热轧加热炉技术对换热器改造效果

热轧加热炉技术对换热器改造效果

摘要：介绍了热轧加热炉实施高效换热器改造的基本情况及改造效果。换热器作为热轧加热炉重要余热利用设备之一，实施高效化改造，有利于降低加热炉燃耗，达到节能减排、提高经济效益之目的。

关键词：加热炉；换热器；螺旋片；高效化

0 引言

加热炉是热轧厂的重要设备之一，同时也是热轧工序的能耗大户，其燃料消耗约占热轧工序总能耗的63%。而换热器又是加热炉重要余热利用设备，一般用于预热加热炉助燃空气，以达到降低加热炉燃耗之目的[1]。新钢钒热轧板厂加热炉原设计采用金属片状管换热器，空气预热温度只能达到350～450 ℃，存在换热效率低，节能效果差等问题，不利于当前节能减排工作的深入开展，同时在换热器使用寿命的末期，其高温管组发生破损现象，漏风问题日益严重，已达到影响正常生产的程度。因此，有必要实施加热炉换热器改造，以提高助燃空气预热温度，降低加热炉燃耗，促进节能减排，满足生产需求，进一步提高经济效益。

1 改造前换热器基本状况

热轧加热炉采用下排烟方式，出炉烟气从装料端炉两侧的排出口经竖烟道进入水平烟道，穿过装炉辊道下部后汇合在一起进入总水平烟道，然后经过安装在水平烟道内的二行程换热器和烟道调节闸板后进入烟囱，由烟囱排入大气中。

改造前换热器存在的主要问题是：采用单纯的片状管式换热器，在同等的热负荷和排烟温度条件下，存在换热效率低，空气预热温度低（只能达到350～450 ℃）等问题，同时由于生产过程中煤气热值波动大，空煤配比不合理等问题，造成部分时段炉内煤气燃烧不充分，燃烧不充分的残余煤气漂流到烟道内继续燃烧，进而造成换热器前烟气温度异常偏高，加剧换热器管壁氧化并逐渐破损漏风，换热器漏风严重时还曾发生加热炉因供风量不足而影响生产的问题，被迫增加备用风机供风，从而进一步降低空气预热温度，并增加电耗。

2 改造方案

为提高换热效率，进一步降低加热炉燃耗，国内外先进企业均广泛开展高效换热器的研发工作，采用带插入件的换热器，利用插入件以强化换热效果是目前研发高效换热器的有效途径。同时，通过换热器材质选择和研究换热器保护措施等方法以提高换热器使用寿命。

2.1 螺旋插入件的选择

为了掌握插入件换热器的传热特性和阻力特性，通过查阅相关技术资料和详细的比较分析，统计与实际换热器使用温度接近的几个温度区和速度区、五种形式的插入件和几种管径的上千组数据，回归得到相应的传热及阻力特性。结果表明：螺旋插入件是各种插入件中增加管内传热系数最大的一种，提高幅度一般为光管的20%～30%；同时在传热系数相同的条件下，采用螺旋插入件后管内阻力只有光管的60%～80%，根据这些特点可以设计出高效的换热器。各种插入件传热系数和阻力的比较见表1。从表1可以看出，采用螺旋片形（大螺距）插入件强化换热，具有传热系数大，阻力损失小的特点。

2.2 防止低温腐蚀

在换热器低温侧，后几排管组的烟气温度和空气温度都较低，尤其在加热炉负荷减小，换热器管壁温度过低时，烟气中含硫气体易结露造成管壁低温硫腐蚀。传统的防止低温硫腐蚀办法是设置冷风管旁通，以减小流向换热器的风量，提高热风温度，但实现这一过程的自动控制较难，且会增大投资费用，否则就达不到有效控制低温阶段含硫气体对管攀钢技术

壁腐蚀的目的。本次改造另辟蹊径，即在低温管组内加套管并取消套管部分的螺旋插入件，可以有效地提高低温管组管壁温度，达到防止低温硫腐蚀的目的。

表1 各种插入件传热系数和阻力的比较

插入件形式光管/% 一字形/% 十字形/% 螺旋片形（小螺距）/% 螺旋片形（大螺距）/% 阻力相同的传热系数100 105～119 100～114 115～127 120～135

传热系数相同的阻力100 68～89 74～100 62～80 60～76

换热器的发展现况：

1、概述：

最近几十年来换热器发展很快，主要表现在以下几个方面。

⑴换热器的种类越来越多，技术性能越来越好，应用范围越来越广。

①换热器的种类：

从换热器的连接方式上看：从可拆式换热器发展到钎焊式换热器。从半焊接式、全焊接式发展到板壳式换热器。

从板片的形式上看：从对称型发展到非对称型。

从板片的流道上看：从对称流道发展到宽窄流道、宽宽流道。

从板片波纹的深浅看：从波深为3~5mm的一般板发展到波深为2~2.5mm的浅密波纹板。

②换热器的技术性能越来越好

图1-1表示换热器的设计温度、设计压力范围。

•工作温度从可拆式的260℃发展到板壳式的1000℃。

•工作压力从可拆式型的2.5MPa发展到板壳式的8.0MPa。

•传热系数从2000W/m²·k发展至12000W/m²·k。

•最大当量直径28mm。

•最大可拆式单板换热面积4.75m2。

•最大焊接式单板换热面积18m2。

•最小钎焊式单板换热面积0.006m2。

•最大可拆式单台换热面积2500m2。

•最大全焊式单台换热面积10000m2。

•最大接管尺寸500mm

第二节换热器的定义及基本参数

一、可拆式换热器

1、定义：可拆式换热器是将薄的金属板片（一般0.4～0.8mm)冲压成为凸凹状，周边张贴合成橡胶类的密封垫片，每一枚传热板片为一个传热单元，必要的传热板组合成传热部，高温流体或低温流体流过各传热板形成流路时进行热交换。通过上下两根拉杆将传热部分固定在固定板（框架板）和可动板（游动板、挤压板）之间，并用长的螺栓紧固。图1-8表示各部分的结果及名称。

2、基本参数的定义

⑴单板计算换热面积a—在垫片内侧参与换热部分的板片展开面积，按下式计算：

a = φ·a1

式中a—单板计算换热面积，m2；

φ—展开系数，板片展开面积与投影面积之比，按下式计算：

φ = (φ≈1.15~1.3,一般φ≈1.2）

式中t′—波纹节距展开长度，mm；

t —波纹节距（见图1-9），mm；

a1 —在垫片内侧参与换热部分的板片投影面积，m2。

注：若导流区与波纹区波纹节距相差较大时，应分别计算导流区与波纹区的换热面积，两者相加。

⑵单板公称换热面积——经圆整后的单板计算换热面积，一般圆整至小数点后二位。如单板计算换热面积为0.346m2，圆整后的公称换热面积为0.35m2。

⑶板间距b——换热器相邻两板片间的平均距离，如图1-9所示。

⑷当量直径de——四倍的板间通道截面积与其湿润周边之比。按下式计算：

de =

式中As—通道截面积，m2；

S—参与传热的湿润周边长，m。

在一般情况下，常用下式计算当量直径De

2.3 防止高温变形

换热器高温侧前几排管组受高温烟气及高温烟道的辐射，温度较高，因此其受热变形最大，解决好前几排管组的热变形也是延长换热器寿命的关键。传统的换热器采用另加高温侧的保护管组的办法，以定期更换保护管组的方式达到延长寿命的目的；或可采用弯曲高温侧管子的办法来减轻热变形，但换热器常采用的高Cr钢管延伸率很低，预弯方式易造成钢管裂纹影响使用寿命。随着技术的发展，更为有效的技术得到发展并获得实际应用，即在换热器高温侧前几排管组设置预压缩补偿器，实践证明此技术是消除热变形的有效措施。

2.4换热器材质选择

提高换热器寿命除了要解决上述热变形及低温腐蚀问题外，另一点就是管组材质的选择。往往换热器损坏在高温侧的前几排管子，对于空气预热温度550 ℃和620 ℃而言，高温侧的前几排管子的管壁温度相差很小，因此，管子的材质选择主要取决于高温烟气的温度。改造前热轧加热炉换热器高温管组采用1Cr18Ni9Ti。1Cr18Ni9Ti是一种奥氏体不锈钢，可在600 ℃以下长期使用，短时也可在650 ℃以上使用，但最高不得超过800 ℃，不能满足加热炉正常生产条件下排烟温度750～850 ℃的使用要求。因此，为了保证换热器的寿命，金属换热器高温管组材质的最佳选择为高牌号渗铝管材0Cr24SiAl（日本牌号SIC12），但这种材料目前国内不能生产，依靠进口是不经济的。调研表明：高温管组选用渗铝管材，在使用过程中钢的表面将形成一层致密的Al2O3氧化膜，对母材有很好的保护作用，同时管壁表层形成的铝铁化合物和固溶体结晶组织具有耐高温、抗氧化和防腐蚀的性能。因此，本次加热炉换热器改造中的高温管组选用0Cr17SiAl，中温管组选用0Cr13，低温管组选用09CrCuSb。如此选择换热器材质，最大限度地提高了换热器性价比，降低了改造成本。

采用带插入件的高效管状换热器后可以将助燃空气预热到550～600 ℃，以达到节约能源的目的，改造后的空气换热器主要性能见表2。

表 2 改造后的空气换热器主要性能表

换热器行程/数换热器烟气温度/℃进换热器烟气

流量/ m3·h-1

换热器空气温度/℃预热空气流量/

m3·h-1

入口出口入口出口

额定值 2 800 432 125 349 20 600 105 100

最大值850 497 154 284 35 620 125 248

2.5 换热器保护措施的制定与应用为提高换热器使用寿命，除上述在材质选择方