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1、电炉烟气余热利用工程实践介绍 高志军13672003867(天津华能能源设备有限公司)摘要：利用电炉烟气余热锅炉,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。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
2、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。11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
3、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。12余热锅炉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1.02.5MPa,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
4、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
5、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。
6、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
7、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198381号关于废热锅炉安全监察和管理
8、问题的通知及劳人锅局198448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1996276号蒸汽锅炉安全技术监察规程进行。22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
9、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,燃烧沉降室及段烟道在车间内电炉侧,段烟道在电炉主操作平台下水平布置,段烟道、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、段、段、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。段烟道及热管换热器则采用自
10、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
11、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,由于段烟道烟温最高,因此选定流速也最大,设计在3040m/s之间,后置的段、段、段烟道按2035m/s设计。
12、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1015m/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锅炉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
13、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:工业循环冷却水:流量约1800t/h,补充新水按5%计算,折合-9015=-135元/h;电能:冷却水循环泵电耗约600kW;折合-60005=-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:软水:排污损耗10%,补水流量约为11t/h,折合-1136=-396元/h;电能:工作电耗约250kW,折合-2500
14、5=-125元/h;收益:饱和蒸汽:1016MPa,约10t/h,折合1090=900元/h。按年工作小时29024=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,1618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,开拓了一条新途径天津华能能源设备有限公司高志军
