/ m3。空氣側平均溫差△t=（20+400）/2=210℃，所以查《火焰爐設計計算參考資料》表1—5得：Cp=1.296 KJ/（kg.K）。endprint

所以計算得Q空=1.6293*1.296*（400-20）=455.05KJ/m3。

取單根換熱管長L=0.35m，計算得單根換熱管的換熱面積為0.016485m2。所以理論換熱管總根數n總=78.99。

根據《火焰爐設計計算參考資料》，經過計算并驗證后得到，單根換熱管長0.35m，換熱管5列，8行，2行程，換熱管總數為80根。

5 換熱器阻力計算

5.1 陶瓷換熱器煙氣側阻力h1

陶瓷換熱的阻力是由煙氣進陶瓷換熱器入口處阻力、煙氣由風箱進出芯體阻力及煙氣在芯體里的摩擦阻力四部分組成。計算得h1=177.62Pa。

5.2 金屬換熱器煙氣側阻力h2

金屬換熱的阻力是由煙氣進金屬換熱器阻力、煙氣在換熱管外阻力及煙氣出金屬換熱器出口處阻力三部分組成。計算得h2=80.66Pa。

5.3 陶瓷換熱器空氣側阻力h3

陶瓷換熱器空氣側阻力是由熱空氣進陶瓷換熱器的阻力、熱空氣有風箱進出陶瓷芯體的阻力、熱空氣在風箱90°拐彎處的阻力、熱空氣在陶瓷芯體內的阻力及熱空氣出陶瓷換熱器出口處的阻力五部分組成。計算得h3=346.53Pa。

5.4 金屬換熱器空氣側阻力h4

金屬換熱器空氣側阻力是由冷空氣進金屬換熱器入口處阻力、熱空氣由風箱進出換熱管局部阻力、熱空氣在風箱90°拐彎處阻力、熱空氣在換熱管內的阻力及熱空氣出金屬換熱器出口處的阻力五部分組成。計算得h3=343.66Pa。

所以，煙氣側的總阻力h煙=h1+h2=258.3 Pa;空氣側的總阻力h空 =h3+h4=690.4 Pa

綜合上述的設計計算，可知陶瓷—金屬組合式換熱器能夠將空氣從20℃加熱到1100℃，可以達到設計的要求。煙氣的溫度從1100℃降低到560℃左右;同時，煙氣從陶瓷側進入金屬側的溫度在760℃左右;空氣從金屬側進入陶瓷側的溫度在400℃左右，工作溫度均在800℃以下，綜合考慮適用性和經濟性選用如20號鋼等材料;陶瓷側的工作溫度較高，其芯體部分用陶瓷材料，其余部分必須使用耐熱鋼材料。

所以。在以高爐煤氣為燃料的工業爐窯生產過程中。在高溫煙氣段采用陶瓷—金屬組合式換熱器，既能充分高效回收余熱，又能降低建設費用。

參考文獻：

[1]韓昭滄.燃料與燃燒[M].冶金工業出版社，1984.

[2]余建祖.換熱器原理與設計[S].北京航空航天大學出版社，2006.

[3]安徽工業大學熱能系.火焰爐設計計算參考資料[S].安徽工業大學印制，2004.

[4]張家榮，趙延元.工程常用物質的熱物理性質手冊[K].新時代出版社，1987.

作者簡介：翟金長（1983-），男，本科，研究方向：熱能與動力工程。endprint