套筒窑换热器材料选择与性能优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：王东侠（1987），男，汉族，河北迁安人，本科。-41-套筒窑换热器材料选择与性能优化 王东侠 河北燕山钢铁集团有限公司，河北 迁安 064400 摘要：摘要：套筒窑在钢铁企业的白灰冶炼中有着广泛应用，换热器作为套筒窑主体设备，在冶炼煅烧过程中发挥着关键的热能利用、转移和冷却作用。然而，套筒窑换热器的材料选择和性能优化一直是该行业关注的焦点，因为它们直接影响到生产效率和能源消耗。本文对套筒窑换热器进行了一定论述，在此基础上，进一步探讨了换热器材料选择，分别论述了各种材料的优缺点，并结合套筒窑换热器的特点，提出了具有针对性的性能优化方法，进而有助于提高套筒窑换热器的整体性能，为钢铁企业生产工作的正常开展提供可靠保障。关键词：关键词：套筒窑；换热器；材料；性能 中图分类号：中图分类号：TQ177 0 引言 在钢铁企业的白灰厂生产过程中，套筒窑换热器作为环形套筒窑的热交换装置，在工业生产中有着广泛应用，在套筒窑的运行过程中起着至关重要的作用。主要作用于套筒窑的炉顶高热废烟气，对烟气进行回收利用，用烟气中的高热量预热将要进入窑内的驱动助燃风，提高驱动助燃风温度，来实现能量转移利用，从而提高热量效率，减少窑内热量损失。同时反作用原理来降低进入除尘器的废气温度，提高除尘器的使用。它保征着窑内的热量和气体添量的平衡，在很大程度上影响着生产的石灰质量。换热器本体在生产过程需要高温、高磨损和腐蚀性环境下的设备，因此，套筒窑换热器的材料选择和性能优化对于整个生产流程的顺利运行至关重要。1 套筒窑换热器概述 1.1 套筒窑的结构和功能 套筒窑是生产白灰途径的多种窑型之一，在国内有着广泛的应用，它的结构和功能特点使得换热器具有重要作用。套筒窑通常由两个同心的筒体组成，即内套筒和外窑筒，内外套筒之间区域用做石灰石煅烧。内套筒分上下三层，均是密封的圆筒，分别用于原料石灰石的预热、煅烧、石灰冷却。套筒窑的设计旨在通过高效热量回收、利用过程中确保高温气体和石灰石之间的热交换，以实现石灰石的煅烧和白灰的生产，上下两侧均匀布置的多空间燃烧室，通过拱桥、内套筒连接来充分保证高温煅烧区的热量分布，整体受热均匀，提升灰质、降低能耗；环保上来讲负压操作减少烟气粉尘外溢，满足更高的环保要求。因此，套筒窑换热器的使用效率和性能对整个生产过程至关重要，需要选择合适的材料和优化的设计以满足高温、高腐蚀和高热传导的需求。1.2 换热器在套筒窑中的角色 套筒窑换热器在套筒窑中扮演着至关重要的角色，其热交换效率及内部烟气流通情况直接影响并制约生产节奏。其结构主要包括烟气进口箱、换热集束管、废气出口箱、驱动助燃风流通室几部分组成。工作原理为高温烟气通过顶部进口箱进入换热集束管内，经由底部废气出口箱进入废气管道至除尘器处。而驱动助燃风则是由换热器底部流通室进口进入后经由上部出口进入窑内辅助燃烧，双向奔赴的流通过程中通过内部均匀分散的 135 根换热集束管将热量传导至外筒与各集束管的间隙空间，也就是驱动助燃风流通室内，将室内流动的驱动助燃风预热，以达到热交换目的。这一热量交换过程确保了石灰石的高温煅烧，既是将生产过程中产生的热量能源高效利用，来减少燃烧热量损坏，降低原燃料消耗，也是将进入除尘器的废烟气降低温度，减少对布袋、箱体等材质要求，所以换热器是白灰套筒窑生产过程中不可或缺的一部分。1.3 换热器的性能要求 套筒窑换热器作为关键设备，需要满足一系列严格的性能要求。首先，它必须具备耐高温的特性，套筒窑煅烧过程中产生的废烟气在进入换热器顶部进口中国科技期刊数据库 工业 A-42-箱处能够达到 800左右，超过了许多传统材料的极限。换热器中换热集束管作为重要且唯一的热交换介质，其材质性能好坏决定了换热器的工作效率，由于换热管束长时间处于冷热两种工作环境下，在进行气体热量热交换的过程中，换热集束管的管口及管内形成的结瘤堵塞了换热管，从而降低了换热器的换热效果。其次，换热器还需要具备耐磨性，因为烟气中含有大量粉尘及其他，随烟气流动的过程中会对内表面产生磨损，另烟气内腐蚀性气体成分在高温环境中也会对管束造成一定腐蚀，而耐磨性耐腐蚀性较差的材料可能会迅速失效。且在清理换热集束管过程中，钻头或其他清理方式的磨损尤为严重。再次，寿命要求也是关键因素，因为换热器是昂贵的设备，也是整座套筒窑中最贵重的单体设备，需要长期稳定运行以确保生产的经济效益。最后，热传导性能是关键，它影响着热能的传递效率，对白灰生产的能耗和质量都有直接影响1。2 换热器材料选择 换热器的材料选择直接影响换热使用效果、寿命和成本投入，从普通材料到高性能优越材料，并非性能越高的就越好，要同时兼备耐高温、耐腐蚀、耐磨损、传热性能好的多重特点，同时性价比高才是最合适的。2.1 可选材料的优缺点与应用 2.1.1 普碳钢/铸钢 低成本是普碳钢和铸钢的最显著特点，也是其在设备制造业中应用最普遍的原因。考虑外部壳体、箱体等部位温度虽然也为高温区域，所以在换热器制作材料选取中对换热器 60%部位选用 235B 普板制作，来降低整体成本。铸钢虽然有较好的耐磨性能，但其耐腐蚀性差、强度低的明显缺点，和生产制作过程中的不可预估缺陷，使其无法作为重要结构及换热部分材料选择。2.1.2 不锈钢 不锈钢的主要特点之一是其抗腐蚀性能。这种材料含有铬元素，使其在高温、湿度和腐蚀性气体环境下具有出色的耐腐蚀性。这对于套筒窑换热器这类需要承受高温和腐蚀性气体侵蚀的设备来说，是一个显著的优点。不锈钢的强度相对较高，能够承受更大的机械应力，延长了设备的使用寿命。然而，不锈钢也存在一些缺点，其中之一是成本较高。不锈钢的原材料价格相对昂贵，而且加工和焊接不锈钢也需要专业的工艺和设备，这会增加设备制造成本。鉴于不锈钢此类特点，在换热器制造过程中将换热器中最重要的集束管部分选用不锈钢制作。而多类型的不锈钢中，从通用型的 304、316 等到特殊品种的元素含量，甚至高耐温型的 310S、等。对各类特性、耐高温需求、市场价格等综合性比较，将膨胀节、上管板、集束管、折流板及定距管等直接与高温废烟气接触、磨损部位材料选定为 S304。换热集束管管口及管内日常烟气换热过程中，因烟气中大量灰尘积聚会加之高温凝结形成结瘤，从而堵塞换热管，降低换热效率，会定期利用钻头、风钻等作业工具进行人工清理。钻头等清理工具作业过程中对集束管上部、上管板接口部位会造成不可避免的磨损，为加强后期定检修清理过程中换热集束管耐磨强度和使用周期，对原有管束壁厚增加0.5mm 厚度，且不影响风阻及流量。2.1.3 耐火材料 耐火材料的主要优点之一是其极高的耐高温性能，这些材料能够在极端高温条件下保持结构的稳定性和强度，这在白灰厂的窑炉环境中是至关重要的，因为这些窑炉通常需要在上千摄氏度的高温下运行。耐火材料还具有出色的抗腐蚀性，能够抵御化学气体和化学反应的侵蚀，这对于处理腐蚀性气体的应用非常重要。然而，耐火材料也存在一些限制，它们通常比传统金属材料更脆弱，容易受到机械冲击和振动的损害，并且耐火材料的加工和维护相对困难，通常需要专业的技术和设备2。针对套筒窑结构特性，不同部位使用不同类型、材质、性能的耐火砖、浇注料相结合砌筑，充分发挥耐火材料优势，我们将之优势特性选择性应用于换热器的结构之中，从而代替高造价材料的选型应用。致密高铝浇注料其最高耐热温度可达 1600，多应用于套筒窑燃烧室、拱桥等煅烧高温区域，良好的耐火性能、较好的耐压强度，适合换热器顶部废气进口箱处替代轻质保温砖使用，浇筑打料过程合理焊接锚固件、敷设钢丝编织网，均匀打料上强度后，既能增加进口箱外壳体隔热、耐热效果，又极大的增加了整体强度，避免了长期使用、清理、振动过程中轻质砖墙体坍塌的缺陷弊端。刚玉莫来石耐火耐磨浇注料其最高耐热温度可达 1600，具有极好耐火性能、优越的耐磨性中国科技期刊数据库 工业 A-43-能，但由于价格较高，多应用于套筒窑内筒环梁外部等需求量不多，但长期处于石料、石灰磨损冲刷区域，提高内筒底部环梁区域耐磨强度、延长其使用寿命。对其优越特性，为降低换热器换热集束管顶部接口部位长期腐蚀、工具清理磨损损伤，将上端口整体加高100mm，管束间隙填充刚玉莫来石耐火耐磨浇注料，浇注料厚度至法兰口下方，浇注料上方封闭一层上管板。此填充改善方法优势在于间隙填充量不大，充分利用了顶部进口箱内部空间，不影响任何废气、烟气、驱动风流速、流向与流量，且对整体价格影响较小。在换热集束管顶部最易接触磨损部位损坏后，外侧仍为高强度耐磨浇注料，不会因此漏风、串流、出现生产危害性，甚至整体报废。2.2 材料材质选择效果 针对换热器结构特点、工作原理、区域部位特性等，经过对不同材料材质特性的选择，对换热器后期使用换热效果、换热效率、使用寿命及成本投入的性价比影响是极其显著地。直接接触废烟气的耐高温部位兼具耐磨、高强度性能，在后期清理维护过程中，有效减少了工具磨损对换热集束管的损伤，提高其整体管束使用寿命 3 年。烟气换热温度中烟气进口温度范围 600-800，驱动风出口换热温度 300-400，换热效率提升 20%，保持换热效率的清理维护周期延长40%，间接影响成本投入降低 40%。对套筒窑稳顺生产、提高热能利用效率、减少燃料热量损耗等方面均带来有效改善和辅助；同时显著降低高温废烟气排放温度，也利于环保设施有效运行。换热器的结构特点为其不同应用领域、不同部位作用特性带来良好的改善前景，增加了灵活多样的设计选择，为适应更多工艺流体、生产操作需求、介质条件，可以根据实际需求进行更多的设计和定制，前景可观。2.3 更多先进材料的应用 随着科学技术发展和进步，越来越多的优质、优越性能材料在更多科学领域有了很好的研发和应用。从我国各行业高速发展和科技成果带来的效益影响，尤其是航空航天事业迅猛发展带来的国际优势影响，先进材料在不同行业领域应用是极有前景和发展优势的。本次考虑耐磨陶瓷、高温合金、复合材料的可行性应用。超耐磨陶瓷：具有卓越的耐磨性能，使其成为处理高温、高速气流中磨损严重的换热器部件的理想选择。极高的硬度和耐磨性使得它们能够在高温高速气流中长时间工作而不受到显著的磨损，加之其出色的耐高温性能，对于提高套筒窑换热器的使用寿命和降低维护成本非常有益。但陶瓷材料通有的脆弱性，使其对于冲击和振动较为敏感，易损伤、高成本，是否能够有效应用于换热集束管等关键部位仍有待于科学考证。（2）高温合金：具有卓越的高温性能和耐腐蚀性，使其成为高温气体工作部位的理想选择。首先，高温合金的主要优点之一是其出色的高温稳定性。它们可以在极端高温环境下长时间工作，不会因高温而失去强度和耐久性，尤其是换热集束管等易损关键部位极其适用。其次，高温合金还表现出良好的耐腐蚀性能。也适用于套筒窑高温废烟气对外围介质的腐蚀，材料需要具备耐腐蚀的特性。然而，高温合金也有一些限制。它们的制造和加工难度较大，不同合金原料成本、制作工艺不同，因此成本相对较高，而且高温合金的可塑性较低，加工和成形较为困难。如何能理想化应用于关键设备重点部位是需要重点实践的。（3）复合材料：多是由两种或更多不同种类的材料组合而成，以充分发挥各种材料的优点，并弥补其缺点。首先，复合材料的设计和制造可以根据特定应用的需求进行定制。其次，复合材料通常表现出出色的强度和耐磨性。在套筒窑换热器换热集束管部位，既需要承受高温和高腐蚀，又需要具有较高的强度和耐磨性能。较之金属材料，复合材料更是兼具高强度、高耐温、高抗疲劳、轻重量的优越特性。然而，复合材料的设计和制造复杂，需要高度的工程技术和专业知识，并且复合材料的成本相对较高，可能会在项目预算中产生影响3。2.4 结构优化 首先，换热器的结构设计应充分考虑换热器工作原理和领域应用，使其换热表面最大化。这可以通过增加换热器的表面积来实现，例如增加管道数量、增加管道长度或使用多层管道结构。更大的换热表面可以提高换热效率，从而减少能源消耗。其次，换热器的流体动力学设计也非常重要。使烟气、驱动风等流体介质在换热器的内部以最优异的流动方式运行，确保流体能够充分接触换热表面，并减少积聚和阻力，中国科技期刊数据库 工业 A-44-从而实现最佳的热交换效果。这可以通过设计合适的流道形状、流速分布和流体分配系统来实现。再次，结构设计还应考虑到换热器的可维护性和清洁性。换热器在运行过程中可能会积累污垢和沉积物，这会影响换热效果和效率。因此，设计应包括易于清洗和维护的特征，如可拆卸的管道和检修孔等。最后，结构设计还需要考虑到换热器的支撑和固定。换热器在运行时会受到温度和压力的影响，因此必须设计稳定的支撑结构，以防止变形和损坏。3 结语 综上所述，套筒窑换热器通过将顶部高温废烟气的热量传递给驱动风，来预热驱动风，实现热量回收利用，在套筒窑生产中起到了极其重要作用。对套筒窑稳顺生产、灰质稳定及提升均具有决定性的影响。这就需要通过选择适当的材料和采取性能优化措施，来不断提高其性能。在钢铁行业日益严峻的环保形势下，换热器的优势在于高效利用热量能源、降低成本消耗和环境保护，因此在各种行业领域均有广泛应用。在未来工业生产中，换热器依然为套筒窑的生产发挥重要作用，推动实现可持续发展的目标。参考文献 1王夏城,黄奕斌.中深层同轴换热器充填材料热性能研究J.新能源进展,2022,10(04):348-354.2任文静.复合相变材料研制及相变换热器传热性能研究D.江苏:东南大学,2022.3李堃,赵青玲.换热器保温外壳材料及结构对保温性能影响研究J.能源研究与利用,2022(01):24-26.