新型高效板式空气预热器在冶金步进加热炉的应用

时光辉，卫文峰，邢玉明，郝兆龙

(1.北京瑞晨航宇能源科技有限公司，北京 100191；2.上海梅山钢铁股份有限公司，南京 430083；3.北京航空航天大学，北京 100191)

在钢铁冶金生产行业中，步进加热炉是连接连铸和轧线的关键中间设备，用于加热板坯使之达到轧制温度[1]。一般的，加热炉炉尾排烟温度一般在600～1 000 ℃，排烟温度较高。目前采用列管式空气预热器将加热炉排出的高温烟气与助燃空气换热，在降低排烟温度的同时提高助燃空气温度，从而实现加热炉烟气余热回收。钢铁企业基本采用列管式换热器，优点为结构简单、造价便宜，但是入口烟气温度不能过高、换热效率低、由于结垢等原因使得传热性能衰减快，因此列管式换热器的余热回收效果有限，无法满足未来钢铁行业“双碳”目标的节能要求。

板式换热器传热系数高、结构紧凑占地面积小、节能效果稳定，在化工行业应用广泛，但是钢铁行业案例较少，原因在于钢铁冶金加热炉排烟温度高、流速快、腐蚀性强，对于烟气侧允许压降要求高，对板式换热器的密封性、热膨胀性、热应力、耐高温性要求严格，传统板式换热器设计结构无法达到应用到冶金步进加热炉的标准。

目前板式换热器的发展趋势在强化传热效率、研发新型强化板型结构、创新生产焊接工艺，提高换热器的整体强度，从而满足高温高压介质运行的条件[2]。Arsenyeva等[3]对于不同几何尺寸板片模型的实验研究，得出了的凹凸板内、外通道的阻力系数和对流传热关联式。郭志强等[4]研究发现雨滴状板片的流道能够增强对流传热，努塞尔数是平板的1.9～4.5倍。Kumar等[5]对凹凸板的传热和流动特性进行了研究，发现板片焊点对通道内的传热影响可以忽略，但会增加管道的压力损失。Shirzad[6]等通过CFD模拟，发现在低雷诺数条件下，增加板片的通道高度会提高换热效率，减小焊点的间距会增摩擦系数。中国钢研科技集团曾将板式换热器应用于轧钢加热炉[7]，预热空气温度为400 ℃。

本文为了进一步提高步进加热炉空气预热温度到560 ℃以上，专门针对冶金步进加热炉研发了新型高效板式换热器，解决了步进加热炉工艺特点产生的板式空气预热器的技术难度，并且成功在梅山钢铁公司热轧1422线1号加热炉实施了改造，经过两年多的运行，技术指标均达到了设计要求，相较于传统列管式空气预热器大幅提高了余热回收率，从而提高了加热炉综合热效率，给生产企业带来了巨大经济效益。

1 加热炉介绍

1.1 加热炉基本信息

其公司热轧厂1 422 mm热轧1号加热炉1993年11月投产，并于2009年完成燃烧和冷却系统技术改造，加热炉燃料为高焦混合煤气，采用常规烧嘴供热、连续燃烧控制。该加热炉是步进式加热炉，炉型为三段供热侧进侧出步进梁加热炉。加热炉自装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热一段、加热二段及均热段。为充分有效回收烟气余热，在烟道内设置列管式空气预热器。

1.2 列管式换热器使用情况

原空气预热器为传统列管式预热器，换热效率较低[8]，且由于列管形式换热器积灰问题严重以至于换热器效率逐年减低，直接影响到加热炉的热效率和加热炉的安全运行，提高了企业运行成本和增加了安全隐患。

原列管式空气预热器技术参数见表1。

采用列管式换热器进行烟气余热回收的主要问题[3]如下：

1)烟气余热回收效率低

原空气预热器为传统列管形式，本身换热效率较低，且材质原因要求烟气入口温度限制在较低水平，需要掺冷风给烟气降温，一方面增加了冷风风机耗电，另一方面，热损失较大。

2)积灰问题严重

原空气预热器为列管式预热器，烟气流动方向水平换热管阻挡烟气流动，结构原因积灰问题无法解决。而且，换热器构件中未安装辅助清灰装置，设备运行过程中，换热效率逐年衰减，一般运行超过6个月空气余热温度明显下降。

3)煤气超温报警

在实际生产过程中，1号加热炉空气预热温度较低，出空气预热器的烟气温度偏高，即使采用开启稀释风机向烟道掺冷风的方法降温，其后的煤气预热器的煤气预热温度也时常达到320 ℃以上，发生超温报警(煤气超温报警温度为320 ℃)。这样既增加了稀释风机的开启频率，增加了电耗，又不能充分利用烟气余热，还具有较大的安全运行隐患。

2 新型高效板式换热器的应用

2.1 板式换热器的基本特点

板式换热器是以特殊强化传热板型作为换热面，在烟气和空气流动过程中形成湍流，从而破坏换热面表面边界层[9]，有效地强化了传热。

新型高效板式换热器技术特点如下：

(1)使用温度高，采用不锈钢材质时，使用温度可达1 100 ℃以上；

(2)结构紧凑度高，占地面积仅为列管式换热器1/3左右，特别适用于步进加热炉隧道有限空间布置要求；

(3)传热效率比列管式的提高近1倍，而压降增加并不明显。金属耗量低，在同等热负荷的前提下，金属耗量仅为列管式的1/3左右；

(4)由于板式空气预热器的板片表面接近于镜面，且与烟气流动方向一致，因此不易积灰，即便少量积灰也可以采用清洗或者超声波吹灰方式除灰；

(5)由于板式空气预热器材质均为不锈钢，使用寿命大为延长。

2.2 设计基本参数

1)燃气热物性质

梅钢1422线1号加热炉使用煤气成分见表2。

表2 煤气成分组成 %

燃气热物性质都可按各组分的体积百分数和各组分的性质计算得到。燃料气可近似地看作理想气体，其标准状态下的密度可由标准状态下的密度和所处的温度压力来计算[10]。

ρ0=ΣXiρ0i

(1)

(2)

式中：ρ0为燃料气在标准状态下的密度，kg/m3(标准)；ρtp为燃料气在温度t和压力p下的密度，kg/m3。

煤气的标态密度为ρ0=1.012 6 kg/m3(标准)，低位热值为Qdw=8 656kJ/m3(标准)。

2)空气量

燃料气的理论空气量和实际空气量计算：

(3)

V=αV0或L=αL0

(4)

理论空气量L0=1.99 m3空气/m3煤气(标准)。

3)烟气量

Wg=ΣWi

(5)

式中：Wi为烟气中各组分的质量，kg/kg燃料气。

2.3 设计工况计算

现场改造技术要求：

1)在加热炉正常额定生产状态下，预热器前烟气温度≥700 ℃时，空气预热温度≥500 ℃；

2)在加热炉正常额定生产状态下，煤气预热器的煤气预热温度≤320 ℃。

设计计算[10]基本理论公式

1)传热基本方程式

Q=KFΔtm

(6)

式中：Q为传热量，W；F为换热面积，m2；K为总传热系数，W/ (m2·K)；Δtm为传热平均温差， ℃。

2)换热量计算式

Q=qm2cp2(t2i-t2o)=qm1cp1(t1o-t1i)

(7)

式中：Q为换热量，kJ；qm为质量流量，kg/s；cp为比热容，kJ/ (kg·K)；to为流体进口温度， ℃；ti为流通出口温度， ℃。

3)流道数的计算与选择

(8)

4)流道内实际流速

(9)

式中：W为流道内实际流速，m/s；m为流程数；ρ为流体密度，kg/m3；

根据1422线1号加热炉运行数据分析和改造技术要求，工况设计点参数如表3所示。

表3 板式空气预热器设计工况参数

2.4 板式换热器结构设计

该新型高效板式换热器采用丁胞型板片作为传热元件，单个板片两两正反通过翼边焊接成一束，特殊的结构使多个板束通过翼边的焊接形成冷热流体相互分离的两个通道，形成板式换热器的换热芯体。全焊接结构[12]将全部板片通过焊接连接在一起，取代了传统的板片之间使用的橡胶密封垫片，防止在高温下垫片变形失效造成换热流体泄漏。

针对不同现场条件，可以在设计阶段通过采用不同强化板型、板间距离、叠加厚度来调节烟气侧和空气侧的换热系数，继而调控各段的金属壁温。在板片的加工过程中严格控制强化板型的尺寸参数[13]，主要包括丁胞倾角、间距、展开系数、深度等结构参数。 各换热段均以模块化的形式进行组装，提高了预热器整体的安装效率。

某公司热轧厂1422mm热轧1号加热炉使用的新型高效板式换热器根据运行工况设计了2个换热段。其中，高温换热段采用了310S不锈钢材质；低温换热段采用了321不锈钢材质，一共六组。可最大限度地回收高温烟气的余热，结构示意图见图1。

图1 新型高效板式换热器设计图

3 应用效果分析

3.1 改造后的节能效果

对梅山钢铁1422线1号炉更换新型高效板式换热器后的节能效果进行记录，节能情况如表4所示。

表4 改造前后吨钢消耗标煤记录

由表1可以看出由列管式换热器更换高效板式换热器后，加热炉轧钢线上每生产一吨钢可以节约2～4 kg 标准煤，减少了热轧线上的煤气消耗量，大幅减少碳排放。

3.2 经济可行性分析

根据加热炉列管式空预器使用经验可知，由于换热器表面积灰和金属表面碳化的因素影响，列管式换热器在使用初期1—3年内的空气预热效果会快速下降，然后趋于稳定。新型高效板式换热器在5年内性能不衰减，8年内空气预热温度降低温度小于30 ℃。

结合1422线1号炉换热器改造情况分析，对冶金加热炉使用新型高效板式换热器代替列管式换热器的节能经济效益进行分析，结果如表5所示。

表5 高效板式换热器经济性分析

由表5可以看出，1422线1号加热炉在分别安装高效板式换热器和列管式换热器后，新型高效板式换热器的烟气余热回收效果要超出普通列管式换热器，并且随着列管式换热器换热效率的逐年降低，节能效益前五年会逐年增加，到第五年使用高效板式换热器会比列管式换热器多创造节能收益801万元，大幅度地降低钢企煤气消耗成本。

3.3 技术可行性分析

1422线1#炉新型高效板式换热器的改造，需要保证现有加热炉空气、烟气系统的正常运行，且在最高预热温度、烟气侧阻力等方面满足设计要求，因此展开换热器改造的技术可行性分析。

1)换热效果衰减问题

新型高效板式换热器采用湍流增强型薄板式换热元件，针对不同的温区采用不同的耐热材料，结构紧凑、焊接可靠、不衰减，寿命长。正常使用条件下5年不衰减。

2)板片锈蚀问题

针对处于烟气入口的板片高温段采用310S不锈钢材质，310S不锈钢具有良好的耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱和耐高温性能。

3)积灰问题导致传热效率的下降

烟气流动方向没有横截面和阻挡，且板片表面接近于镜面，因此不易积灰，根据现场实际情况，综合考虑加热炉的灰分特点，采用膜片式声波吹灰器。

4)空气、烟气侧压降

金属板式预热器通过调节板间隙尺寸，来满足烟气侧压降的要求；通过对热空气出口段管路、板片通道连接等方面进行优化，尽可能地降低空气侧压降。

因此使用全焊接板式换热器设计结构、高强度不锈钢材料、先进的板片压制切割技术和全自动焊接设备，可以实现板式换热器在加热炉高温条件下的烟气余热回收利用。

4 总 结

新型高效板式换热器通过创新的板型结构设计，解决了冶金步进加热炉传统列管式换热器换热效率低、积灰严重、使用温度低等问题；相对于传统板式换热器，高效板式换热器采用全焊接形式，取消了密封垫片，在不同温度区采用不同的耐热材料，因此耐热、耐压性能好于普通板式换热器，解决了高温环境下换热流体的泄漏问题。

梅山钢铁公司1号加热炉将列管式换热器更换为新型高效板式换热器后，空气预热温度平均提高了100 ℃以上，最高一年能为热轧线节约1 907.1万标方煤气，带来节能经济效益801万元，新型高效板式换热器的成功应用在冶金加热炉行业的节能减排领域做了很好的示范作用。