专利名称：铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺的制作方法
技术领域：
本技术发明专利是关于铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，属于机械装 备工程中热交换专用设备的高效换热节能设备。具体可用于石油炼制与化工、煤化工、化 肥、空调、空冷、电力设施装备等等的热交换要求上，包括给介质加热或冷却等应用方式，特 别适合于石油化工加热炉的烟气余热回收设备，让助燃空气达到预热的目的。
背景技术：
加热炉烟气余热回收设备为管式(扰流子)、热管式、水热媒、板式、铸铁式等空气 预热器，它们各有特点，一般地，空气预热器的技术参数是1)空气侧最大流量彡8. Okg/s，燃气侧最大流量彡5. Okg/s ；2)空气侧最大压力(全压)彡0. 6MPa,燃气侧最大压力(全压)彡2. OMPa ；3)燃气侧最高温度彡650°C，燃气侧最低温度彡150°C。空气预热器在装置中的流程如图1所示，这里说明的是铸铁式翅片板空气预热
o(1)传统铸铁空气预热器的结构及功能铸铁式翅片板空气预热器的安装形式根据需要可自由确定，既可卧式、立式，也可 倾斜式安装，但是以卧式安装较多。如图2所示是一台(翅片)立式安装运行的空气预热 器，总体上是长方体形结构。参考示图2、图3和实物图4、图5，其基本结构是这种耐烟气低温腐蚀的高效空 气预热器，包括预热器壳体、弹性密封结构和铸铁翅片板形换热元件，铸铁翅片板由基板和 翅片组成，铸铁翅片板两两之间通过图5所示的螺栓紧固连接，其结构特征在于所述的换 热元件的材质为铸铁；基板采用平面型或波浪型；翅片是非连续的，其单个翅片的形状的 外轮廓可为矩形、或舌形、或扇形、或圆形、或针形，等等。横截面可为完全流纺锤线型、或部 分纺锤流线型、或扁弓型，等等。换热元件的翅片高度为8-80mm等高或不等高或混合高度 分布；翅片密度为5-110mm等高或不等距或混合间距分布；翅片厚度为2-8mm。换热元件的 翅片的排布为并列式，或交错式，或偏心交错式，等等。参考示图2、图3和实物图4、图5，其基本功能是尚带低温余热的烟气从顶部矩 形开口高速吸进空气预热器，经对翅片换热板放热后从空气预热器底部矩形开口被吸出。 而空气则的流程分为两程，从空气预热器右侧下半部的矩形开口高速压进，水平流到左侧 的矩形盖板后完成一程，然后90°转折沿着盖板向上流动，再90°转折后水平流到空气预 热器右侧上半部的矩形开口流出，完成第二程，在这两程中，空气从翅片换热板吸热。总的 是烟气自上而下流动，空气流动方向与烟气流动方向垂直。(2)传统铸铁空气预热器存在的问题冲刷腐蚀传统铸铁空气预热器存在的问题，除了烟气侧的露点腐蚀现象外，其进 口翅片还存在冲刷腐蚀的问题，如图6所示。根据现场检修观测报告和翅片断口新旧、断口 光滑程度综合分析判断，开始时冲蚀只是进口局部区域，随着最前锋的翅片被冲蚀，紧跟其后的翅片变成最前锋的翅片，这样使得被冲蚀的翅片范围从端口向内逐渐扩大。当较多的 翅片被冲蚀后，换热面积减少、气流扰动降低影响换热效果，降低加热炉的热效率。相对而言，空气侧的腐蚀和冲蚀现象较少。为了预防冲蚀，人们改良铸铁材质，直 接在钢水冶炼时添加耐磨元素成份，或者在铸件成品容易冲蚀的部位涂抹渗入耐磨元素成 份，但是成本上升却收效不大。特别是，硅元素虽然能提高耐腐蚀性，但是长期高温下容易 形成石墨化，降低了强度，其淬透性较小，很难通过热处理提高硬度。热变形开裂大尺寸翅片板铸铁件毛坯就存在翘弯等不平整的现象，强力装配使其 蕴藏有一定的内应力，如果叠加上空气预热器运行后热胀冷缩的热应力，就很容易使铸铁 翅片板变形，密封泄漏，换热效率降低，严重的则开裂，设备失效。如图所示。露点腐蚀在含硫烟气环境下，会产生硫酸低温露点腐蚀，当温度偏低，烟气中的水 气在器壁凝成水珠，溶解含硫杂质后变成硫酸，产生腐蚀。多年来空气预热器烟气侧进口段 冲刷腐蚀及低温段露点腐蚀问题是该设备长期运行的瓶颈。目前常用的空气预热器多为管 式(扰流子)、热管式、水热媒、板式、铸铁式等，由于换热部件的材质多为各钢厂的成熟产 品，其耐露点腐蚀能力有限。关于各种空气预热器的露点腐蚀现象；除板式空气预热器外， 其他结构形式的空气预热器还存在换热效率低的问题。板式空气预热器虽然换热效率高， 但其对燃料的要求非常高。由于冲刷腐蚀和热变形开裂引起的加热炉热效率降低，可能使 得低温段的温度更低，更容易引起露点腐蚀，形成恶性循环。目前国内的ND钢(09CrCuSb) 有较好的抗硫酸低温露点腐蚀能力，但材料成本较高。传统铸铁式翅片板空气预热器存在的问题也是其他形式的空气预热器或多或少 存在的问题，由此可见，结合其存在的问题进行改进，具有很强的工程意义。(3)改善传统铸铁空气预热器的技术思路分析烟气侧翅片各种腐蚀和失效的作用机理，不同现象是既有区别有相连的问 题，露点腐蚀主要是烟气中硫化氢类杂质在翅片根部应力集中处引起的应力腐蚀开裂断 裂，冲刷腐蚀主要是硬颗粒对低硬度铸铁疏松组织的物理冲刷，但是该物理过程主要由运 行操作引起。而热变形开裂虽然也是一个物理过程，但除与运行操作有关外，还与产品的强 制密封形式有关，而后两种失效也与材料及结构强度有关，需从制造工艺上解决。对此，应 分别采取不同的技术思路。通过设计新的流道改善流态，强化空气与高温烟气的传热，优化换热，充分降低烟 气温度，节省燃料消耗。通过优化结构设计，减小烟气侧和空气侧各种腐蚀和动能消耗，减换其突然冲击 的损伤。通过改进翅片换热板的制造工艺，使翅片板铸造组织紧密结实，降低翅片根部的 应力集中和整块换热板的残余应力，提高翅片板的表面平滑光洁度，延缓烟气酸露点的腐 蚀，延长换热设备的使用寿命。
发明内容
本发明是关于一种耐烟气冲蚀的高效空气预热器及其关键工艺，该预热器还可减 缓热应力开裂、应力腐蚀开裂、冲刷腐蚀以及变形密封泄漏等失效。其基本结构包括预热 器壳体、弹性密封结构和铸铁翅片板形换热元件，铸铁翅片板由基板和翅片组成，其结构特征在于所述的换热元件的材质为铸铁；基板采用平面型或波浪型；翅片是非连续的，其单 个翅片的形状的外轮廓可为矩形、或舌形、或扇形、或圆形、或针形，等等；横截面可为完全 流纺锤线型、或部分纺锤流线型、或扁弓型，等等；换热元件的翅片高度为8-80mm等高或 不等高或混合高度分布；翅片密度为5-110mm等高或不等距或混合间距分布；翅片厚度为 2_8mm。换热元件的翅片的排布为并列式，或交错式，或偏心交错式，等等。其主要特征是 烟气进口端填充有多功能的海绵型金属，两流程之间通过主副密封及辅助密封形成一套高 弹性的密封系统。进一步具体说明其特征如下(1)烟气和空气两流程的外壳虽然是矩形结构，但是截面内的流道不是完全的矩 形结构，具体地说近似矩形的流道其四个角不是尖锐的90°角，而是图4和图7所示带有明 显圆弧的转角，一般地说其圆弧不小于20mm，既避免应力集中，又改善气体流态。(2)如示意图7和实物图8、图9所示，烟气进口端局部区域填充海绵型金属碎硝 或金属纤维团1，以保护翅片免受高温烟气的冲刷腐蚀，并阻拦烟气中的颗粒杂质。这些海 绵型金属碎硝或金属纤维的大小粗细由具体设计确定，特别细的金属碎硝可以包裹在金属 丝网中，大的金属碎硝可以直接散填在翅片之间，图8所示大的金属纤维可以直接横向或 纵向摆填在翅片之间，图9所示特别细的金属纤维可以揉成团状塞填在翅片之间。海绵型 金属相当于无数密排的针翅，显著地增加了换热面积。由于进口端是非圆形结构，海绵型金 属还具有均勻分布进口气流的作用。为方便更换清洗，这些海绵型金属还可以设置成盒装 结构或压缩成图10所示的块状结构。金属纤维本来是机械加工中金属切削出来的铁屑，一般是螺旋卷起的条状，长短 不一，原来都是把这种铁屑压缩压实成块后再作为炼钢的配料回炉使用，在这里变废为宝， 降低了新技术的实施成本。(3)还是如图7所示，铸铁翅片板之间的周边密封是一套高弹性的主双密封2、副 密封3和辅助密封4复合系统，通过凹凸槽及其填充的膨胀石墨条主密封分隔烟气和空气 两种介质，石墨条可随热膨胀，在动态运行中保持密封压力，凹凸面副蜜封起到保护主密封 的作用，联接密封的螺栓螺母副5增加了弹性垫片6，进一步缓和热应力。辅助密封元件4 不是必须的，视具体情况而定。一般地说，对于翅片板面积大于1平方米的空气预热器，翅 片板面积的中间位置可设置若干滑动套筒支座，滑动套筒支座内可安放弹性元件，弹性元 件的总高度超出流道高度，翅片板层层叠叠组装后把弹性元件压住。大尺寸薄板铸铁件较 为脆弱，中间有了弹性元件的支持，提高了薄板形铸铁翅片板的刚度，减缓其受热挠性变形 或受突然冲击时的损伤。(4)烟气和空气两种介质的流程均是变截面流道结构。渐窄型流道适合烟气放 热降温后的收缩，渐窄而提升的流速可以弥补由于进口端填充金属阻碍作用引起的动能损 失；渐宽型流道适合空气吸热升温后的膨胀。渐窄型流道和渐宽型流道的结构起流通面积 增减的互补作用，使铸铁翅片板两侧烟气和空气两种介质的流程压力趋于平衡，铸铁翅片 板基本不会受到介质压力作用。流道截面大小主要通过翅片的高度、厚度、密度以及基板的 厚度来设计调节实现。(5)空气预热器较重，为防治气流冲击振动一般将其安装在地面，但是烟气来自近 二十米高的炉顶，因此其间的烟气道不一定是完全的横竖走向，为减少能耗而经常是流畅的斜弯方向，给接口的工程连接增加了难度。如图2所示，空气预热器的安装支架两侧具有 螺母丝杆调节结构，一方面调整整台空气预热器使其铸铁翅片板与水平成一小角度，方便 漏进的雨水或冲洗用水的排出，另一方面，方便安装时与前后气道的准确连接。(6)铸铁翅片板毛坯生产采取结实工艺和精密加工工艺。首先，科学设计木模和沙 模，合理布置浇铸口和帽口 ；其次，在浇铸过程中不是静止浇铸，而是振动浇铸，也就是说在 浇铸的同时适当机械振动铸造模，使钢水充分流动和密集；第三，对铸铁翅片板毛坯进行表 面喷丸冲击压实处理；最后，铸铁翅片板之间的凹凸密封槽在其毛坯退火热处理消除应力， 以减少凹凸密封槽的变形，再进行精密机械加工，以提高配合精度。此外，在产品使用说明书中明确提出限制空气预热器弹性操作的参数范围和频 率，避免反复变化工艺参数造成密封系统的波动松弛。传统空气预热器已在各种炼油、化工、化肥装置中广泛长久地应用，并且产生了巨 大的经济效益。本专利技术可用于炼油厂新建或改造的各类装置的烟气预热回收系统中， 其新的结构原理及制造技术能全面克服传统设备的许多缺点，有效延长单体设备的使用周 期，减少检修与维护费用，将为各类装置加热炉部分节能降耗起到很好的效果，必将也产生 显著的经济效益。近几年来，随着原油劣质化及能源危机，国家加强对节能减排的管理，企 业在挖潜增效中对高效换热新技术及其应用非常重视，这为该项专利技术的应用提供了很 好的条件。
图1所示的是石油化工加热炉的流程示意图，空气预热器安装在地面。图2所示是铸铁空气预热器的外观流程示意图，烟气自上而下流动，空气流动方 向与烟气流动方向垂直。图3所示是图2的铸铁空气预热器截面内部的流程示意图，两侧流程均是多路分 散后再并联的方式。图4所示是一组铸铁翅片板模拟件实物图，仅用于铸造试验研究。细部结构包括 1基板，2翅片，3烟气流道，4空气流道，5密封结构，6圆弧转角。图5所示是多组铸铁翅片板模块上下叠装在一起实物图，仅用于密封试验研究。 细部结构包括1螺栓螺母，2密封面，3翅片，4基板，标记5指出翅片板中间已出现可见的轻 微变形。图6所示是一块铸铁翅片板实物图，安装在进口一端的大部分翅片已被冲蚀，并 且冲蚀断裂的翅片并不均勻，说明气流进入端口段时，其流态分布是不均勻的。图7所示是应力腐蚀断裂的两件碎块，从碎块的形态可判断其所在位置是周边靠 近螺栓密封处，既强制密封的最大应力处所在。图8所示是本发明专利的主要特征示意图，包括1海棉金属，2主密封，3副密封，4 弹性元件，5螺栓螺母，6弹性垫片，7圆弧转角，8基板，9翅片。图9所示是较粗大的3条金属丝1直接横向摆填在翅片2之间。图10所示是一金属丝纤维长方体形，由金属丝纤维团压缩而成，适合于独立安装 在空气预热器的烟气进口。图11所示是一种特别细长柔软的金属丝纤维团，适合于填塞在翅片之间。
图12所示是一种细而短的金属丝纤维团，适合于填塞在翅片之间，也适合于制成 图10所示的金属丝纤维长方体形。图13所示是一种细而长的弯曲金属丝纤维团，适合于填塞在翅片之间，也适合于 制成图10所示的金属丝纤维长方体形。
图14所示是一种粗而长的弯曲金属丝纤维团，适合于条状摆设在翅片之间。图15所示是一种细而长且螺旋盘卷的金属丝纤维团，适合于条状摆设在翅片之 间。
具体实施例方式与传统的铸铁空气预热器相比，结构设计的改变较大且是都十分关键，制造工艺 技术的优化则是本发明不可缺少的部分，下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的说 明，但是本发明的实施方式不限于此。实施例1首先，按传统的生产方式制造单块铸铁翅片板，注意保证各转弯圆角半径。其次，对单块铸铁翅片板进行退火热处理，以消除其内部因铸造冷缺不均引起的 残余应力。第三，对单块铸铁翅片板进行表面喷丸压实处理，提高表面硬度，以耐冲刷磨蚀。 注意控制喷压力度，以免击伤或撞断翅片。第四，对单块铸铁翅片板进行密封面精加工，提高配合精度，以防泄漏。第五，组装一对铸铁翅片板，在专门设置的工装上进行本体的渗头性检测，对密封 面进行气密试验，合格后进行常温静态耐压试验，最后进行模拟高温工况的动态试验。第六，由专门工艺生产金属纤维。金属纤维就是机械加工中金属切削出来的铁硝， 纤维的形状粗细及长短弯直与车削加工时车刀的进给速度等几个因素有关，可在加工中控 制。图10至图14从细到粗分别展示了五种金属纤维团。第七，在专门设置的工装上对组装的海绵金属纤维团进行高温气流冲刷试验，按 设计规定检测海绵金属纤维团被压缩变形应可回弹，体积缩小不大于原来的10%为。第八，在进口端的一对铸铁翅片板上填装金属纤维屑，金属纤维屑的材质及其形 状的粗细长短弯直，应根据翅片的高度密度由设计选定第九，组装铸铁空气预热器整体，如果预热器如图5那样由很多层面积较大的翅 片板叠装成，应注意到从最底部到最顶部的各块翅片板其所受上面重力对密封的影响，为 保持密封的适当弹性，螺栓力应区别对待。组装完成后在专门设置的工装上进行设备本体 和密封面的气密试验。实施例2本实施例除以下技术特征外，其他部分同实施例1 实施例1中第八步的“填装金 属纤维屑”改为“组装海绵金属纤维团”，也就是把铁屑压缩压实成块后再使用。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，例如，把机械加工中金属切削出来的金属纤维铁屑出于防冲刷或均勻气流的目的而 应用于图15所示结构相近的板式换热器上，或应用于其他设备或管道上。总之，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，该预热器可以减缓热应力开裂、应力腐蚀开裂、烟气冲刷腐蚀以及变形密封泄漏等失效。其基本结构包括预热器壳体、高弹性密封系统和铸铁翅片板形换热元件，铸铁翅片板由基板和翅片组成，具体描述的换热元件的材质为铸铁；基板采用平面型或波浪型；翅片是非连续的，其单个翅片的形状的外轮廓可为矩形、或舌形、或扇形、或圆形、或针形，等等；横截面可为完全流纺锤线型、或部分纺锤流线型、或扁弓型，等等；换热元件的翅片高度为8-80mm等高或不等高或混合高度分布；翅片密度为5-110mm等高或不等距或混合间距分布；翅片厚度为2-8mm。换热元件的翅片的排布为并列式，或交错式，或偏心交错式，等等。其主要特征是烟气进口端填充有多功能的海绵型金属，两流程之间通过主副密封及辅助密封形成一套高弹性的三重复合密封系统。
2.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是烟气和空气两 流程的外壳虽然是矩形结构，但是截面内的流道不是完全的矩形结构，具体地说近似矩形 的流道其四个角不是尖锐的90°角，而是带有明显圆弧的转角，一般地说其圆弧不小于 20_，既避免应力集中，又改善气体流态。
3.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是铸铁翅片板之间 的周边密封是一套高弹性的主副双密封系统，通过凹凸槽、槽底的波浪型弹性金属薄片及 其填充的膨胀石墨条主密封分隔烟气和空气两种介质，凹凸面副蜜封起到保护主密封的作 用，联接密封的螺栓螺母副增加了弹簧垫片，进一步缓和热应力。
4.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是高弹性密封系统 还包括辅助密封元件，对于翅片板面积大于1平方米的空气预热器，翅片板面积的中间位 置可设置若干滑动套筒支座，滑动套筒内可安放弹性元件，弹性元件的自由高度超出翅片 顶部，翅片板层层叠叠组装后把弹性元件压住，中间有耐高温弹性元件的支持，提高了薄板 形铸铁翅片板的刚度，减缓其受热挠性变形或受突然冲击时的损伤。
5.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是烟气进口端局部 区域填充海绵型金属碎硝或金属纤维团，以保护翅片免受高温烟气的冲刷腐蚀，并阻拦烟 气中的颗粒杂质。这些海绵型金属碎硝或金属纤维的大小粗细由具体设计确定，特别细的 金属碎硝可以包裹在金属丝网中，大的金属碎硝可以直接散填在翅片之间，特别细的金属 纤维可以揉成团状塞填在翅片之间，大的金属纤维可以直接横向或纵向摆填在翅片之间。 海绵型金属相当于无数密排的针翅，显著地增加了换热面积。由于进口端是非圆形结构，海 绵型金属还具有均勻分布进口气流的作用。为方便更换清洗，这些海绵型金属还可以设置 成盒装结构。
6.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是烟气和空气两种 介质的流程均是变截面流道结构。渐窄型流道适合烟气放热降温后的收缩，渐窄而提升的 流速可以弥补由于进口端填充金属阻碍作用引起的动能损失；渐宽型流道适合空气吸热升 温后的膨胀。渐窄型流道和渐宽型流道的结构起流通面积增减的互补作用，使铸铁翅片板 两侧烟气和空气两种介质的流程压力趋于平衡，铸铁翅片板基本不会受到介质压力作用。
7.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是铸铁翅片板毛坯 生产采取结实工艺。一方面，在浇铸过程中不是静止浇铸，而是振动浇铸，也就是说在浇铸 的同时适当机械振动铸造模，使钢水充分流动和密集；另一方面，对铸铁翅片板毛坯进行表面喷丸冲击压实处理。
8.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是铸铁翅片板之间 的凹凸密封槽在其毛坯退火热处理消除应力后，再进行精密机械加工，以提高配合精度。
9.关于一种铸铁空气预热器的防失效结构及其关键工艺，其特征是空气预热器的安 装支架两侧具有螺母丝杆调节结构，一方面调整整台空气预热器使其铸铁翅片板与水平成 一小角度，方便漏进的雨水或冲洗用水的排出，另一方面，方便安装时与前后气道的准确连 接。
全文摘要
本发明是铸铁空气预热器的防失效结构及关键工艺，可减缓热应力开裂、应力腐蚀开裂、冲刷腐蚀和变形密封泄漏等失效。主体结构有壳体、弹性密封系统和铸铁翅片板换热元件。其特征是烟气进口端填充海绵型金属丝扩大换热面积、保护翅片免受烟气冲蚀、阻拦烟气中的颗粒杂质、均匀进口气流、方便更换清洗；两流程之间的主密封由凹凸槽、槽底的波浪型弹性金属薄片及槽内填充的受热膨胀条组成，另设平面副密封及翅片板中间的滑动套筒辅助密封形成一套高弹性耐波动复合密封系统；两流程增减互补的渐变面积型流道使翅片板两侧压力趋于平衡并保持动能；流道周边的圆弧转角和翅片板的制造工艺提高其耐热变形开裂和耐冲蚀的性能。新产品更适合加热炉空气预热。
文档编号F23L15/00GK101858604SQ20091012997
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者陈孙艺 申请人:茂名重力石化机械制造有限公司