三維肋管空預器在熱處理爐中的應用實踐

邱德彬，徐光福，王國瑞，楊本智

(四川驚雷科技股份有限公司，四川 宜賓 644623)

隨著經濟的發展，化石能源日益減少，國家開始大力支持企業發展節能減排技術。空氣預熱器作為一種回收煙氣熱量的設備，廣泛應用于工業生產中。因此，提高空預器的換熱效率，降低排煙溫度，是企業節能減排的一個重要途徑。本文介紹了采用新型換熱元件三維肋管制造的空氣預熱器在熱處理爐中的應用實踐和節能分析。

1 三維肋管簡介

三維肋管是一種新型的高效節能換熱元件，它采用專業加工機床將普通換熱管加工成整體式翅片管，有內肋、外肋和內外肋之分。

與光管相比，三維肋管具有以下優點：增加了換熱面積；肋片的存在增強了擾動，提高了流體流動的湍流度；流體在肋間的近壁面加速，減薄了熱邊界層厚度。因此，其換熱系數可達光管的2～5倍，適用于各種清潔流體的列管式換熱器的強化傳熱升級改造。

2 空預器結構

目前，已有4臺三維肋管空氣預熱器投入使用，分別為9、12、13.5和14 m爐，用于回收煙氣的熱量。其結構均采用立式，圖1為12 m熱處理爐空預器結構示意圖。高溫煙氣從左到右橫向掠過管束；管程分兩程，高溫段和低溫段，便于采用不同的換熱管，降低成本。

圖1 立式空預器結構圖

其中，考慮到殼程流體煙氣中含有大量灰塵，肋片結垢之后不利于清掃，因此，換熱管采用Φ38 mm×3 mm的三維內肋管，管長1 600 mm，肋片高2.2 mm，肋寬2 mm，每周肋片數24，肋片軸向間距5 mm；管道外壁沿管長對稱焊接4根10 mm寬的不銹鋼條。高溫段和低溫段各255根，采用正方形排列。

3 空預器運行參數

上述12 m熱處理爐空氣預熱器已使用三年，現對其運行狀態進行測試，主要參數測試結果見表1。

表1 空氣預熱器實測運行參數

4 節能分析

以上述空預器實測參數進行節能分析。

4.1 傳熱系數

換熱器的傳熱系數[1-2]可由下式計算：

Q=KAΔtm

(1)

式中：Q為換熱器熱負荷，kW;K為換熱器傳熱系數，W/(m2·℃)；A為換熱器傳熱面積，m2;Δtm為換熱器傳熱溫差，℃。

其中，熱負荷按照空氣吸熱量計算，空氣的定性溫度取進出口溫度平均值t1=(411+20)/2=215 ℃，查的定壓比熱cp=1.1 kJ/(kg·K)。

Q=cp1m1Δt=cp1ρ1V1Δt1=1 313 kW

(2)

式中：m1、V1分別為空氣側空氣質量流量和體積流量，kg/h、m3/h(標準)；ρ1為空氣密度，取1.293 kg/m3；Δt1為空氣側空氣進出口溫度差，℃。

換熱面積按光管外表面積計算，則

A=nπdL=97.37 m2

(3)

式中：n為換熱器換熱管根數；d,L為單根換熱管外徑、長度，m。

按逆流計算換熱器的對數平均溫度，即

(4)

式中：Δtmax、Δtmin分別為換熱器兩端冷熱流體溫差的最大值、最小值，℃。

根據P=0.55，R=0.8查的溫差修正系數ψ=0.88。則空氣預熱器的傳熱溫差為

Δtm=ψΔtm，c=246℃

(5)

則空氣預熱器的傳熱系數為

(6)

相比于光管換熱器的傳熱系數大概在10～30 W/(m2·℃)，提高了至少1倍；同時，所需傳熱面積將最多僅為光管時的一半，可有效減少換熱管的數量或長度，縮小換熱器體積和占地面積，更有益于緊湊布置。

4.2 節約天然氣

根據換熱器的熱負荷來估算天然氣的節約量。查天然氣的熱值大約是36 MJ/m3。則可節約天然氣含量為

ΔVg=Q/36=131 m3/h

(7)

取空氣過量系數為1.05，空氣與天然氣的燃燒比為10∶1，則天然氣的節能率為

η=ΔVg/(ΔVg+Vg)=14%

(8)

式中：Vg為該空氣預熱器天然氣消耗實際估算值，Vg=V1/α/ε=810 m3/h(標準)。

相比于文獻[3]中的螺旋管狀插入件臥式換熱器，空氣預熱溫度在250～350 ℃，天然氣節能率為10%左右，三維肋管空氣預熱器又提高了將近4%。

同時，還可減少煙氣排放量ΔV2為(采用與實際煙氣排放量V2對比計算)

(9)

4.3 經濟效益

本次投資主要包括一臺換熱器、一臺空氣鼓風機和一臺煙氣引風機。換熱器每臺造價約20萬元；鼓風機選用15 kW變頻風機，全壓2 500 Pa，引風機選用5.5 kW變頻風機，全壓100 Pa，兩臺總價約3.5萬元。因此，總計花費23.5萬元。

熱處理爐的使用時間按照每個月100小時計算，則年節約天然氣：

Va=131×100×12=15.7萬m3

(10)

四川省天然氣價格為2.5元/m3，則每年可節約39萬元，即半年多就可收回成本。由此可見，對于運行時間長或者連續運行的工業爐，其節能效果將更加顯著。

5 結 語

采用三維肋管制作的空氣預熱器，其傳熱系數高達55 W/(m2·℃)，是光管換熱的2～3倍；空氣預熱溫度可達400 ℃以上，可節約天然氣大約為14%；且投資少，回報周期短，可廣泛應用于各種工業爐中，特別是運行時間長或者連續運行的，其節能效果更佳。