第三节 空气预热器
一、空气预热器的作用和类型
空气预热器是利用锅炉尾部烟道烟气余热来加热燃料燃烧所需空气的一种热交换器。它是锅炉沿烟气流程的最末一级受热面，其主要作用是：
（1）利用空气吸收烟气热量，进一步降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。排烟温度每降低15℃，可使锅炉效率提高约1%。
（2）提高炉膛的温度水平，改善燃料的着火与燃烧条件，减少不完全燃烧损失，进一步提高锅炉热效率。空气温度每升高100℃，可使理论燃烧温度上升35～40℃。
（3）节约金属，降低造价。提高燃烧空气温度后，炉膛平均温度升高，强化了炉内辐射传热，在锅炉容量一定时，水冷壁可以布置得少一点。
（4）改善引风机的工作条件。由于排烟温度的降低，使引风机的工作温度和电耗降低，提高了其工作的可靠性和经济性。
（5）采用热风作干燥剂有利于制粉系统的正常工作。
按照传热方式，空气预热器可分为传热式和蓄热式两大类。传热式空气预热器有板式和管式两种。在常用的管式空气预热器中，烟气的热量通过管壁连续地传给空气，其换热方式为一般的传热式。蓄热式空气预热器主要为回转式，在回转式空气预热器中，烟气和空气交替流过受热面，烟气流过时将热量传给受热面，并被蓄积起来，随后空气流过时，受热面就将蓄积的热量传给空气。受热面周期性被加热和冷却，热量也就周期性地由烟气传给空气。受热面每旋转一周，完成一个热交换过程。在电站锅炉中，常用的空气预热器有管式和回转式两种。
随着电站锅炉蒸汽参数的提高和容量的增大，管式空气预热器由于受热面增大而使其体积和高度显著增大，给锅炉尾部受热面的布置带来很大困难。因而，只在200MW以下的锅炉机组中使用，而配300MW及更大容量的锅炉，通常都采用结构紧凑、重量较轻的回转式空气预热器。回转式空气预热器有两种布置形式：垂直轴和水平轴。国内外常用垂直轴布置。垂直轴布置形式的回转式空气预热器又分为受热面转动和风罩转动两种形式，通常使用受热面转动的是容克式回转空气预热器，而风罩转动的则是罗特穆勒（Rothemuhle）式回转空气预热器。两种回转式空气预热器都被广泛应用，而采用受热面转动的回转式空气预热器相对更多些。
与管式空气预热器相比较，回转式空气预热器有以下的特点：
（1）体积小。回转式空气预热器由于其传热面密度高达500m2/m3，因而结构紧凑，占地面积小，其体积约为同容量的管式空气预热器的1/10。
（2）重量轻。因管式空气预热器的管子壁厚为1.5mm，而回转式空气预热器的蓄热板，其厚度只不过0.5～1.25mm，而且蓄热板布置很紧凑，故回转式空气预热器金属耗量约为同容量管式空气预热器的1/3。
（3）布置灵活方便，使锅炉本体容易得到合理的布置方案。
（4）在同样的外界条件下，回转式空气预热器因其受热面金属温度较高，因而低温腐蚀的危险较管式空气预热器轻些。
（5）漏风量比较大。一般管式空气预热器的漏风量不超过5%，而回转式空气预热器的漏
风量，在状态良好时为8%～10%，密封不良时常达20%～30%。
（6）结构比较复杂，制造工艺要求高，运行维护工作较多，检修也较复杂。
二、管式空气预热器
1.管式空气预热器结构和工作过程
管式空气预热器按布置形式可分为立式和卧式两种；按材料可分为钢管式、铸铁式和玻璃管式等几种。立式钢管式空气预热器应用最多，其优点是结构简单，制造方便，漏风较小；缺点是体积大，钢材耗量大，在大型锅炉及加热空气温度高时，会因体积庞大而引起尾部受热面布置困难。
图32 管式空气预热器结构
（a）空气预热器组纵剖面；（b）管箱
目前中小容量锅炉中应用得较多的是立式钢管式空气预热器，其结构如图32所示。
1—锅炉钢架；2—空气预热器管子；3—空气连通罩；4—导流板；5—热风道的连接法兰；6—上管板；7—预热器墙板；8—膨胀节；
9—冷风道的连接法兰；10—下管板
立式钢管式空气预热器由许多薄壁钢管焊在上下管板上形成管箱。烟气在管内流动，空气在管子外部横向流动，两者的流动方向互相垂直交叉。中间管板用来分隔空气流程。常用φ40×1.5mm有缝钢管错列布置，以便单位空间中可布置更多的受热面和提高传热系数。选用相对间距要从传热、阻力、振动等因素综合考虑，一
般取s1/d=1.5～1.9，s2/d=1.0～1.2，
图33 空气预热器管子的间距
如图33所示。如采用直径40mm管子，则管箱高度通常不超过5m，使管箱具有足够刚度，便于制造和清灰。立式布置低
温段的管箱高度应取1.5m左右，以便维修和更换。
烟气速度对固体燃料为10～14m/s，对液体、气体燃料还可以适当提高；空气速度应取为烟气速度的一半左右以提高传热效果。管子直径、节距和管子数目的选用应保证预热器具有合适的烟气速度和空气速度。
卧式钢管空气预热器中空气在管内流动，烟气在管外横向冲刷，其管壁温度可比立式布置提高10～30℃，有利于减轻烟气侧的低温腐蚀，但易堵灰，一般在燃用多硫重油的锅炉中采用，并需配以钢珠吹灰设备。一般烟速为8～12m/s，空气流速为6～10m/s。
2.管式空气预热器的布置
管式空气预热器的布置与空气流速、传热效果和流动阻力有很大关系。其布置方式按进风方式分为单面进风和双面进风，显然双面进风要比单面进风的空气速度低一半。按空气流程分为单道和多道，如图34所示。
图34 管式空气预热器的布置方式
（a）单通道单面进风；（b）多通道单面进风；（c）单通道双面进风；（d）、（e）多通道双面进风
当受热面积不变时，通道数越多，空气与烟气的交叉次数越多，就越接近逆流传热，可以得到较大的传热温差，但也会造成流动阻力增大。为了防止空气预热器的低温段受热面腐蚀，有的在低温段采用玻璃管，管径一般为φ38或φ40，厚度一般为2～2.5mm（质量较好的玻璃管也可采用1.5mm）。管群中一般有10%的钢管作为支撑。玻璃管预热器的主要特点是玻璃管的耐腐蚀性能较钢管好，积灰也较轻，但其强度较差，热阻较大。
3.热管式空气预热器
热管空气预热器是近几年来在一些电厂采用的新设备。热管外壳是能承受一定压力的细长钢管，管内保持约1～10-14Pa的真空度，管内充有一定量的凝结水作为传热介质，如图35所示。当烟气从热管空气预热器的蒸发段流过时，烟气把热量传给管内凝结水并使其汽化，汽化后的蒸汽流向凝结段。空气流过凝结段时，吸收其热量使管内蒸汽凝结成液体，并沿管壁流回蒸发段。这样热管空气预热器工作时，不断地重复上述过程，进行传热，热管空气预热器可以垂直布置，也可以倾斜布置，烟气和空气用隔板隔开。热管空气预热器的特点是：因热管具有良好的导热性能，其热导率比良好的导热材料要高出近百倍，故可实现小温差传热，传热效率高，密封性好，漏风系数接近于零；结构紧凑，流动阻力小；壁温较高，低温腐蚀轻等。
图35 热管空气预热器
（a）热管的工作原理；（b）热管空气预热器的结构
1—壳体；2—液体；3—蒸汽；4—吸液芯；5—充液封口管；l1—加热段（蒸发段）；
la—绝热段（传热段）；l2—冷却段（凝结段）
三、回转式空气预热器
由于锅炉容量的增大和参数的提高，管式空气预热器的受热面也随着显著增大，这给尾部受热面的布置带来了困难。因此，目前大型锅炉多采用结构紧凑、重量较轻的回转式空气预热器。回转式空气预热器按转动部件的不同分为两种类型：一为受热面回转式，常称为容克式；另一为风罩回转式，又称穆勒式。
1.受热面回转式空气预热器
受热面回转式空气预热器的结构如图36～图3 8所示。它主要由圆柱形受热面转子，固定的外壳，以及轴、传动装置、密封装置等组成。
图36 受热面回转式空气预热器（一）
1—转子；2—轴；3—环形长齿条；4—主动齿轮；
5—烟气入口；6—烟气出口；7—空气入口；8—空气出口；9—径向隔板；10—过渡区；11—密封装置
转子是装载传热元件并能旋转的圆柱形部件，主要包括轴、中心筒、外圆筒、隔板和传热元件等。中心筒的上、下端分别与导向端轴和支承端轴连接，转子的重量通过下部端轴支承在下方的推力向心球面滚珠轴承上，上部端轴通过滚子轴承进行导向定位。润滑油循环系统对支承轴承和导向轴承进行润滑，系统中设有冷却器、滤网等。中心筒与外圆筒之间从上到下用隔板沿径向以转子圆心角15°或30°等分成24或13个互不相通的独立扇形部分（扇形仓），每个扇形部分再用切向隔板分隔成若干个扇形仓格。仓格内装满了厚度为0.5～1.25mm的波浪形薄钢板和固定板传热元件（定位板）。波浪形薄钢板和定位板间隔放置，以保持烟气和空气流通间隙及均匀流速，如图39所示。为了增强气流的扰动，提高换热效果，同时又不使气流阻力过大，波形板的斜纹应与气流方向成30°角，且两板的波纹顺向相同。每个仓格又分为若干层，上部高温段不易被腐蚀可用普通碳钢，其厚度较小（如0.6mm）。下部低温段易受低温腐蚀，应采用耐腐蚀波形板，且厚度较大（如1.2mm），以便于安装和更换转子。为了防止低温段积灰或堵灰，还可以将波形板的波形放大，定位板则
采用平板结构，如图39所示。
固定的外壳一般是由圆形筒体或多边形筒体、上下端板、上下扇形板等组成。转子横截面被扇形板（过渡区或密封区）分隔成烟气和空气两个流通区。烟气区和空气区分别与进出口烟道、风道相连。由于烟气的容积流量比空气大，因而烟气区占50%左右，空气区占30%～40%左右，其余为扇形板密封区。
因上述空气预热器的转子截面分为烟气、空气两个流通区，故又称为二分仓受热面回转式空气预热器。当锅炉采用冷一次风机制粉系统时，由于一次风压比二次风压高许多，为了避免对一次风节流，减少节流损失和风机电耗，空气预热器采用了三分仓或四分仓结构（多采用三分仓结构），即将扇形密封板转子横截面分隔成烟气、一次风和二次风三个或四个（两个二次风）流通区，如图310所示，其结构与二分仓的基本相同。
新型容克式空气预热器的外壳常做成九边形或八边形，分别由3块或2块板为主支座板，2块板为副支座板，4块侧壳体板共9块或8块板拼接而成，如图311所示。
图37 受热面回转式空气预热器（二）
图38 容克式空气预热器组件分解图
轴承；3—中间梁；4—外壳板；5—主支座板；6—传动装置；7—传动装置外壳板；8—副支座；
；11—扇形板；12—转子模块；13—副支座；14—外壳板；15—主支座板；16—传热元件调节
件调节门；18—支承端轴；19—扇形板；20—冷端连接板；21—中间梁；22—支承轴承
图39 空气预热器波形板传热元件
图310 三分仓受热面回转式空气
预热器各流通区的分布
图311 三分仓受热面回转式空气预热器壳体
1—主支座板；2—副支座板；3—侧壳体板；4—轴向密封装置；5—驱动装置；
6—冷段检修门；7—人孔门
预热器绝大部分（90%左右）的重量通过主支座板上的立柱传给锅炉构架，其余少量重量通过副支架上的立柱传给锅炉构架。在主支架板内侧设有弧形轴向密封装置。在其中一块侧壳体板上装有驱动装置。
传动装置是驱动受热面转子转动的动力组件，包括主电动机、辅助电动机、液力耦合器、减速箱、传动齿轮等。正常运行时，受热面回转式空气预热器采用外圆传动方式，即由外置的主电机带动减速箱输出端的小齿轮，小齿轮与装在转子外圆筒圆周上的环形长齿条相互啮合，从而使转子转动。辅助电动机用于空气预热器的盘车，以及主传动故障时的备用传动和更换密封件及传动元件时转动转子等。
为了确保预热器安全可靠工作，辅助电动机设有自启动装置。当主电动机失去驱动电源时，辅助电动机能自动启动，向转子提供驱动力。另外，在辅助驱动装置上，还装有手摇盘车装置，以便在应急和需要时使用。
受热面回转式空气预热器的转子采用冷端支承方式，在转子的上、下端轴各设有导向轴承和支承（推力）轴承。导向轴承的作用：①固定转子上端轴的旋转中心；②承受由风烟压差引起的侧向推力；③承受转子转动时因偏摆晃动而产生的不均衡的径向推力。对于600MW机组锅炉的空气预热器，因受热面转子的直径大、重量大、水平推力大等，为了保证预热器工作时转子具有足够的稳定性，导向轴承一般采用双列向心球面滚珠轴承。支承（推力）轴承装设在转子下端轴的断面上，其作用是：①支承转子的全部重量；②确定转子下端的旋转中心；③承受由风烟压差引起的推力；④承受转子转动时因偏摆晃动而产生的不均衡的径向推力。支承轴承一般采用直径较大的推力向心球面滚珠轴承。
漏风是受热面回转式空气预热器在运行中存在的主要问题。预热器的漏风包括间隙漏
风和携带漏风两种情况。转子和静止的外壳之间由于存在间隙，而空气侧的压力高于烟气侧的压力，在压差的作用下空气就能经过间隙漏入烟气中，该漏风称为间隙漏风。携带漏风是指旋转的受热面将存在传热元件空隙间的空气或烟气携带到烟气侧或空气侧。在空气预热器的漏风中，因转子的转速很低，携带漏风量很少，因此主要是间隙漏风。空气预热器的漏风将使送风机
图312 空气预热器的纵剖图和漏风间隙示意图
和引风机电耗增大，严重时将造成锅炉出力被迫降低和低温腐蚀加剧，因而影响锅炉的安全和经济运行。为了减小漏风，一般安装了径向、环向和轴向密封，如图312所示。
径向密封的作用是防止和减小空气穿过过渡区漏入烟气通道。径向密封方法一般是在每个仓格径向隔板的上、下两端装设带密封头或不带密封头的弹簧钢片，为避免噪声和电动机功率过大，弹簧钢片与过渡区的扇形板间留有微量间隙。当任一仓格经过过渡区时，弹簧钢片就与外壳上的扇形板构成密封。
环向密封分外环向密封和内环向密封两种。外环向密封的作用是防止空气通过转子外圆筒的上、下端面漏入外圆筒与外壳之间的间隙再漏入烟气通道。内环向密封的作用是防止空气通过转子中心轴筒上、下端面漏入中心轴筒与轴之间的间隙再漏入烟气通道。外环向密封元件装在转子外圆周的上、下端，它是借助弹簧钢片的自由端与外壳顶板、底板上的密封槽相接触而构成密封。内环向密封元件装在中心筒或中心轴圆周的上下端，其结构如图313所示。
轴向密封的作用是防止空气通过转子外圆筒和外壳之间的空隙漏入烟气通道。轴向密封的方法是在转子外圆筒与外壳之间沿转子整个高度设置密封元件。轴向密封片被固定在转子外围对应于每个径向隔板的位置上，其自由端与外壳圆筒接触构成密封。轴向密封片也可以固定在外壳圆周上。
在受热面回转式空气预热器间隙漏风中，漏风量最大的是径向间隙漏风，约占总漏风量的2/3；其次是环向间隙漏风；最小的是轴向漏风。在间隙及漏风流通截面相同的条件下，由于空气与烟气压差和空气密度冷端都大于热端，因此冷端处的漏风比热端处大，通常约为热端的2倍。
图313 内环向密封装置
运行中，由于空气预热器转子受热不同，其上端的径向膨胀比下端大，转子将产生“蘑菇状”变形。因为烟气自
上而下流过受热面转子，而空气则是自下而上流过受热面转子，烟气的冷却和空气的加热，使转子上端径向隔板的金属温度高于下端径向隔板，故径向膨胀量下端大于上端。此外，运行中转子还会产生轴向膨胀等，如图314所示。
“蘑菇状”变形使热态和冷态时的间隙不同，给安装、检修时密封间隙的调整带来一些困难。如果冷态时密封间隙没有正确调整好，那么热态情况下有的地方间隙就会增大，有的地方间隙就会减小，不但使漏风增大，而且会发生严重的摩擦，甚至卡涩。为了保证空气预热器正常运行，对轴向密封、环向密封及冷端径向密封采用在冷态下预留一定间隙的方法。对热端径向密封采用自动密封控制系统来跟踪转子热变形，使密封间隙在运行中始终维持在规定范围内。
图314 回转式空气预热器转子热变形示意图
受热面回转式空气预热器的传热元件布置较紧密，气流通道狭窄而又曲折，因而容易积灰甚至堵灰，使气流阻力和风机
1—执行机构；2—中心密封筒；3—导向轴承；4—上梁；
5—轴向密封装置；6—下梁；7—推力轴承；
8—下扇形板；9—上扇形板
电耗增大，传热面积减小，热风温度降低。另外积灰还会加剧受热面腐蚀，影响预热器工作。为了减轻积灰，在预热器烟气侧上、下端一般均设有吹灰器和清洗装置。吹灰器在运行中定期投入吹灰，常用的吹灰介质为过热蒸汽或压缩空气。在不带负荷时，可用清洗装置冲洗，冲洗介质为水。
2.风罩回转式空气预热器
由于受热面回转式空气预热器转子质量大，使得支承轴承负载大。采用风罩旋转式空气预热器可解决上述问题，其结构如图315所示。
图315 风罩转动的回转式空气预热器
图316 双流道风罩转动回转式空气预热器
1—冷空气入口；2—静子；3—热空气出口；4—烟气
1—烟罩；2—二次风风罩；3—一次风风罩；4—二次
进口；5—转动的上下风罩；6—烟气出口
风蓄热板；5—一次风蓄热板；6—密封环；
7—支座；8—轴；9—轴承
此种空气预热器的受热面筒体是不旋转的，称为静子，其结构与受热面旋转的筒体相同。上下同步旋转的风罩内为空气。风罩为“8”字形。它将静子截面分为烟气流动区、空气流通区及密封区三部分。冷空气通过冷风道进入旋转的下风罩，自下而上流过受热面静子进入同步旋转的上风罩，此时，空气已被加热。由于烟气流动区为两个，静子受热面进行两次吸热和放热，其转速比受热面旋转的空气预热器要慢一些。大容量机组常采用三分仓式空气预热器，而风罩回转式空气预热器多为双流道风罩转动式空气预热器，其结构
如图316所示。
此时上、下风罩分内外两层同轴同步旋转。内层为一次风罩，外层为二次风罩，均为“8”字形。风罩回转式空气预热器的密封装置比受热面旋转的空气预热器更复杂，其烟气流通部分也装有吹灰装置。
风罩回转式预热器的优点是转子重量轻，回转功率小，安装检修较为方便。由于受热面元件固定不动，便于采用陶瓷等耐腐蚀的材料作传热元件，从而降低排烟温度，提高锅炉的热效率。