冶金烟气粉尘对换热管的传热影响.docx
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冶金烟气粉尘对换热管的传热影响
冶金烟气粉尘对换热器的传热影响
周志东
无锡东方环境设计研究所有限公司
摘要:
换热设备的积灰严重阻碍换热面的换热,热力计算时都要选取合适的灰污系数或热有效系数。
冶金行业的热力计算一直参考燃煤锅炉的计算,但燃煤锅炉的烟气与冶金炉的烟气成分有很大不同。
本文主要探讨冶金烟气粉尘在换热面积灰对传热过程的影响。
关键词:
积灰、粉尘、电炉、热有效系数、传热系数
引言:
在炼钢、炼铁过程中,需要消耗大量的能源,而生产过程排出的高温烟气余热约占总能耗的40%。
随着节能降耗的要求,冶金行业逐步开始注重对高温烟气进行余热回收,尤其是耗能最多的电炉、转炉、高炉及烧结机的高温烟气余热回收已有不少工程实例。
烟气余热回收其实是一个换热过程,主要是通过换热器将烟气里的热量置换成蒸汽,蒸汽用来供工艺使用或发电。
烟气里面含有大量粉尘,且粉尘带粘性,换热设备的积灰对传热过程的影响是非常重要的。
本文作者带领一个科研小组于2010年10月至11月在江苏沙钢集团利淮特钢进行了专题实验,对电炉烟气粉尘在传热过程中的影响进行了专题研究。
一.实验台的搭建
一.1实验系统
实验系统主要由双套管余热锅炉、清灰装置、仪器仪表、风机、阀门附件以及冷却水系统等几个部分组成。
1.2双套管余热锅炉
余热锅炉由7根双套管组成的小型余热锅炉,套管单根长度6m。
双套管参数:
内管φ51×4mm,外套管φ76×4mm,外形见图片一。
余热锅炉水平布置,在两端和中间设有支撑;为消除重力对套管引起形变的影响,在每根套管的中间部位设有同心固定限位装置。
图片一套管余热锅炉
1.3清灰装置
清灰装置采用空气炮,安装在余热锅炉的进口烟道上。
空气炮的参数:
介质:
压缩氮气
介质压力:
0.4-0.8MPa
冲击力:
1176-3720N
用气量:
180L/min
1.4风机
风机选型:
Y6-24NO.5D
风量:
1200m3/h(200℃工况下)
风机压头:
2300pa(200℃工况下)
长期使用温度:
200℃
电机:
2.2KW(变频)
1.5仪器仪表
1.5.1温度测量
采用热电偶、热电阻测量温度。
测量烟气的进、出口温度t1、t2,热电偶安装在双套管余热锅炉的进出口。
测量冷却水进、出口温度t3、t4,,热电阻安装在冷却水的进出口水管上。
1.5.2烟气动压值
采用毕托管测量管道内的烟气动压值Pd。
根据烟气动压值Pd,烟气出口温度t2值,可以计算出烟气流速vs2。
计算公式:
式中:
vs2——余热锅炉出口段烟气通道工况流速,m/s;
Kp——毕托管系数,0.82;
t2——烟气出口温度。
1.6测点汇总及安装
测点安装示意图如下:
1.6.1温度测点:
共4个点
烟气进口温度T1,热电偶(耐1000℃高温)
烟气出口温度T2,热电偶
冷却水进口温度T3,热电阻
冷却水出口温度T4,热电阻
1.6.2压力测点:
共3个点
烟气进口静压P1,压力变送器(耐1000℃高温)
烟气出口静压P2,压力变送器
1.6.3烟气流速、流量测点:
共1个点
余热锅炉烟气出口管道内烟气流速v2,管道式烟气流速、流量计
1.6.4冷却水流量测点:
共1个点
水流量Q,电磁流量计。
二.目测效果
运行一段时间后,入口端面积了一层约3-5mm松灰,入口管积灰成喇叭口形,积灰最高处达约8mm。
灰质酥松,可以轻易刮下来,刮下的时候,很多灰粘结在一起,成块状整体掉落。
换热管管内(见图2-2)积灰严重的地方集中在入口,由于烟气产生漩涡,局部地方烟气流速很小,使灰尘容易沉淀下来粘附在管壁上。
8小时运行后,管口积灰厚的地方变硬且结块。
管内积灰表面凹凸不平,呈长条型的丘状,走向与风向平行。
管内表面灰质仍然比较软,可以轻易用硬物刮下。
图2-1运行后积灰情况
图2-2运行后单管积灰情况
经过空气炮清灰后,管内表面的松灰基本被震落,有些部位结块的积灰呈整体剥落(见图2-4);余下部分灰质致密;但仍然可以用硬物刮下来;其厚度减少至1mm左右,局部地方接近2mm。
图2-3清灰后积灰情况
图2-4清灰后单管积灰情况
三.积灰测试及吹灰效果分析
表3-1流量计算
参数
单位
符号
初始参数
运行8小时后
吹灰后
烟气温度
℃
t
95
103
91
烟气动压
Pa
Pd
290
235
300
毕托管系数
Kp
0.81
0.81
0.81
烟道烟气流速
m/s
u
20.11
18.29
20.34
烟道烟气校核流速
m/s
u
19.92
18.12
20.15
烟道直径
m
D
0.154
0.154
0.154
烟道流通面积
m2
A
0.018
0.018
0.018
烟气流量
m3/h
V
1347.83
1226.42
1363.40
烟气比重
kg/m3
ρ
0.96
0.94
0.97
烟气标况流量
Nm3/h
Vo
999.88
890.46
1022.55
烟气校核标况流量
Nm3/h
Vo
998.64
889.49
1021.19
管内烟气流速
m/s
36.50
33.21
36.93
上述数据可以得知,运行后,管内开始积灰,烟气流量减小;8小时运行后,堵塞不是很严重;吹灰后,烟气流量恢复实验前的状态,吹灰效果理想。
四.热工分析
.1分析目的
随着换热设备运行时间增加,积灰严重,分析实际
值变化,并总结出热有效系数
。
4.2结构计算
名称
符号
单位
计算公式/数据来源
数值
受热管内径
dn
m
设计给定
0.043
管长
l
m
设计给定
6
管根数
n
设计给定
7
受热面积
H
㎡
2.84
烟气流通面积
S
㎡
0.01
4.3数值分析
测出不同工况下烟气流速,锅炉进出口烟气温度,从而计算出理论对流换热系数。
计算公式为:
式中
----烟气导热系数;
d----受热管内径;
----烟气流速;
----烟气运动粘度;
----烟气普朗特常数。
系统运行稳定后,记录测试数据:
烟气进口温度t1、烟气出口温度t2、烟气出口流速
、冷却水流量Q水、冷却水进口温度tl1、冷却水出口温度tl2
单位时间传热量可以由以下公式表示;
实际换热系数k
根据公式换热公式
,计算实际换热系数k;
,kW/(m2℃);
Δt为对数平均温差,
;
有效系数
表4-1数值计算
名称
符号
单位
数值
1
2
3
4
5
6
7
8
吹灰后
入口烟气温度
t1
℃
200
200.00
200.00
200.00
200.00
200.00
200.00
200.00
200.00
出口烟气温度
t2
℃
97.80
98.70
100.70
110.80
112.30
111.80
116.80
116.70
98.20
平均烟气温度
t
℃
148.90
149.35
150.35
155.40
156.15
155.90
158.40
158.35
149.10
烟气导热系数
W/㎡℃
0.036
0.036
0.036
0.036
0.036
0.036
0.036
0.036
0.036
烟气粘度
2.68E-05
2.68E-05
2.69E-05
2.75E-05
2.76E-05
2.75E-05
2.78E-05
2.78E-05
2.68E-05
普朗特常数
0.68
0.68
0.68
0.68
0.68
0.68
0.68
0.68
0.68
管内径
dn
m
0.043
0.043
0.043
0.043
0.043
0.043
0.043
0.043
0.043
平均烟气流速
m/s
35
35
35
35
35
35
35
35
35
对流传热系数
kl
W/㎡℃
105.74
105.70
105.63
105.24
105.18
105.20
105.02
105.02
105.72
入口水温
tl1
℃
21.8
21.8
20.9
21.3
21.5
21.8
21.2
21.2
21.4
出口水温
tl2
℃
31.8
31.8
30.5
30.4
29.7
29.8
28.6
29.3
31.4
水流量
Q水
T/H
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
水比热容
Cs
KJ/℃
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
传热量
q
KJ
24.27
24.27
23.30
22.08
19.90
19.41
17.96
19.66
24.27
最大温差
℃
168.20
168.20
169.50
169.60
170.30
170.20
171.40
170.70
168.60
最小温差
℃
76.00
76.90
79.80
89.50
90.80
90.00
95.60
95.50
76.80
平均温差
℃
116.06
116.66
119.07
125.31
126.41
125.87
129.83
129.48
116.75
受热面积
H
㎡
2.84
2.84
2.84
2.84
2.84
2.84
2.84
2.84
2.84
实际传热系数
k
W/㎡℃
73.62
73.25
68.89
62.05
55.43
54.31
48.70
53.45
73.19
有效系数
0.70
0.69
0.65
0.59
0.53
0.52
0.46
0.51
0.69
图4-1传热系数k变化曲线
随着积灰厚度的增加,传热系数减少,8小时运行后,传热系数从开始的73.62降低至53.45,降幅达28%;吹灰后,这一数值回到73.19,基本恢复到初始状态。
在烟气流速约35m的情况下,传热系数数值拟合曲线公式为:
k=78.049-3.7415t
式中:
t----运行时间,单位小时。
图4-2有效系数
变化曲线
同传热系一样,有效系数随运行时间急剧减小,8小时运行后,从0.7降低至0.52,降幅同样达28%,吹灰后,这一数值恢复接近初始状态0.69。
传热有效系数拟合曲线公式为:
=0.7377-0.0349t
式中:
t----运行时间,单位小时。
五.总结
5.1积灰测试总结
●积灰情况存在,换热面始终存在积灰。
●吹灰器的使用能有效降低积灰厚度。
5.2热工测试总结
●随积厚度增加,传热效率降低,8小时运行后,传热系数降低约28%。
工程设计时,换热面热有效系数可取0.6~0.7。
●每4小时吹灰一次,可有效减低烟气粉尘对换热设备的影响,保证传热效果。
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- 冶金 烟气 粉尘 对换 热管 传热 影响