热管余热锅炉在冶金电炉烟气余热回收中应用

热管余热锅炉在冶金电炉烟气余热回收中应用1概述随着改革开放的深入进行我国国民经济迅猛发展，发展与环保问题的是我国经济发展的重中之重。冶金领域的铁合金生产的环保治理与余热回收是其重要内容，我国冶金电炉2000余台。每台每小时排出废气为6000～200000Nm3/h，含尘量8～15g/m3，温度400-800℃，造成大量的环境污染，及能源浪费。冶金电炉的环保治理是我国目前亟待解决的问题。冶金电炉烟气含尘粒度较小，其直径为40~300目，这一粒度的灰尘一般采用布袋除尘器收集灰尘。但是电炉尾气温度为400℃至800℃，这一温度超出了布袋除尘器的许用工作温度。如果不进行降温处理，布袋很快烧穿，无法运行。这样电炉烟气在进入除尘器的前的降温显得十分必要。目前，我国的电炉烟气降温一般采用多管降温器，利用空气与烟气换热来降低烟气温度。这一降温器存在如下问题：一是烟气余热未能利用，造成大量的能源浪费。二是积灰严重无法正常运行。因此开发了热管余热锅炉回收烟气余热。2．基础条件华能公司是集科研、生产、销售为一体的工业企业。1992年从中科院引进热管技术。我们以次为龙头不断开发新技术。1995年开发研制了循环式热管热风炉，经专家鉴定达国际领先水平，获深圳市科技进步一等奖；1997年开发热管水加热器，经专家鉴定达国内领先水平，获深圳市科技进步三等奖；1998年开发组合式热管废热锅炉，获国家专利。2000年我公司又获深圳市热管节能技术科技推广二等奖。多年来，我公司始终坚持科研、推广并重的原则，公司内有高级工程师10人、工程师35人，技术力量雄厚。公司内有换热器、热管等多个实验室和自动化办公条件。我公司占地100余亩、建筑面积30000余平米，总资产超亿元。具备承揽大型科研项目的能力。2003年底至2004年初，我厂工程技术人员对我国铁合金电炉余热回收情况进行调研。我国铁合金电炉环保治理及余热回收利用问题亟待解决。如我国最大的铁合金企业吉林铁合金厂，现有12台炼铁电炉。2001年引进欧洲技术制作余热回收设备，排烟温度下降100℃左右，产蒸汽量只有1.5吨/小时，余热回收效果较差，且堵灰严重，设备只运行不足4个月就停用。2003年4月该电炉上布袋除尘时，用多管换热器降温,多管换热器不能将烟气将到布袋除尘器许用工作温度，且堵灰严重，设备一直未能调试成功。2004年2月，我厂工程技术人员和吉林厂的有关专家进行了多次技术讨论，结合我厂热管技术在类似工艺条件的使用经验，提出用热管技术解决铁合金电炉烟气环保治理的余热回收项目。我们成立了科技攻关组。对铁合金电炉烟气进行了认真研究，并对铁合金电炉烟气降温器实地考察，分析其存在的问题。2004年4月，我们对吉林厂铁合金的401#电炉的排烟温度、排烟量、烟尘含量进行测试，烟尘成分进行分析。先后搞出了四套套设计方案。经过多次讨论，最终确定了401#实验样机的设计方案。2004年5-7月进行样机制作，2004年9月401#电炉热管调温器的调试实验。2004年10月通过验收。目前已运行2年10个月各项指标正常。未发现设备灰堵和布袋烧损现象。3．热管余热锅炉的设计技术3.1设备结构及组成热管余热锅炉为立式L型，由立式蒸发器、水平蒸发器、软水加热器、蒸汽集聚器（汽包）、上升管、下降管等组成，配套设备有清水泵、给水泵、除氧器等。3.2工艺流程一、烟气系统来自重力除尘器的烟气，温度600—800℃荒煤气，含尘6-15g/m3，经过高温管进入立式蒸发器，烟气从立式蒸发器底部出，进入水平蒸发器，再进入软水加热器，最后由排烟口排出温度180℃，进入布袋除尘器。二、水汽系统外供软水先进行除氧，除氧后软水通过电动给水泵进入软水加热器，温度由104℃升温到185℃进入汽包；汽包和蒸发器自然循环；汽包内蒸汽与水分离；蒸汽进入蓄热器。⑴水系统的供水量每小时18～20吨，供水压力～1.8MPa，水源由软水总管经除氧器除氧后供给。系统设置两根回水管，一根是水预热器出口的热水回路，作为开车调节用，开车完毕则关闭。另一根是加压泵出口的回水管，用于操作调节。⑵系统除氧选用热力除氧。选用一套热力除氧器，一个水箱。除氧器配备2台给水泵，除氧器给水泵为IS型单级单吸离心泵。⑶从除氧器到汽水分离装置的给水系统配两台电动给水泵，水泵扬程除满足系统压力外，还要克服水柱爬升高度及沿程阻力，汽包给水为DG型锅炉给水泵。⑷软水加热器、蒸汽发生器、汽包均设有排污出水口，可定期清除内部残留污物及水垢。系统水箱设有给水取样；汽包设有水取样点，对余热锅炉水进行取样。3.3工艺条件（1）烟气量：37000Nm3/h（2）入口烟气温度：600—800℃（3）出口烟气温度：180℃（4）额定蒸汽压力：1.6MPa（5）蒸汽温度：204℃（6）额定蒸发量：16000Kg/h（7）烟气含尘量：8--15g/m34.主要设计内容该工艺热管余热锅炉设计存在如下技术难点：（8）高温烟气换热问题（9）换热器的积灰问题（10）换热器维修问题（11）换热器换热面积的确定问题下面结合设备的结构、选材及吹灰系统的设计，分析以上几个技术难题。4.1高温烟气换热问题电炉烟气自重力除尘器（尘降室）进入换热器，入口温度800℃，有时可达1000℃以上；余热锅炉额定压力1.6MPa,对应蒸汽温度204℃。在这一工况下如何选择换热器的设计方案呢？第一种方案选用热管换热器，此时热管工作温度：Tv=(t1+t2)/(n+1)。n两侧热阻比，换蒸发换热管两段热阻比为4—6（与热管蒸发段与放热段的长度比和气侧的翅化比有关）。Tv=(t1+t2)/(n+1)=（800+4*204）=332℃目前，国内主要以水做工质，水在此温度再高的压力也处于汽态，没有相变，热管不传热。水作工质管内工作温度一般不超过240℃。因为不管管壳如何处理在高温时都存在H2O+Fe——FeO+H2的反应。破坏热管的真空度，热管失效。同时热管管内压力大，远远大于热管的安全运行压力4.0MPa。热管超温运行爆管现象屡见不鲜。这一温度要选择高温的有机物(萘、导热姆等)作热管介质。热管管壁温度为332+100=432℃，热管管材应选用不锈材质。虽然如此此温度用热管换热存在介质的高温分解问题和爆管问题。第二种方案选用水管换热器，水管换热器不存在热管的许用工作问题，但是必须考虑冲刷泄露和热应力问题。因此在设计水管换热器时选用以下措施：（1）选用316不锈管对列管迎风面防护；（2）增加管壁厚度，用渗铝管增加耐冲刷能力。（3）设计换热器入口流速为8米左右，降纸灰尘对换热冲刷动能。（4）换热管选用弯管，解决换热器的热应力问题，经硫铁矿制酸工艺和窑炉尾气回收运行可知，该设计可保证设备的使用寿命和稳定运行。以上两种方案都能解决高温烟气换热问题，但我公司推荐用水管换热器。4.2换热器的积灰问题烟气含尘量是8—15g/m3，也就是说每小时500Kg左右的灰尘通过换热器。电炉烟尘粒度较小0—10μm的灰占灰尘总量的70%以上，该种灰有较强的吸附力，换热器的除灰是该换热器的设计的核心内容4.2.1在换热器结构的设计上采用以下措施（1）换热管间距较其他工况设备增大。（2）烟气在设备中流速要设计为一般为8米左右。（3）换热器的布置形式必须考虑便于除尘，换热器布置上采用L型。（4）严禁采用环翅片，采用环翅片可以增大换面强化传热，降低设备投资，但在如此大的灰尘工况中，环翅片换热器很快堵死，再好吹积设备也不能将翅片间的积灰吹净。因此严禁使用环翅片管换热器。4.2.2冲击波吹灰方案(1)该设备布置为立L型，立式段选择成熟的落丸技术。目前已在吉林铁合金成功运行。（2）水平段采用冲击波吹灰系统①冲击波吹灰系统的工作原理及参数冲击波吹灰系统是我国引进前苏联军工技术，我国消化研制开发的在线吹灰产品。其工作原理是将空气和可燃气按一定比例混合，经高能点火后在冲击波发生器内形成可控强度的冲击波，冲击动能吹扫受热面的同时伴有高声强声波震荡和热清洗作用，以达到吹除积灰保证受热面清洁，提高传热效率，恢复锅炉出力的目的。JSR型冲击波吹灰系统的参数为：可燃气体类型：乙炔可燃气气源：瓶装气可燃气体压力：0.9-0.15MPa可燃气体消耗量：≤0.06m3/次（常温常压）空气气源：送风机提供空气压力：~4KPa；空气消耗量：≤200m3/h（常温常压）；燃料温度：常温；空气温度：常温；额定能量：25--2500KJ；②冲击波发生器的布置及发射管的安装设计根据吹灰器的特点和换热器实际的空间结构，整个换热器共设计布置了8个吹灰点，共安装8个发生器，分为4组进行工作。初步设计将所有的发生器安装布置在换热器上部，发射管采用排管形式，吹灰方向向下。（3）冲击波发生器及发射管选型和安装根据不同的换热空间及积灰性质配用不同能量等级的冲击波发生器和不同形式的发射管，使吹灰更有针对性，更利于吹灰。本套燃气冲击波吹灰系统的冲击波发生器和发射管选型如下：发射管选用JSRG-133BP；省煤器和空预器部位的发生器采用JSR-SP200，发射管采用JSRG-133P。冲击波发生器的安装要求尽量垂直安装，受空间限制时可以倾斜安装，详见发生器的安装图。根据换热器积灰特点和受热面布置方式，为保证较大的吹扫面积和穿透力，设计安装的发射管形式为排孔形式，发射管装在换热器内吹灰覆盖面积大，吹灰彻底。（4）管路系统的组成燃气冲击波吹灰系统的管路包括空气管路、乙炔管路以及混合气管路。①空气管路本套系统的的空气由系统配备的旋涡气泵提供，气泵型号为XGB-5，风量为270m3/h，全压为30KPa，空气用φ57X3.5的无缝钢管输送到混合器，与乙炔进行混合。在空气管路上安装了手动球阀和空气流量计，用来调整监视空气流量，以保证有效的混合，可靠的吹灰。②乙炔管路乙炔管路由乙炔房引出，经过手动截止阀、阻火器、流量计、电磁阀、单向阀后进入混合器。③混合气管路混合气管路从混合罐出口开始，到冲击波发生罐入口结束。混合气管路上设计有压力阻火器、分配器、阻火器、热电偶。通过高能点火器的放电点火等的控制，可实现吹扫层的选择。（5）程控装置程控装置的核心是一台可编程控制器，可实现各组单独吹灰和自动连续吹灰，同时实现在线监测和安全报警保护功能。（6）本套燃气冲击波吹灰系统的特点总结吹灰点分布全面，吹灰彻底；吹灰系统可独立工作，自带气泵供气，可在换热器冷态时使用吹灰系统将换热器内吹扫干净，便于检修；根据不同的换热空间结构及不同温段的积灰特点选用不同型号的冲击波发生器及发射管，排孔发射管吹灰有针对性，覆盖面积大；特殊设计的冲击波发生器结构，保证吹灰能量，可燃气消耗量低，经济性好；根据不同的积灰情况，可采用不同的吹灰能量。本系统每次吹扫换热器1次，消耗乙炔不足1/4瓶，整个吹灰费用不足25元。可燃气采用双电磁阀设计，管路有多级阻火，安全性好；采用航空点火器，点火嘴为半导体放电，具有自清洁功能，不积碳，免维护；特殊设计的分配器彻底防止烟灰倒灌，无管道积水问题，无哑炮，系统运行稳定可靠；严密的保护报警逻辑，实时的压力、温度、流量监控，确保运行安全；控制系统自动化程度高，可满足自动吹灰、点动吹灰、定时吹灰等多种操作要求；4.2.3声波除灰方案声波除灰.在声波的作用下，可将灰松动，但灰量过大、灰尘较细和附着力强时，选用声波除灰效果较差。4.3换热器的维修问题该换热器采用多组组装式结构，立式换热器由16组组成，卧式由8组组成，每组可以单独拆装、更换，维修方便。4.4换热面积的确定该热管余热锅炉设计的难点是换热面积的确定。因为设备运行时，换热管始终有灰包裹，换热器的粘污热阻较大，换热器的粘污热阻只有平经验确定。实际用户:1、新疆八一钢铁，2、江阴兴澄特钢，3西林钢铁、阿城钢铁、山东良达铁合金有限公司、天津市江天重工有限公司、桂林康密劳铁合金有限公司、西南不锈钢有限公司天津华能能源设备有限公司联系人：张艳华手机：[phone]邮箱：[e-mail]