熱管余熱鍋爐在冶金電爐煙氣余熱回收中應(yīng)用

1概述

隨著改革開放的深入進行我國國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展，發(fā)展與環(huán)保問題的是我國經(jīng)濟發(fā)展的重中之重。冶金領(lǐng)域的鐵合金生產(chǎn)的環(huán)保治理與余熱回收是其重要內(nèi)容，我國冶金電爐2000余臺。每臺每小時排出廢氣為6000～200000Nm3/h，含塵量8～15g/m³，溫度400-800℃，造成大量的環(huán)境污染，及能源浪費。冶金電爐的環(huán)保治理是我國目前亟待解決的問題。

煉鋼電爐煙氣含塵粒度較小，其直徑為40~300目，這一粒度的灰塵一般采用布袋除塵器收集灰塵。但是電爐尾氣溫度為400℃至800℃，這一溫度超出了布袋除塵器的許用工作溫度。如果不進行降溫處理，布袋很快燒穿，無法運行。這樣電爐煙氣在進入除塵器的前的降溫顯得*必要。目前，我國的電爐煙氣降溫一般采用多管降溫器，利用空氣與煙氣換熱來降低煙氣溫度。這一降溫器存在如下問題：一是煙氣余熱未能利用，造成大量的能源浪費。二是積灰嚴(yán)重?zé)o法正常運行。因此開發(fā)了熱管余熱鍋爐回收煙氣余熱。

2．基礎(chǔ)條件

天津華能集團能源設(shè)備有限公司是集科研、生產(chǎn)、銷售為一體的工業(yè)企業(yè)。1992年從中科院引進熱管技術(shù)。我們以此為龍頭不斷開發(fā)新技術(shù)。1995年開發(fā)研制了循環(huán)式熱管熱風(fēng)爐，經(jīng)*鑒定達國際*水平，獲天津市科技進步一等獎；1997年開發(fā)熱管水加熱器，經(jīng)*鑒定達國內(nèi)*水平，獲天津市科技進步三等獎；1998年開發(fā)組合式熱管廢熱鍋爐，獲國家專利。2000年我公司又獲天津市熱管節(jié)能技術(shù)科技推廣二等獎。

多年來，我公司始終堅持科研、推廣并重的原則，公司內(nèi)有高級工程師10人、工程師35人，技術(shù)力量雄厚。公司內(nèi)有換熱器、熱管等多個實驗室和自動化辦公條件。我公司占地100余畝、建筑面積30000余平米，總資產(chǎn)超億元。具備承攬大型科研項目的能力。

3．熱管余熱鍋爐的設(shè)計技術(shù)

3.1設(shè)備結(jié)構(gòu)及組成

   熱管余熱鍋爐一般采用立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)，由蒸發(fā)器、軟水加熱器、蒸汽集聚器（汽包）、上升管、下降管等組成，配套設(shè)備有清水泵、給水泵、除氧器、蓄熱器等。

3.2工藝流程

   一、煙氣系統(tǒng)

煙氣從電爐二孔（四孔）到二次燃燒沉降室，溫度600—800℃，含塵6-15g/m3，經(jīng)過高溫管進入立式蒸發(fā)器，煙氣從立式蒸發(fā)器底部出，進入水平蒸發(fā)器，再進入軟水加熱器，*后由排煙口排出溫度200℃，進入布袋除塵器。

   二、水汽系統(tǒng)

 外供軟水先進行除氧，除氧后軟水通過給水泵進入軟水加熱器，溫度由104℃升溫到185℃進入汽包；汽包和蒸發(fā)器自然循環(huán)；汽包內(nèi)蒸汽與水分離；蒸汽進入蓄熱器；蓄熱器蒸汽外供給用戶使用。

⑴水系統(tǒng)的供水量每小時18～20噸，供水壓力～1.8MPa，水源由軟水總管經(jīng)除氧器除氧后供給。

⑵系統(tǒng)除氧選用熱力除氧。選用一套熱力除氧器，一個水箱。除氧器配備2臺給水泵，除氧器給水泵為IS型單級單吸離心泵。

⑶從除氧器到汽水分離裝置的給水系統(tǒng)配兩臺電動給水泵，水泵揚程除滿足系統(tǒng)壓力外，還要克服水柱爬升高度及沿程阻力，汽包給水為DG型鍋爐給水泵。

⑷軟水加熱器、蒸汽發(fā)生器、汽包均設(shè)有排污出水口，可定期清除內(nèi)部殘留污物及水垢。系統(tǒng)水箱設(shè)有給水取樣；汽包設(shè)有水取樣點，對余熱鍋爐水進行取樣。

3.3工藝條件（以某鋼廠為例）

（1）煙氣量：37000Nm³/h

（2）入口煙氣溫度：600—800℃

（3）出口煙氣溫度：180℃

（4）額定蒸汽壓力：1.6MPa

（5）蒸汽溫度：204℃

（6）額定蒸發(fā)量：16000Kg/h

（7）煙氣含塵 量：8--15g/m³

4.主要設(shè)計內(nèi)容

該工藝熱管余熱鍋爐設(shè)計存在如下技術(shù)難點：

（8）高溫?zé)煔鈸Q熱問題

（9）換熱器的積灰問題

（10）           換熱器維修問題

（11）           換熱器換熱面積的確定問題

下面結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、選材及吹灰系統(tǒng)的設(shè)計，分析以上幾個技術(shù)難題。

4.1高溫?zé)煔鈸Q熱問題

電爐煙氣自二次燃燒塵降室進入換熱器，入口溫度800℃，有時可達1000℃以上；余熱鍋爐額定壓力1.6 MPa,對應(yīng)蒸汽溫度204℃。在這一工況下如何選擇換熱器的設(shè)計方案呢？

第一種方案選用熱管換熱器，此時熱管工作溫度：Tv=(t1+t2)/(n+1)。n兩側(cè)熱阻比，換蒸發(fā)換熱管兩段熱阻比為4—6（與熱管蒸發(fā)段與放熱段的長度比和氣側(cè)的翅化比有關(guān)）。

Tv=(t1+t2)/(n+1)=（800+4*204）=332℃

    目前，國內(nèi)主要以水做工質(zhì)，水在此溫度再高的壓力也處于汽態(tài)，沒有相變，熱管不傳熱。水作工質(zhì)管內(nèi)工作溫度一般不超過240℃。因為不管管殼如何處理在高溫時都存在H₂O+Fe——FeO+H2的反應(yīng)。破壞熱管的真空度，熱管失效。同時熱管管內(nèi)壓力大，遠遠大于熱管的安全運行壓力4.0 MPa。熱管超溫運行爆管現(xiàn)象屢見不鮮。

這一溫度要選擇高溫的有機物(萘、導(dǎo)熱姆等)作熱管介質(zhì)。熱管管壁溫度為332+100=432℃，熱管管材應(yīng)選用不銹材質(zhì)。雖然如此此溫度用熱管換熱存在介質(zhì)的高溫分解問題和爆管問題。

第二種方案選用水管換熱器，水管換熱器不存在熱管的許用工作問題，但是必須考慮沖刷泄露和熱應(yīng)力問題。因此在設(shè)計水管換熱器時選用以下措施：

（1）選用316不銹管對列管迎風(fēng)面防護；

（2）增加管壁厚度，用滲鋁管增加耐沖刷能力。

（3）設(shè)計換熱器入口流速為8米左右，降紙灰塵對換熱沖刷動能。

以上兩種方案都能解決高溫?zé)煔鈸Q熱問題，但我公司推薦用水管換熱器。

4.2換熱器的積灰問題

   煙氣含塵量是8—15g/m³，也就是說每小時500Kg左右的灰塵通過換熱器。電爐煙塵粒度較小0—10μm的灰占灰塵總量的70%以上，該種灰有較強的吸附力，換熱器的除灰是該換熱器的設(shè)計的核心內(nèi)容

4.2.1在換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計上采用以下措施

（1）換熱管間距較其他工況設(shè)備增大。

（2）煙氣在設(shè)備中流速要設(shè)計為一般為8米左右。

（3）換熱器的布置形式必須考慮便于除塵，換熱器布置上采用L型。

（4）嚴(yán)禁采用環(huán)翅片，采用環(huán)翅片可以增大換面強化傳熱，降低設(shè)備投資，但在如此大的灰塵工況中，環(huán)翅片換熱器很快堵死，再好吹積設(shè)備也不能將翅片間的積灰吹凈。因此嚴(yán)禁使用環(huán)翅片管換熱器。

4.2.2沖擊波吹灰方案

（1）水平段采用沖擊波吹灰系統(tǒng)

①沖擊波吹灰系統(tǒng)的工作原理及參數(shù)

 沖擊波吹灰系統(tǒng)是我國引進前蘇聯(lián)軍工技術(shù)，我國消化研制開發(fā)的在線吹灰產(chǎn)品。其工作原理是將空氣和可燃氣按一定比例混合，經(jīng)高能點火后在沖擊波發(fā)生器內(nèi)形成可控強度的沖擊波，沖擊動能吹掃受熱面的同時伴有高聲強聲波震蕩和熱清洗作用，以達到吹除積灰保證受熱面清潔，提高傳熱效率，恢復(fù)鍋爐出力的目的。

JSR型沖擊波吹灰系統(tǒng)的參數(shù)為：

可燃氣體類型：乙炔         可燃氣氣源：瓶裝氣

可燃氣體壓力：0.9-0.15MPa   可燃氣體消耗量：≤0.06m3/次（常溫常壓）

空氣氣源：送風(fēng)機提供        空氣壓力：~4KPa；

空氣消耗量：≤200m3/h（常溫常壓）；

燃料溫度：常溫；            空氣溫度：常溫；

額定能量：25--2500KJ；

②沖擊波發(fā)生器的布置及發(fā)射管的安裝設(shè)計

根據(jù)吹灰器的特點和換熱器實際的空間結(jié)構(gòu)，整個換熱器共設(shè)計布置了8個吹灰點，共安裝8個發(fā)生器，分為4組進行工作。

初步設(shè)計將所有的發(fā)生器安裝布置在換熱器上部，發(fā)射管采用排管形式，吹灰方向向下。

（3）沖擊波發(fā)生器及發(fā)射管選型和安裝

根據(jù)不同的換熱空間及積灰性質(zhì)配用不同能量等級的沖擊波發(fā)生器和不同形式的發(fā)射管，使吹灰更有針對性，更利于吹灰。本套燃氣沖擊波吹灰系統(tǒng)的沖擊波發(fā)生器和發(fā)射管選型如下：

發(fā)射管選用JSRG-133BP；省煤器和空預(yù)器部位的發(fā)生器采用JSR-SP200，發(fā)射管采用JSRG-133P。

沖擊波發(fā)生器的安裝要求盡量垂直安裝，受空間限制時可以傾斜安裝，詳見發(fā)生器的安裝圖。

根據(jù)換熱器積灰特點和受熱面布置方式，為保證較大的吹掃面積和穿透力，設(shè)計安裝的發(fā)射管形式為排孔形式，發(fā)射管裝在換熱器內(nèi)吹灰覆蓋面積大，吹灰徹底。

（4）管路系統(tǒng)的組成

燃氣沖擊波吹灰系統(tǒng)的管路包括空氣管路、乙炔管路以及混合氣管路。

①空氣管路

本套系統(tǒng)的的空氣由系統(tǒng)配備的旋渦氣泵提供，氣泵型號為XGB-5，風(fēng)量為270m3/h，全壓為30KPa，空氣用φ57X3.5的無縫鋼管輸送到混合器，與乙炔進行混合。在空氣管路上安裝了手動球閥和空氣流量計，用來調(diào)整監(jiān)視空氣流量，以保證有效的混合，可靠的吹灰。

②乙炔管路

乙炔管路由乙炔房引出，經(jīng)過手動截止閥、阻火器、流量計、電磁閥、單向閥后進入混合器。

③混合氣管路

混合氣管路從混合罐出口開始，到?jīng)_擊波發(fā)生罐入口結(jié)束?；旌蠚夤苈飞显O(shè)計有壓力阻火器、分配器、阻火器、熱電偶。通過高能點火器的放電點火等的控制，可實現(xiàn)吹掃層的選擇。

（5）程控裝置

程控裝置的核心是一臺可編程控制器，可實現(xiàn)各組單獨吹灰和自動連續(xù)吹灰，同時實現(xiàn)在線監(jiān)測和安全報警保護功能。

（6）本套燃氣沖擊波吹灰系統(tǒng)的特點總結(jié)

吹灰點分布全面，吹灰徹底；吹灰系統(tǒng)可獨立工作，自帶氣泵供氣，可在換熱器冷態(tài)時使用吹灰系統(tǒng)將換熱器內(nèi)吹掃干凈，便于檢修；

根據(jù)不同的換熱空間結(jié)構(gòu)及不同溫段的積灰特點選用不同型號的沖擊波發(fā)生器及發(fā)射管，排孔發(fā)射管吹灰有針對性，覆蓋面積大；

特殊設(shè)計的沖擊波發(fā)生器結(jié)構(gòu)，保證吹灰能量，可燃氣消耗量低，經(jīng)濟性好；

根據(jù)不同的積灰情況，可采用不同的吹灰能量。本系統(tǒng)每次吹掃換熱器1次，消耗乙炔不足1/4瓶，整個吹灰費用不足25元。

可燃氣采用雙電磁閥設(shè)計，管路有多級阻火，安全性好；

采用航空點火器，點火嘴為半導(dǎo)體放電，具有自清潔功能，不積碳，免維護；

特殊設(shè)計的分配器徹底防止煙灰倒灌，無管道積水問題，無啞炮，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；

l       嚴(yán)密的保護報警邏輯，實時的壓力、溫度、流量監(jiān)控，確保運行安全；

l       控制系統(tǒng)自動化程度高，可滿足自動吹灰、點動吹灰、定時吹灰等多種操作要求；

4.2.3 聲波除灰方案

   聲波除灰.在聲波的作用下，可將灰松動，但灰量過大、灰塵較細和附著力強時，選用聲波除灰效果較差。

4.3換熱器的維修問題

該換熱器采用多組組裝式結(jié)構(gòu)，立式換熱器由16組組成，臥式由8組組成，每組可以單獨拆裝、更換，維修方便。

4.4換熱面積的確定

   該熱管余熱鍋爐設(shè)計的難點是換熱面積的確定。因為設(shè)備運行時，換熱管始終有灰包裹，換熱器的粘污熱阻較大，換熱器的粘污熱阻只有憑經(jīng)驗確定。

5、結(jié)論

    我公司先后在萊鋼機械廠、新疆八一鋼廠、興澄特鋼廠、本鋼特鋼廠等單位設(shè)計制造了熱管余熱鍋爐，現(xiàn)在運行情況良好。

天津華能集團能源設(shè)備有限公司

                               2007年12月03日