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，通過管內(nèi)高溫?zé)煔馀c管外空氣的熱交換達到管內(nèi)煙氣降溫的目的。多管冷卻器分為自然對流風(fēng)冷與強制風(fēng)冷兩種方式。自然對流風(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比較龐大，投資費用也會相應(yīng)增高，難于滿足要求。強制風(fēng)冷方式將自然對流速度從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，國內(nèi)1500～2200t/d水泥生產(chǎn)線多采用強制風(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及以上大型篦冷機出口余風(fēng)冷卻器是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。中聯(lián)青州水泥有限公司（以下簡稱青州公司）對大型多管冷卻器的成功使用，為大型水泥企業(yè)篦冷機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)計參數(shù)見右表。

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

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

　　青州公司多管冷卻器的設(shè)計
　　換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于青州公司換熱器的處理風(fēng)量較大，散熱面積達5500平方米，考慮到運輸、安裝等原因，換熱器主體分為6個模塊設(shè)計，每一個模塊由4根立柱組成一個框架，在設(shè)計管板和管束時，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重，為此設(shè)計一耐磨短管，當(dāng)管束出現(xiàn)磨損時可插入耐磨短管，不影響整個管束的使用壽命?；蛟谶\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)計中，應(yīng)盡量避免受迫振動頻率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，則冷卻器振動嚴重，無法正常使用。為了解決這一問題，冷卻管的長度不能太長。當(dāng)冷卻管長度為11000～12000mm時，應(yīng)將管束長度控制在6000mm以內(nèi)，并用管板隔開。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)場混凝土框架采用活動連接。
                                                 
       
　　管程。通常把氣流從一端流進管子里，經(jīng)另一端流出稱之為單管程?？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)計采用單管程形式。

　　管子類型。換熱管多采用冷拔無縫鋼管。根據(jù)青州公司的情況，設(shè)計人員選擇使用45號鋼管。雖然采用翅片鋼管或螺紋管的冷卻效果可能會更好，但其制作工藝復(fù)雜，安裝繁瑣，且通過計算，鋼管冷卻即可滿足要求。管徑越小的換熱器結(jié)構(gòu)越緊湊，價格越低，但是管徑越小的換熱器壓降也越大。因為壓降和速度的平方成正比，和管子內(nèi)徑成反比，所以在滿足允許壓降的情況下選用45號鋼管。經(jīng)過實際測試，冷卻管進風(fēng)口的流速為7.9m/s、溫度為311.9℃、動壓為27Pa、靜壓為1200Pa，出風(fēng)口的流速為14.5m/s、溫度為132.1℃、動壓為130Pa、靜壓1500Pa，冷卻管束阻力為300Pa。

　　管長。在相同的散熱面積下，采用長管則流動截面積小、流速略大、管程數(shù)少、煙氣在冷卻管內(nèi)沒有回彎次數(shù)，因而壓降也較小，但是管子過長給防振動、安裝及制造帶來了困難。在設(shè)計時，設(shè)計人員選取了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值大則流動性好，但b值過小，縱向散熱效果差，尤其對強制風(fēng)冷來說。若采取圖3中Ⅱ的排列方式，則強制風(fēng)冷器換熱管干擾較嚴重，故設(shè)計采用Ⅰ的順排方法，a/b=1.2，使用實踐證明，效果比較理想。

　　大型軸流風(fēng)機。通過計算，熱交換器空氣冷卻風(fēng)量為32萬m3/h，風(fēng)壓為194Pa，軸流風(fēng)機的直徑應(yīng)為Ф3300mm。這種大型軸流風(fēng)機以前沒有在國內(nèi)出現(xiàn)過，通過合肥水泥研究設(shè)計院與江蘇溧陽風(fēng)機廠的聯(lián)合攻關(guān)，設(shè)備研制取得成功并得到應(yīng)用，滿足了冷卻器大風(fēng)量、低風(fēng)壓的要求。

　　控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括灰斗的輸灰（采用FU拉鏈機輸送粉塵）、卸灰（剛性葉輪給料機）及軸流風(fēng)機的變頻控制。變頻器采用ABBACS800-0040-3型，每臺變頻器控制3臺風(fēng)機，控制柜具有機旁手動控制、機旁自動控制及DCS自動控制功能。根據(jù)降溫效果，可變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)電的目的。選擇開關(guān)帶有遠控、零位、機旁3個位置。在遠控位置控制柜由工廠控制系統(tǒng)控制；在零位，機旁和遠控均不能控制；在機旁位置，可以通過控制柜的功能按鈕操作。溫度控制采用溫度模塊控制，在冷卻器進風(fēng)口和出風(fēng)口分設(shè)測溫點。當(dāng)進口溫度高于450℃時，控制器報警，冷風(fēng)閥打開，進風(fēng)口摻冷風(fēng)；當(dāng)進風(fēng)口溫度低于300℃時，觀察出口溫度顯示，調(diào)停風(fēng)機。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，點火成功，一次性通入煙氣調(diào)試成功。系統(tǒng)正常運行后，經(jīng)測試，入口溫度保持在300℃左右，出口溫度保持在130℃左右，完全達到設(shè)計要求。從圖4中可以明顯看出，降溫效果明顯，符合設(shè)計要求。設(shè)備運行至今狀態(tài)良好，且延長了濾袋的使用壽命。

　　通過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行設(shè)計，現(xiàn)場組裝的方式是可行的。采用強制風(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。考慮到多管冷卻器熱脹冷縮的要求，采取三維方向均能活動的方式，吸收由熱脹冷縮而產(chǎn)生的變形。大型軸流風(fēng)機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)機與冷卻器本體之間產(chǎn)生的變形，克服了因風(fēng)機振動對多管冷卻器正常運行的影響。