大型多管冷卻器的研制與應(yīng)用

　　多管冷卻器是利用風(fēng)管表面散熱的原理，通過(guò)管內(nèi)高溫?zé)煔馀c管外空氣的熱交換達(dá)到管內(nèi)煙氣降溫的目的。多管冷卻器分為自然對(duì)流風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷兩種方式。自然對(duì)流風(fēng)冷方式的冷空氣流速低、熱交換效果不明顯。若想降溫效果好，則安裝的熱交換器的體積會(huì)比較龐大，投資費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增高，難于滿(mǎn)足要求。強(qiáng)制風(fēng)冷方式將自然對(duì)流速度從2～3m/s提高至10m/s以上，大大提高了散熱效果，減小了熱交換器的體積。

　　前幾年，國(guó)內(nèi)1500～2200t/d水泥生產(chǎn)線多采用強(qiáng)制風(fēng)冷的多管冷卻器，為了適應(yīng)更大規(guī)模水泥企業(yè)的發(fā)展，研制6000t/d及以上大型篦冷機(jī)出口余風(fēng)冷卻器是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中聯(lián)青州水泥有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)青州公司）對(duì)大型多管冷卻器的成功使用，為大型水泥企業(yè)篦冷機(jī)煙氣使用袋收塵器奠定了基礎(chǔ)。青州公司大型多管冷卻器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)右表。

　　多管冷卻器工作原理
　　篦冷機(jī)產(chǎn)生的廢氣有量大、溫度高且波動(dòng)范圍廣等特點(diǎn)，溫度一般在290～360℃，瞬時(shí)溫度可達(dá)450℃；煙氣粉塵濃度為10～30g/m³，出黃料時(shí)可達(dá)80g/m³；粉塵顆粒硬度大、比電阻高。

　　從篦冷機(jī)出來(lái)的高溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)入換熱器上部的集氣箱，集氣箱分為3個(gè)單元，每個(gè)單元供應(yīng)2個(gè)模塊，進(jìn)入3個(gè)單元的煙氣分別進(jìn)入6個(gè)模塊的列管中，每個(gè)模塊由若干個(gè)無(wú)縫鋼管的管束組成。高溫?zé)煔膺M(jìn)入管束內(nèi)部，大型軸流風(fēng)機(jī)吹入的冷風(fēng)與管束相互垂直，強(qiáng)制冷風(fēng)在冷卻管外表面使列管迅速降溫，以達(dá)到冷卻管內(nèi)高溫?zé)煔獾哪康摹＠鋮s后的煙氣進(jìn)入灰斗，大顆粒粉塵落入拉鏈機(jī)輸出，其余煙氣（130℃左右）經(jīng)灰斗出口排出后，進(jìn)入窯頭袋除塵器。

　　青州公司多管冷卻器的設(shè)計(jì)
　　換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于青州公司換熱器的處理風(fēng)量較大，散熱面積達(dá)5500平方米，考慮到運(yùn)輸、安裝等原因，換熱器主體分為6個(gè)模塊設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊由4根立柱組成一個(gè)框架，在設(shè)計(jì)管板和管束時(shí)，應(yīng)充分考慮熱膨脹。工作管束高寬比為3，管板和管束成一整體，高度方向設(shè)計(jì)成完全自由膨脹，此方向的熱膨脹量最大。冷卻管口處磨損最為嚴(yán)重，為此設(shè)計(jì)一耐磨短管，當(dāng)管束出現(xiàn)磨損時(shí)可插入耐磨短管，不影響整個(gè)管束的使用壽命?；蛟谶\(yùn)行初期直接加入耐磨短管，這樣更換短管也較為方便?？紤]到制作的難易及成本，短管的材質(zhì)可用高錳鋼管代替高鉻鑄鋼。

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免受迫振動(dòng)頻率f與管子的固有頻率f0由于接近相等而出現(xiàn)的共振現(xiàn)象（f/f0<1)。如果f>f0，則冷卻器振動(dòng)嚴(yán)重，無(wú)法正常使用。為了解決這一問(wèn)題，冷卻管的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。當(dāng)冷卻管長(zhǎng)度為11000～12000mm時(shí)，應(yīng)將管束長(zhǎng)度控制在6000mm以?xún)?nèi)，并用管板隔開(kāi)。管板和管子之間密閉焊接，考慮到熱膨脹效應(yīng)，管板和立柱及橫梁之間應(yīng)留有一定的間隙。支座模塊與現(xiàn)場(chǎng)混凝土框架采用活動(dòng)連接。
                                                 
       
　　管程。通常把氣流從一端流進(jìn)管子里，經(jīng)另一端流出稱(chēng)之為單管程?？紤]到流速、阻力、換熱管排布及安裝等因素，青州公司大型多管冷卻器的管程設(shè)計(jì)采用單管程形式。

　　管子類(lèi)型。換熱管多采用冷拔無(wú)縫鋼管。根據(jù)青州公司的情況，設(shè)計(jì)人員選擇使用45號(hào)鋼管。雖然采用翅片鋼管或螺紋管的冷卻效果可能會(huì)更好，但其制作工藝復(fù)雜，安裝繁瑣，且通過(guò)計(jì)算，鋼管冷卻即可滿(mǎn)足要求。管徑越小的換熱器結(jié)構(gòu)越緊湊，價(jià)格越低，但是管徑越小的換熱器壓降也越大。因?yàn)閴航岛退俣鹊钠椒匠烧龋凸茏觾?nèi)徑成反比，所以在滿(mǎn)足允許壓降的情況下選用45號(hào)鋼管。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，冷卻管進(jìn)風(fēng)口的流速為7.9m/s、溫度為311.9℃、動(dòng)壓為27Pa、靜壓為1200Pa，出風(fēng)口的流速為14.5m/s、溫度為132.1℃、動(dòng)壓為130Pa、靜壓1500Pa，冷卻管束阻力為300Pa。

　　管長(zhǎng)。在相同的散熱面積下，采用長(zhǎng)管則流動(dòng)截面積小、流速略大、管程數(shù)少、煙氣在冷卻管內(nèi)沒(méi)有回彎次數(shù)，因而壓降也較小，但是管子過(guò)長(zhǎng)給防振動(dòng)、安裝及制造帶來(lái)了困難。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員選取了L1=5985mm、L2=5470mm兩種規(guī)格。

　　冷卻管排列。管束的排列通常有順排和叉排兩種方式。橫向中心距a=S1/D，縱向中心距b=S2/D，a/b值大則流動(dòng)性好，但b值過(guò)小，縱向散熱效果差，尤其對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷來(lái)說(shuō)。若采取圖3中Ⅱ的排列方式，則強(qiáng)制風(fēng)冷器換熱管干擾較嚴(yán)重，故設(shè)計(jì)采用Ⅰ的順排方法，a/b=1.2，使用實(shí)踐證明，效果比較理想。

　　大型軸流風(fēng)機(jī)。通過(guò)計(jì)算，熱交換器空氣冷卻風(fēng)量為32萬(wàn)m3/h，風(fēng)壓為194Pa，軸流風(fēng)機(jī)的直徑應(yīng)為Ф3300mm。這種大型軸流風(fēng)機(jī)以前沒(méi)有在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)過(guò)，通過(guò)合肥水泥研究設(shè)計(jì)院與江蘇溧陽(yáng)風(fēng)機(jī)廠的聯(lián)合攻關(guān)，設(shè)備研制取得成功并得到應(yīng)用，滿(mǎn)足了冷卻器大風(fēng)量、低風(fēng)壓的要求。

　　控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括灰斗的輸灰（采用FU拉鏈機(jī)輸送粉塵）、卸灰（剛性葉輪給料機(jī)）及軸流風(fēng)機(jī)的變頻控制。變頻器采用ABBACS800-0040-3型，每臺(tái)變頻器控制3臺(tái)風(fēng)機(jī)，控制柜具有機(jī)旁手動(dòng)控制、機(jī)旁自動(dòng)控制及DCS自動(dòng)控制功能。根據(jù)降溫效果，可變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)電的目的。選擇開(kāi)關(guān)帶有遠(yuǎn)控、零位、機(jī)旁3個(gè)位置。在遠(yuǎn)控位置控制柜由工廠控制系統(tǒng)控制；在零位，機(jī)旁和遠(yuǎn)控均不能控制；在機(jī)旁位置，可以通過(guò)控制柜的功能按鈕操作。溫度控制采用溫度模塊控制，在冷卻器進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分設(shè)測(cè)溫點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)口溫度高于450℃時(shí)，控制器報(bào)警，冷風(fēng)閥打開(kāi)，進(jìn)風(fēng)口摻冷風(fēng)；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度低于300℃時(shí)，觀察出口溫度顯示，調(diào)停風(fēng)機(jī)。這些步驟均在中控室完成。

　　小結(jié)
　　2006年12月，設(shè)備經(jīng)安裝、調(diào)試，點(diǎn)火成功，一次性通入煙氣調(diào)試成功。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，經(jīng)測(cè)試，入口溫度保持在300℃左右，出口溫度保持在130℃左右，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從圖4中可以明顯看出，降溫效果明顯，符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)備運(yùn)行至今狀態(tài)良好，且延長(zhǎng)了濾袋的使用壽命。

　　通過(guò)大型多管冷卻器在青州公司6000t/d生產(chǎn)線的成功使用，證明采用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式是可行的。采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式，設(shè)備體積是采用自然風(fēng)冷方式設(shè)備體積的1/8?？紤]到多管冷卻器熱脹冷縮的要求，采取三維方向均能活動(dòng)的方式，吸收由熱脹冷縮而產(chǎn)生的變形。大型軸流風(fēng)機(jī)和多管冷卻器本體之間采用柔性連接，有效地防止了因熱脹冷縮引起的風(fēng)機(jī)與冷卻器本體之間產(chǎn)生的變形，克服了因風(fēng)機(jī)振動(dòng)對(duì)多管冷卻器正常運(yùn)行的影響。