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电炉烟气余热回收装置的研发与工程实践

点击:1730 日期:[ 2014-04-26 21:54:05 ]
                             电炉烟气余热回收装置的研发与工程实践                                 李国盛 黄 伟 杨明华 吴仕明                                   (中冶京诚工程技术有限公司)     摘要:利用电炉烟气余热回收装置,通过前置辐射换热面和后置对流换热面进行余热回收, 可节能减排,提高经济效益。此项技术的关键在于汽化冷却循环方式与循环流量的设计,清 灰装置、对流换热面形式的设计与流通截面及烟气流速的设计。     关键词:电炉 炼钢 汽化冷却 余热回收     电炉炼钢产生的高温烟气中含有大量的显热 和化学能。但传统内排烟烟气处理设施多采用水 冷却方式:冶炼所产生的一次烟气从其炉顶抽 出,经水冷弯头、水冷滑套、燃烧沉降室、水冷 烟道冷却后,再经空冷机或喷雾冷却塔降到约 350℃,最后与来自大密闭罩及大屋顶罩温度为 60℃的二次烟气相混合,混合后的烟气温度低于 130℃,接进除尘器净化,并经风机排往大气。 电炉烟气采用水冷却方式,不仅高温烟气的 热量没有得到回收,冷却水温升小、流量大消耗 了大量电能,同时循环过程中的冷却水的损耗及 其对环境造成的污染也较大。 为了充分利用余热,节电、节水,对电炉烟 气处理设施的革新势在必行。     1 国内外相关技术现状与发展趋势     国内外电炉炉内排烟处理设施以水冷为主 然而多年来针对电炉烟气余热回收的研发却从未 停止,目前投入工程应用的有废钢预热和余热回 收生产蒸汽两种方式。     1·1 废钢预热     废钢预热分为水平通道预热(Consteel)、竖 炉预热(Fuchs)两种。近年来国内成套引进了 多台Consteel炉,如石横、通化、韶钢等钢厂 投运后虽废钢有一定温升,但存在预热温度低 温升不均匀、预热通道漏风量大、风机电耗较 高、车间内占地面积大、料跨吊车作业率高等问 题。且该项技术至今未能国产化,初投资较大 同时废钢预热也只能部分利用烟气的显热,排烟 温度仍较高。     1·2 余热回收生产蒸汽     在上个世纪80年代,德国的OSCHATZ公司为欧洲钢铁厂的4座电炉设计和制造了汽化冷 却系统,在120~140t超功率电炉的炉体、炉盖 和内排烟上都实现了汽化冷却。其中德国克虏伯 150t超高功率电炉的炉壳和内排烟采用的汽化冷 却装置,蒸汽压力1·0~2·5MPa,蒸汽产量1 ~13t/h。而在前苏联,汽化冷却也被普遍采用 不论是炼钢电炉还是铁合金电炉,不论是开放式 的还是闭式,都采用汽化冷却。     国内电炉炼钢一直采用传统水冷烟气处理设 施,在余热回收生产蒸汽方面尚无成熟的产品 近年来,高温辐射型转炉汽化冷却、加热炉汽化 冷却等余热利用取得了显著的经济和社会效益 证明了高温辐射型汽化冷却技术上成熟、可靠 从而得到广泛采用。同一期间,随着对炼钢炉烟 尘特性的深入了解及高效除灰设施的成功研制 低温对流换热器的设计、制造在国内也取得了较 大的进展。此外,余热回收的中、低参数蒸汽作 为炼钢车间RH、VD等真空精炼装置及全厂低 压饱和蒸汽发电用汽汽源的技术也渐渐成熟,这 些都为充分利用炼钢炉烟气余热回收提供了前提 条件。因此电炉烟气余热回收生产蒸汽的方式得 到了前所未有的关注。     2 电炉汽化冷却烟气余热回收装置     2005年起,公司针对国内电弧炉烟气余热 回收技术进行专题研究,考察了国内众多电炉炼 钢厂,收集了大量资料。经过三年多的基础研究 工作,初步建立了的电炉烟气参数理论模型,并 明确了电炉烟气汽化冷却余热回收技术需要解决 的关键问题。     根据电炉烟气的特点,提出了电炉烟气余热 回收装置设计方案应重点解决的三项内容:     (1)电炉烟气烟温波动大,瞬间温度高 因此首先需要设计合理的烟气流量及汽化冷却循 环方式和强制循环的最佳循环倍率;     (2)烟气携带粉尘多,并具有一定粘性 因此清灰装置及对流换热器的设计必须高效、可 靠,以确保烟道流畅,对流换热器换热效果良 好,确保电炉长期、稳定生产;     (3)汽化冷却装置流通截面的设计及烟气 流速的选择,必需兼顾设备磨损和积灰的妥善解 决。烟气流速过高设备磨损大,而烟气流速过低设备积灰则会恶化。 经三年多的研发,2008年公司成功研制了 一套前置辐射换热面及后置对流面的电炉烟气余 热回收装置,并依托营口中试基地100t电炉炼 钢车间进行工程实践。同一期间,经申请国家知 识产权局审核,2008年4月23日获得电炉烟气 余热回收装置实用新型专利的授权。     2·1 系统的组成     电炉烟气余热回收装置换热面,根据烟温的 高低分为辐射换热型汽化冷却烟道和对流换热型 热管换热器,系统设置一台汽包。     辐射换热型汽化冷却烟道采用膜式水冷壁结 构,控制烟气保持一定流速以减少积灰。同时对 烟道进行合理分段,各段烟道采取自然/强制的 复合循环方式。强制循环烟道的每根进水管均设 有节流装置,另在热强度高或受热不均的水冷壁管内增设扰流板。     对流换热型热管换热器采用重力式热管,进 行交换的两种换热介质,中间由管板隔开,运行中个别热管的失效不会造成两种换热介质相混, 因而不必停车堵漏。换热器可根据厂房布置条件采用立式或卧式结构。热管错排倾斜布置,环翅片的间距疏密结合。     营口中试基地100t电炉烟气余热回收装置 主要流程如图1所示,该装置由汽化冷却装置、 锅炉给水泵、除氧器、蓄热器、分汽缸、磷酸盐 加药装置、取样冷却器、排污扩容器等设备及工 艺管道所组成。     汽化冷却装置由汽包、辐射换热型汽化冷却 烟道、对流换热型热管换热器、热水循环泵、循 环水管道所组成。     根据劳人锅[1983]81号《关于废热锅炉 安全监察和管理问题的通知》及劳人锅局 [1984]48号《关于生产设备上水冷件的管理问 题的通知》的规定,汽化冷却装置应视为废热 锅炉,其设计、审查按国务院令第373号《特 种设备安全监察条例》、劳部发[1996]276号 《蒸汽锅炉安全技术监察规程》进行。     2·2 关键工艺技术     如上文所述,电炉烟气汽化冷却余热回收装 置中,最关键的是烟气流量、汽化冷却循环方式 和强制循环最佳循环倍率的设计,清灰装置及对流换热面形式的设计,流通截面及烟气流速的设 计这三点核心。     针对第一点,烟气量的选择需密切结合电炉 本体的运行参数,如热装铁水率、最大吹氧流量 等。而汽化冷却循环方式和强制循环最佳循环倍 率的设计与汽化冷却装置的设备设计及设备相互 间位置有关。     为减小余热回收设备对炼钢车间布置的影 响,同时便于安装及检修,对流换热器应优先布 置在离电炉较近的车间外空地上,中间设置汽化 冷却烟道。     在营口中试基地工程中,燃烧沉降室及Ⅰ段 烟道在车间内电炉侧,Ⅱ段烟道在电炉主操作平 台下水平布置,Ⅲ段烟道、Ⅵ段烟道在车间外立 式布置在热管换热边,汽包则布置在换热器正上 方。这样燃烧沉降室、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅵ段烟道采 取强制循环,其循环倍率的选取与每段热负荷计 算相关。由于电炉烟气温度变化快,高温时间维 持时间短,在综合考虑经济性和安全性后进行设 计。同时在强制循环烟道的每根进水管均设有节 流装置,保证每根水冷壁管的水流分配均匀。在 Ⅱ段烟道长距离水平布置的水冷壁管内增设扰流 板,以避免汽水分层。 Ⅲ段烟道及热管换热器则采用自然循环。自 然循环具有自调节特点,该特点对于电炉烟气这 种温度变化较快的工况具有良好的适应能力。 第二点,为避免对流换热面的积灰,设计换热器内的热管倾斜(水平夹角12°)错排布置, 烟气从上往下冲刷,前几排的换热面采用光管, 后部为增大换热面积采用环翅片管,翅片的间距 根据烟气温度的高低,由疏到密。     清灰装置采用冲击(激)波在线清灰装置。 该装置制造可控制燃气爆燃,用以产生强度可控 制的冲击波,由动能、声能及热清洗作用来清除 积灰。与常用的吹灰器相比,该型吹灰器具有以下特点:     (1)整套装置无转动机械,运行中不存在 机械卡涩和轴承故障,因此结构简单,维护方 便、运行可靠;     (2)采用压缩空气作介质,用风量小,对 炉内烟气气动场无大影响,与蒸汽吹灰相比,不 增加烟气湿度;     (3)冲击(激)波能量强度易于调整,喷 口方向和形状适用于不同形状的工作面,有效作 用范围广,清扫彻底,不留死角;     (4)运行操作实现自动化,能随机在线连 续吹灰,吹灰速度快、时间短、效果好,经吹扫 后的工作面清洁率可达95%以上。     第三点,烟道的流通截面从不易积灰和节约 钢材的角度出发,选为圆形。燃烧沉降室则从便 于清理沉渣及安装、制造的角度出发,流通截面 设计为方形。 烟气流速的选取则以实践出发,在参考了国内外相关转炉汽化冷却设施的参数及电炉水冷烟 道的参数后,由于Ⅰ段烟道烟温最高,因此选定 流速也最大,设计在30~40m/s之间,后置的 Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅵ段烟道按20~35m/s设计。 燃烧沉降室因需要保证烟气中剩余CO的完 全燃烧,大颗粒粉尘尽量都沉降下来,因此流速 的选取不宜太高,按10~15m/s进行设计。热 管换热器内布置有对流换热面,流速从高温区的 12m/s到低温区的8m/s,也经过了一个由快至 慢的过程。     2·3 在不同工程中的应用     前文所述仅为电炉烟气余热回收装置在营口 中试基地中应用。针对不同的电炉炼钢车间布 置,特别是国内现有电炉的升级改造工程,该电 炉汽化冷却装置具有不拘一格的形式及较强的适 应能力,可根据现场条件进行设计。烟道的长短 及循环方式可根据厂房结构及设备布置进行最优 设计;回收蒸汽的品质可根据全厂蒸汽平衡或用 户的要求,在1·6MPa到4·0MPa间选取;对流 换热器主体换热面可采用热管或普通密排管,布 置可采用卧式、立式、L型等多种形式。     3 技术经济分析     以100t电炉(热装铁水30%)为例,比较 电炉烟气余热回收装置及传统烟气水冷设施,作 技术经济分析如下:     (1)传统烟气水冷设施的基建投资:300~ 500万元。     运行费用估算:①工业循环冷却水:流量约 1800t/h,补充新水按5%计算,折合-90×1·5 =-135元/h;②电能:冷却水循环泵电耗约 600kW;折合-600×0·5=-300元/h。     (2)汽化冷却余热回收装置的基建投资: 1600~2000万元。     运行费用估算:①软水:排污损耗10%, 补水流量约为11t/h,折合-11×3·6=-39·6 元/h;②电能:工作电耗约250kW,折合-250 ×0·5=-125元/h;收益:饱和蒸汽:1·0~ 1·6MPa,约10t/h,折合10×90=900元/h。 按年工作小时290×24=6960计,汽化冷却 余热回收装置的年运行成本比水冷设施低815万 元,1·6~1·8年即可收回基建投资净差。 从社会效益方面分析,余热回收的蒸汽冬季 可供应采暖,夏季可供应VOD真空精炼,年节 约标煤约0·72万,t减少CO2排放1·63万,t减 少SO2排放144,t减少灰尘、灰渣等大气污染排 放0·2万t。     4 结束语     电炉烟气余热回收装置的开发,完全符合国 家“十一五”规划关于“节能减排,余热回收” 的指导方针。其在钢铁厂的成功应用,能降低国 内电炉炼钢的吨钢能耗指标,为企业及社会带来 切实的利益。为国内电炉炼钢进一步开展综合利 用,提高企业的经济效益和社会效益,开拓了一 条新途径。 (万雪 编辑)
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