板式预热器在热风炉双预热系统中的应用综述2020(1)

雷林公司板式预热器
在热风炉双预热系统中的应用综述
上海雷林工业设备有限公司
2020年4月
目录
一、热管式预热器存在问题的分析 (3)
二、板式预热器工艺原理及特点 (3)
三、几种预热器空煤气预热温度的比较 (5)
四、板式预热器与热管预热器热效率问题的说明 (7)
五、某3200m3级高炉板式预热器对比热管预热器产生的年效益增量测算 (8)
六、结论 (9)
一、热管式预热器存在问题的分析
热管式预热器是我国上世纪八十年代从日本引进的技术，当时由于热管便于制造、符合中国的制造水平，而当时日本就已逐步淘汰热管式换热器，我国刚开始在化工行业运用，钢铁行业是在上世纪九十年代末开始应用，存在热媒损失、放气等因素，热管会因真空度下降而失效。

若使用温度过高(380℃时)，就必须采用价格较昂贵的工质和高温材料热管，导致设备造价过高，容易出现爆管，温度过低（140℃）又产生结露腐蚀。

严重制约了设备的使用寿命。

由于热管失效很难判定，一般情况下需要对所有的热管进行重新抽真空或更换，维修成本高，检修周期长，间接地造成更大的经济损失。

加有翅片的热管换热器还有其他的一些弱点，比如，热管的排数不能过大，翅片积灰且不易清除，不但降低了换热效果，严重时会发生堵塞，影响正常生产。

热管式预热器的寿命一般为3～5年。

热管换热器刚投产时，空气、煤气能预热到160～170℃，然后逐年失效。

由于效率较低，大量的烟气能源被白白放掉。

二、板式预热器工艺原理及特点
◼工艺原理
上海雷林公司在消化吸收国内、外热风炉系统双预热技术的基础上，引进美国技术、模具、计算软件、焊接设备制造出高性能的板式换热器，该工艺从根本上做到了能源的全回收、较小的占地面积、可靠的设备保证、先进的系统控制、安全的操作工艺、最经济的投资。

该系统利用波纹板式换热器。

◼技术特点
板式预热器是目前较为先进的高效节能型预热器，具有传热效率高、结构紧凑，耐腐蚀、寿命长，不易积灰、易清洗等优点。

既避免了热管换热器的高温爆管和低温腐蚀及容易堵塞、失效，又避免了管式换热器的体积庞大和寿命短，在石化、电力行业得到越来越广泛的应用，在钢铁行业也逐步推广采用。

我国化工行业在上世纪九十年代就已开始淘汰热管式换热器，改用板式预热器，主要以进口为主，日本和欧美的许多化工和钢铁企业很多就采用板式预热器。

由于板式预热器的制造涉及计算软件、大型的液压机及可靠的自动焊接生产线，所以制约了我国板式预热器的发展和推广。

板式预热器采用传热板片替代传统管子和热管传热元件。

烟气、空气(煤气)通过板片换热，冷热流体完全隔离，由于传热板片沿流体流动方向的流道断面形状不断变化，大大加强了流体的扰动，从而增加了流体的传热性能。

且板片表面光滑，具有更小的污垢热阻。

设备采用全焊式结构，密封性能好，很好的避免了介质的泄漏，板片焊接采用自动轮焊技术，并及时对焊接中跟踪定位、压紧以及检验，保证了板管的焊接质量。

板式预热器在流速为3米/秒的时候就能达到湍流状态，设计采用10～14米/秒，在这个流速下对于避免灰尘的沉积、强化传热、避免磨损、降低阻力都是最佳的选择。

（1）传热性能高
与管式传热元件相比，板式传热元件总传热系数提高1～3倍，同热管式相比总传热系数提高30%～100%。

根据加热与被加热前后温度、体积变化的特点，采用可变流道设计确保总传热系数的最佳化和阻力降的最低化。

（2）耐高、低温性能好
板式预热器传热元件采用抗露点腐蚀、耐高温的不锈钢，具有良好的抗低温腐蚀性能和耐高温性能，可在≤1000℃工况下安全运行。

（3）可靠性高、维修性能好
板式预热器抗露点腐蚀，耐高温，换热器流道清晰，充分考虑煤气的特点，无煤气死区。

进气管口加保护套和保护层，以及采用合理的流速，避免了对板片的磨损，可靠性大为提高。

（4）抗积灰
特殊的波纹设计且传热表面光滑，板式预热装置不积灰。

（5）结构紧凑
板式结构具有很高的紧凑度，管式(热管式)传热元件的紧凑度约为60m2/m3，而板式传热元件为160 m2/m3，提高近3倍。

◼结构特点
（1）换热元件采用LLMH板型，分组安装，煤气用材质采用不锈钢32205、304、443等材质实现不同温度段的组合。

（2）煤气、空气与烟气在板束内交错流换热，烟气单程水平流动，煤气、空气双程上进、上出。

结构简单，流道清晰，充分考虑煤气的特点，无煤气死区。

采用模块化组装，便于设备的制造、运输、安装、维修。

（3）根据煤气的特点在煤气、空气预热器设备上部及下部设有检修人孔，在顶部煤气进出口设置放散；烟气侧进、出口各设置一个人孔。

（4）考虑烟气、煤气的含尘问题，设计采用了合理的流速避免磨损和沉积。

煤气至上而下流动，加强煤气侧煤气灰的自吹扫作用，使烟气、煤气侧不易在板管内沉积，且不易结垢。

烟气和煤气流通截面大，阻力降小。

（5）为解决两侧介质热膨胀而引起的温差应力，以及板束与箱体的热膨胀不均引起的温差应力，在壳体内部设置膨胀节，保证设备长周期安全运行，避免了热应力对设备的破坏。

（6）换热核心部件采用不锈钢，经压力机压制并作渗透探伤、板管自动生产线焊接、焊缝的探伤及逐个试压、自动焊机的端部组装焊接、板束的探伤及试压、设备的总成及试压等工序。

设备箱体采用碳钢，外加结构件。

（7）箱体采用硅酸盐保温材料隔热。

板式预热器综合经济性能明显好于其他类型的预热器。

是目前双预热系统的最佳选择。

三、几种预热器空煤气预热温度的比较
目前常用的空煤气预热器的形式基本有三种：管式预热器、热管式预热器、板式预热器。

从传热角度讲，即不考虑成本、腐蚀、传热效率、以及换热器本身存在的缺陷等问题，只要有足够量的300℃烟气，这三种预热器都可以把空煤气预热到200℃，甚至更高，比如250℃以上。

但实际应用中，往往更多的是考虑成本经济、安全可靠、寿命长久、使用方便等问题，所以“能把空煤气预热到多少度？”就成了一个综合成本、寿命、传热、阻力、安全、方便等因素的综合体，需要理论与实践结合才能道明的问题。

首先，对于热风炉需要的空煤气以及热风炉产生的烟气，三者之间的量比几乎是成比例确定的，这样“足够量的300℃烟气”的假设是不成立的，也就是说，对于这种比例，要把空煤气预热到200℃以上，根据热量平衡原理，预热器出口烟气温度基本上要在140℃以下，而且热风炉的烟气温度是波动的，当烟气温度低于300℃时，预热器出口烟气温度会更低，有时甚至在100℃以下，这个就带来了一个低温露点腐蚀的问题，显然以碳钢为管材的管式与热管式预热器是无法胜任的，碳钢腐蚀将严重缩短寿命，并影响到换热器的安全与可靠。

因此，对于管式与热管式一般都只把空煤气设计预热到170~180℃左右，排烟温度平均控制在155~165℃以上，以便减缓低温腐蚀，增加设备可靠性。

而板式预热器是以不锈钢为材质，在低温腐蚀方面具有碳钢所不具有的优点，因此，可以提高预热温度，即“把空煤气预热到200度以上”，排烟温度控制在135~140度左右。

降低排烟温度提高系统热效率所带来的经济效益是非常巨大的。

那管式或热管式也用不锈钢材质不是也能解决这个问题吗？这个就涉及到这几种换热元件传热效率与换热器成本的问题了。

由于波纹板式传热效率很高，所以相同换热量，换热面积较小，虽然材质为不锈钢，当面积小成本相对低，而管式或热管式相对于展开面积换热效率低，需要更大的换热面积，因此，如果要用不锈钢，成本将比板式增加非常多，因此，不锈钢板式预热器是传热效率与成本比较完美的结合，客户可以花相对不高的成本换热更高的热效率与设备寿命。

那板式预热器可不可以把空煤气预热更高的温度呢？比如220℃以上呢？答案是有条件的可以：一是烟气进口温度提高了，高于300℃，比如320℃，空煤气预热温度相应就能提高；二是换热器设计更大的换热面积，由于预热器出口烟气温度将降了更低，因此，低温段得用一部分抗腐蚀性能更好的不锈钢，这样需要增加一部分成本，看用户的选择了。

对于热管式预热器，由于需要媒介，现在比较成熟的一般用碳钢——水热管，还存在一个碳钢与水相容性的问题。

以碳钢为壳体，水为工作液体的碳钢—水热管换热器，碳钢和液态水在一定温度下会发生化学反应放出氢气（如下图所示），氢气在热管的冷凝段形成不凝性气区，从而减少冷凝面积，热管的传热能力下降，严重时，冷凝段全部被不凝性气体占据，热管失效。

煤气或空气换热器正好是冷凝段，碳钢与液态水会反应，并且随着温度的升高而剧烈，特别是温度高于180度以上，反应急剧上升，当热管失效很难判定，维护工作量极大，费用很高。

因此，一般碳钢水热管空煤气预热温度也尽可能控制在180度以下，延长寿命。

对于管式预热器，如果把空煤气预热温度提高到200℃以上，由于热效率低，换热面积需要很大，管式预热器的体积就会很庞大，设备承重、支撑、以及设备占地等都将是一个需要考虑的问题，往往也会限制它的应用。

管式预热器由于管子错排，结垢后无法清洗等问题也都是制约它生存的重要问题。

以
四、板式预热器与热管预热器热效率问题的说明
◼设计热效率比较
预热器热效率是指预热器实际利用热量与理论可利用热量的比值，一般烟气的露点温度为106.5℃左右，为了防止预热器低温露点腐蚀，理论上允许的出口烟气温度至少高于露点温度20℃，即烟气出口温度最低为126.5℃，对于热管预热器由于材质为碳钢，考虑到碳钢耐腐蚀性能很差以及防止结露需要进行壁温控制，热管预热器烟气出口温度要控制在150~160℃左右，以热风炉烟气温度为300℃作为计算进口温度，则热管预热器的热效率一般在80~85%之间。

而板式预热器材质为不锈钢，耐腐蚀性能好，烟气出口温度可降低到135~140℃左右，则板式预热器的热效率一般在92~95%之间，比热管提高10%左右。

◼运行热效率比较
预热器在运行过程中由于积灰、腐蚀、失效、以及运行工况的波动都会影响预热器的实际热效率。

对于热管预热器而言，运行初期（1年左右）基本还能保证设计热效率值，但由于热管本身的特点决定了它容易失效与积灰，导致换热能力的下降，从而降低实际运行热效率，热管热效率一般平均以每年15%~20%的速度衰减，热管寿命一般都不会超过5年，比如水钢现在运行的3#高炉的热风炉双预热热管预热器就存在这个问题，2004年投产，1年后开始失效，至今已大修一次，但还是很快失效，现在煤气预热温度仅为62℃，空气为89℃，这个说明整个热管预热器己接近完全失效状态，给水钢带来极大的经济损失，国内其它钢铁公司的热管预热器均存在相同的问题，给企业与国家的经济与环境效益带来巨大的损失。

板式预热器由于自身间壁式的结构特点不存在失效问题，采有不锈钢材质具有良好的耐腐蚀性能，板型与流道采用可产生高度湍流的可变流道设计，其运行热效率不会降低，预热器始终运行在高效率状态，寿命是热管式预热器的两倍以上，给用户带来相当可观的直接经济效益。

◼运行性能对比表
五、某3200m3级高炉板式预热器对比热管预热器产生的年效益增量测算
六、结论
综上所述，板式预热器综合技术经济性能明显好于其他类型的预热器。

其在高炉热风炉双预热系统上是完全适用的，其在空煤气预热温度与系统热效率上明显优于其它换热器，其在制造质量与安全性方面也是完全可靠的，是目前热风炉双预热系统的最佳选择。

采用板式预热器预热系统，燃烧单一低热值煤气，提高高炉风温技术上完全可行。

根据某3200m3高炉大修工程双预热系统技术经济分析，系统改造投资约在数月内就可收回。

特别是在现在的市场竞争中，对于企业节能减排、提高综合竞争力具有特别重要的意义。