大型多管冷却器的研制与应用

　　多管冷却器是利用风管表面散热的原理，通过管内高温烟气与管外空气的热交换达到管内烟气降温的目的。多管冷却器分为自然对流风冷与强制风冷两种方式。自然对流风冷方式的冷空气流速低、热交换效果不明显。若想降温效果好，则安装的热交换器的体积会比较庞大，投资费用也会相应增高，难于满足要求。强制风冷方式将自然对流速度从2～3m/s提高至10m/s以上，大大提高了散热效果，减小了热交换器的体积。

　　前几年，国内1500～2200t/d水泥生产线多采用强制风冷的多管冷却器，为了适应更大规模水泥企业的发展，研制6000t/d及以上大型篦冷机出口余风冷却器是技术发展的必然趋势。中联青州水泥有限公司（以下简称青州公司）对大型多管冷却器的成功使用，为大型水泥企业篦冷机烟气使用袋收尘器奠定了基础。青州公司大型多管冷却器的主要设计参数见右表。

　　多管冷却器工作原理
　　篦冷机产生的废气有量大、温度高且波动范围广等特点，温度一般在290～360℃，瞬时温度可达450℃；烟气粉尘浓度为10～30g/m³，出黄料时可达80g/m³；粉尘颗粒硬度大、比电阻高。

　　从篦冷机出来的高温烟气首先进入换热器上部的集气箱，集气箱分为3个单元，每个单元供应2个模块，进入3个单元的烟气分别进入6个模块的列管中，每个模块由若干个无缝钢管的管束组成。高温烟气进入管束内部，大型轴流风机吹入的冷风与管束相互垂直，强制冷风在冷却管外表面使列管迅速降温，以达到冷却管内高温烟气的目的。冷却后的烟气进入灰斗，大颗粒粉尘落入拉链机输出，其余烟气（130℃左右）经灰斗出口排出后，进入窑头袋除尘器。

　　青州公司多管冷却器的设计
　　换热器结构设计。由于青州公司换热器的处理风量较大，散热面积达5500平方米，考虑到运输、安装等原因，换热器主体分为6个模块设计，每一个模块由4根立柱组成一个框架，在设计管板和管束时，应充分考虑热膨胀。工作管束高宽比为3，管板和管束成一整体，高度方向设计成完全自由膨胀，此方向的热膨胀量最大。冷却管口处磨损最为严重，为此设计一耐磨短管，当管束出现磨损时可插入耐磨短管，不影响整个管束的使用寿命。或在运行初期直接加入耐磨短管，这样更换短管也较为方便。考虑到制作的难易及成本，短管的材质可用高锰钢管代替高铬铸钢。

　　在结构设计中，应尽量避免受迫振动频率f与管子的固有频率f0由于接近相等而出现的共振现象（f/f0<1)。如果f>f0，则冷却器振动严重，无法正常使用。为了解决这一问题，冷却管的长度不能太长。当冷却管长度为11000～12000mm时，应将管束长度控制在6000mm以内，并用管板隔开。管板和管子之间密闭焊接，考虑到热膨胀效应，管板和立柱及横梁之间应留有一定的间隙。支座模块与现场混凝土框架采用活动连接。
                                                 
       
　　管程。通常把气流从一端流进管子里，经另一端流出称之为单管程。考虑到流速、阻力、换热管排布及安装等因素，青州公司大型多管冷却器的管程设计采用单管程形式。

　　管子类型。换热管多采用冷拔无缝钢管。根据青州公司的情况，设计人员选择使用45号钢管。虽然采用翅片钢管或螺纹管的冷却效果可能会更好，但其制作工艺复杂，安装繁琐，且通过计算，钢管冷却即可满足要求。管径越小的换热器结构越紧凑，价格越低，但是管径越小的换热器压降也越大。因为压降和速度的平方成正比，和管子内径成反比，所以在满足允许压降的情况下选用45号钢管。经过实际测试，冷却管进风口的流速为7.9m/s、温度为311.9℃、动压为27Pa、静压为1200Pa，出风口的流速为14.5m/s、温度为132.1℃、动压为130Pa、静压1500Pa，冷却管束阻力为300Pa。

　　管长。在相同的散热面积下，采用长管则流动截面积小、流速略大、管程数少、烟气在冷却管内没有回弯次数，因而压降也较小，但是管子过长给防振动、安装及制造带来了困难。在设计时，设计人员选取了L1=5985mm、L2=5470mm两种规格。

　　冷却管排列。管束的排列通常有顺排和叉排两种方式。横向中心距a=S1/D，纵向中心距b=S2/D，a/b值大则流动性好，但b值过小，纵向散热效果差，尤其对强制风冷来说。若采取图3中Ⅱ的排列方式，则强制风冷器换热管干扰较严重，故设计采用Ⅰ的顺排方法，a/b=1.2，使用实践证明，效果比较理想。

　　大型轴流风机。通过计算，热交换器空气冷却风量为32万m3/h，风压为194Pa，轴流风机的直径应为Ф3300mm。这种大型轴流风机以前没有在国内出现过，通过合肥水泥研究设计院与江苏溧阳风机厂的联合攻关，设备研制取得成功并得到应用，满足了冷却器大风量、低风压的要求。

　　控制系统。整个系统包括灰斗的输灰（采用FU拉链机输送粉尘）、卸灰（刚性叶轮给料机）及轴流风机的变频控制。变频器采用ABBACS800-0040-3型，每台变频器控制3台风机，控制柜具有机旁手动控制、机旁自动控制及DCS自动控制功能。根据降温效果，可变频风机转速，达到节电的目的。选择开关带有远控、零位、机旁3个位置。在远控位置控制柜由工厂控制系统控制；在零位，机旁和远控均不能控制；在机旁位置，可以通过控制柜的功能按钮操作。温度控制采用温度模块控制，在冷却器进风口和出风口分设测温点。当进口温度高于450℃时，控制器报警，冷风阀打开，进风口掺冷风；当进风口温度低于300℃时，观察出口温度显示，调停风机。这些步骤均在中控室完成。

　　小结
　　2006年12月，设备经安装、调试，点火成功，一次性通入烟气调试成功。系统正常运行后，经测试，入口温度保持在300℃左右，出口温度保持在130℃左右，完全达到设计要求。从图4中可以明显看出，降温效果明显，符合设计要求。设备运行至今状态良好，且延长了滤袋的使用寿命。

　　通过大型多管冷却器在青州公司6000t/d生产线的成功使用，证明采用模块化方式进行设计，现场组装的方式是可行的。采用强制风冷方式，设备体积是采用自然风冷方式设备体积的1/8。考虑到多管冷却器热胀冷缩的要求，采取三维方向均能活动的方式，吸收由热胀冷缩而产生的变形。大型轴流风机和多管冷却器本体之间采用柔性连接，有效地防止了因热胀冷缩引起的风机与冷却器本体之间产生的变形，克服了因风机振动对多管冷却器正常运行的影响。