臺車熱處理爐空氣換熱器預熱溫度保護設計

金立國1，曾娜1，石秀榮2，趙延峰

（1.遼寧向導科技發展有限公司，遼寧鞍山114014；2.葫蘆島市特種設備監督檢驗所，遼寧葫蘆島125000）

摘要：為滿足臺車熱處理爐升溫和保溫工況，合理的計算空氣換熱器并且配合相應的保護措施是非常必要的。主要介紹了在熱工計算中空氣換熱器空氣預熱溫度的保護設計。
    關鍵詞：換熱器；熱處理爐；臺車式爐
    中圖分類號：TG307文獻標識碼：A文章編號：1001-6988（2011）06-0033-03
    臺車爐由于熱工工況按爐窯的加熱周期進行變換，其換熱器的計算如果單純按照額定的空、煤煙氣量計算是不合理的，因為在不同的工況其換熱器的換熱效率和所需要的換熱面積是變化的。為了滿足實際熱工的需要，往往會為換熱器添加輔助設施來彌補上述問題，包括常用的兌冷風和熱風放散設施。筆者根據多年實際經驗和現場實際條件對臺車爐換熱器進行分析，從而找到最合理的換熱器配置方案。
    1·概述
    某特鋼廠新建一座臺車式熱處理爐，有效尺寸為8 m×3 m×3 m（長×寬×高），最高爐溫1 150℃，采用清洗發生爐煤氣作為燃料，煤氣熱值為5 643 kJ/m3。經過計算需要3 013 m3/h煤氣。空氣預熱溫度為300℃。采用輻射式換熱器布置到煙道中。換熱器放置在地上煙道，內徑為900 mm。由于是熱處理爐，其熱工過程比較復雜，典型加熱曲線有780℃保溫、1 050℃保溫和1 150℃保溫等，最大升溫速度為100℃/h。
    根據上述條件把換熱器的初始條件定義為：
    燃料類型：清洗發生爐煤氣
    燃料熱值/kJ·m-3：5 643
    煤氣量/m·3h-1：3 013
    空氣量/m·3h-1：4 007
    煙氣量/m·3h-1：6 417
    煙氣入口溫度/℃：1 050
    2·換熱器計算
    2.1根據最大供熱量計算換熱器
    煙氣出口溫度/℃：879
    空氣預熱溫度/℃：300
    換熱器最大傳熱強度/W·m-2：33 318
    換熱面積為/m2：12.33
    換熱器長度/m：4.36
    圖1及圖2分別為換熱器模型及其斷面結構示意圖。

             
    這是換熱器一個工況，如果臺車爐處于保溫狀態，把供熱量降低為最大值的30%，則數值為：
    煙氣出口溫度/℃：879
    空氣預熱溫度/℃：300
    換熱器最大傳熱強度/W·m-2：29 974
    換熱面積為/m2：4.11
    換熱器長度/m：1.45
    根據上面的數值發現當供熱量下降而爐溫較高時，換熱器的傳熱強度略有降低，其主要是因為空氣流速和煙氣流速的降低影響了傳熱強度，但是由于溫度較高，輻射傳熱所占比重較大，所以傳熱強度略有降低。在這種情況下所需的換熱面積很小，約為原來的1/3。反過來也是，換熱面積不變的情況下，空氣預熱溫度將會大幅度提高，會使換熱器及其后面的熱空氣管路燒壞。為了避免上述問題的發生，可以采用兌冷風、熱風放散及兌熱風的方式解決這一問題，保證節能率同時也保證設備使用壽命。
    2.2添加保護后的換熱器計算
    三種換熱器保護的方式，見圖3。 

             
    （1）兌冷風式
    保護換熱器前提是保證換熱器在最大供熱量的狀態下達到預熱溫度，即保證換熱器的最大能力進行設計，按30%供熱量在煙氣內兌相應的常溫空氣，降低煙氣溫度來降低空氣預熱溫度。也就是說在保證最大換熱面積的情況下，在最小供熱量時保證空氣預熱溫度穩定。
    首先計算一下兌冷風后煙氣的流量和溫度到達一個什么狀態，在保溫狀態下預熱空氣溫度不會超過預計的溫度。
    兌冷風后煙氣溫度及煙氣量公式為：   

           
    經反復核算，計算出兌冷風量約為1 000 m3/h時，常溫空氣才能保證在按最大燃料工況下計算換熱面積；在保溫工況下，保證空氣預熱溫度不會超溫。值得注意的是，這種方式降低了煙氣溫度并且提高了煙氣量，對于自然排煙的爐子有不利的影響。
    （2）熱風放散式
    這種方式比較簡單，就是在換熱器預熱溫度超過設定值時，提高空氣流量，并將熱空氣進行放散，也就是煙氣量不變，增加空氣量，來保證空氣預熱溫度。經過計算，當煙氣量降低為原來的30%時，即煙氣量為1 925 m3/h時，需要將空氣流量提高為2 925m3/h，才能保證換熱器預熱溫度平衡，相對于30%的空氣量提高了43%。可以根據這個極限的數值來選擇熱風放散的管道參數。在實際的設計中有著重要的參考意義。
    （3）兌熱風式
    這種措施應用于不適合將熱空氣排放到廠房內的條件。
    將熱風放散管道接到換熱器入口前，用放散出來的熱風降低排煙溫度，用這種雙重的效果來保護換熱器。同樣在保溫狀態下，按30%的煙氣量和空氣量計算換熱器，換熱面積取最大供熱量4.36 m2，經過簡單計算可知，換熱器熱風放散量達到460 m3/h時就已經達到了預計效果。也就是效果最明顯，因為調節幅度很小，就可以得到理想的控制效果。
    3·結論
    （1）換熱器的計算可以按照最大供熱量進行，也可以根據實際工況條件計算，綜合考慮爐子的經濟能耗、成本和使用壽命；
    （2）臺車爐的換熱器要有保護系統，根據不同工況，調節保護系統來保證換熱器及爐子的使用壽命；
    （3）采用兌冷風保護換熱器時，會影響爐子的正常排煙，需要同時考慮排煙能力是否滿足要求；   
    （4）采用熱風放散保護換熱器時，要考慮熱風的排放及放散的熱風量，合理地選擇調節閥，才能更好地為自動控制系統服務；
    （5）采用兌熱風方式，相對以上兩種措施對系統影響最小。管路通徑可選擇更細，因而成本也最低。