燒結(jié)冷卻機(jī)低溫廢氣余熱高效回收利用探討

陳景明,許相波

（梅山鋼鐵能源環(huán)保部，江蘇南京210039）

燒結(jié)冷卻機(jī)低溫廢氣余熱高效回收利用探討

陳景明,許相波

（梅山鋼鐵能源環(huán)保部，江蘇南京210039）

以某公司180 m2燒結(jié)機(jī)的冷卻機(jī)低溫廢氣余熱回收利用為對象，結(jié)合現(xiàn)場狀況，制定了回收余熱生產(chǎn)熱水的技術(shù)路線和工藝流程，探討了主體設(shè)備——換熱器的受熱面布置方案。

燒結(jié)冷卻機(jī);低溫廢氣;余熱回收;換熱器

1 前言

燒結(jié)工序是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程中的耗能大戶，在其總能耗中有近50豫的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣，故回收利用這部分熱能意義重大。當(dāng)前，冷卻機(jī)高溫段廢氣（約350益以上）余熱已經(jīng)回收利用，而200益左右的低溫段冷卻機(jī)廢氣余熱的和燒結(jié)機(jī)煙氣余熱尚未有效回收，造成大量熱能被浪費(fèi)。如何對這部分低溫余熱進(jìn)行回收利用成為當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)。

本文以某公司180 m2燒結(jié)機(jī)的冷卻機(jī)低溫廢氣為例，分析低溫余熱回收利用的方式，以熱力計算為基礎(chǔ)，探討余熱回收設(shè)備——換熱器的選型方案。

2 熱源概況

冷卻機(jī)為環(huán)形，上部鋪滿燒結(jié)礦，下部是風(fēng)道。外界空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)道，在壓差作用下穿過燒結(jié)礦層與之換熱，冷卻燒結(jié)礦后產(chǎn)生的熱風(fēng)經(jīng)收集排入煙囪。玉段廢氣溫度較高，已配套余熱鍋爐回收蒸汽加以利用；域段及之后的廢氣余熱當(dāng)前沒有回收。為保證必要的換熱溫差，選用溫度相對較高的域段廢氣作為熱源，之后的廢氣由于溫度過低暫不予考慮。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，冷卻機(jī)域段廢氣的溫度約180益，流量約180000 m3/h。

3 余熱回收利用方案

3.1 回收利用方式

對于這種低溫余熱資源，考慮到溫度波動大和換熱溫差因素影響，若采用回收蒸汽的方式，由于汽化潛熱大，預(yù)計只能產(chǎn)生少量壓力低于0.7 MPa的飽和蒸汽。飽和蒸汽由于壓力低、數(shù)量少，不宜輸送，往往難以就地高效利用。相同余熱資源量，若用來生產(chǎn)熱水，由于沒有相變吸熱，產(chǎn)量能數(shù)倍增加。相比蒸汽，熱水輸送更加方便，且不會造成顯著的品質(zhì)、數(shù)量損失?？紤]到現(xiàn)場的浴室、采暖等有大量熱水需求，故回收選用生產(chǎn)熱水的方式。

3.2 回收工藝流程

來自冷水箱的冷水在水泵作用下，從側(cè)面下部進(jìn)入換熱器管內(nèi)，與從頂部引入的管外熱廢氣逆向流動發(fā)生熱交換，產(chǎn)生95益熱水從側(cè)面上部流出換熱器，進(jìn)入熱水箱，通過熱水車/管道供給就近浴室使用；被冷卻的廢氣從底部流出換熱器，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入煙囪。為滿足浴室用水對水質(zhì)的需求，以廠區(qū)自來水作為冷水箱的補(bǔ)水水源。

水溫控制方面，以換熱器出口水溫作為信號，通過調(diào)節(jié)給水量使其維持目標(biāo)溫度95益；水量控制方面，通過調(diào)節(jié)送往換熱器的廢氣量，調(diào)整熱水生產(chǎn)負(fù)荷。為保證換熱器工作安全，要求出口水溫比飽和溫度低40益[1]，運(yùn)行中應(yīng)確保工作壓力不低于0.32MPa。結(jié)合現(xiàn)場地形狀況，要求余熱回收工藝流程盡可能集約、高效，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/ T1576-2008），方案不考慮配套除氧設(shè)備對給水進(jìn)行處理。為避免水升溫過程中析出的溶解氣體對受熱面產(chǎn)生氧腐蝕，選用耐腐蝕材料，同時在換熱器合適位置設(shè)排氣閥以及時排出析出的氣體。

3.3 換熱器布置方案

在廢氣余熱回收流程中，換熱器是核心設(shè)備，其受熱面的面積大小、布置形式選擇直接決定著余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行能力。鑒于冷卻機(jī)廢氣攜帶少量燒結(jié)礦粉塵、橫向沖刷換熱管，換熱管材質(zhì)要求耐磨損，另一方面給水未經(jīng)除氧，材質(zhì)還應(yīng)具備耐腐蝕性。由于廢氣為空氣，故材料選擇不需考慮低溫酸腐蝕。鑄鐵具有耐磨損、耐腐蝕的突出優(yōu)點(diǎn)，抗氧腐蝕能力較強(qiáng)，考慮其使用限制條件[3]，能夠適應(yīng)燒結(jié)機(jī)廢氣余熱回收現(xiàn)場的需求，故換熱管材質(zhì)選用鑄鐵。

該換熱器是管外廢氣與管內(nèi)水逆向流動發(fā)生無相變的一次對流換熱，介質(zhì)流動形式、換熱機(jī)理與鍋爐省煤器完全一致，基于鑄件一次鑄造成型的特點(diǎn)，換熱器翅片管直接從鑄鐵省煤器的標(biāo)準(zhǔn)管件中選取。換熱器采用逆流布置，以減少換熱面積，保持結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)估算，受熱面管型及數(shù)量初步選擇如下:

管長:3000mm:內(nèi)徑:60 mm:壁厚:3 mm;

換熱器肋片數(shù):115片;橫向管子數(shù):24根;

縱向管子數(shù):14根;橫向節(jié)距:150 S1;

縱向節(jié)距:150 S2;單管受熱面積:4.49 m2;

單管廢氣流通截面積:0.184 m2;

單管工質(zhì)流通面積:0.002826 m2。

考慮換熱器合理的結(jié)構(gòu)布置，換熱器的水平方向，每根奇數(shù)管（即第1.3，…….，23）依次與相鄰偶數(shù)管（第2,4，……，24）連接組成12個并聯(lián)的哉型管，最底層的奇數(shù)管作為給水入口；豎直方向，本層的哉型管出口與上層的對應(yīng)列U型管入口相連接。換熱器分上下兩組布置以便于內(nèi)部檢修，組間設(shè)聯(lián)箱、排氣閥以及時排出氣體。

3.4 換熱器熱力計算

(1)廢氣放熱量Qf計算

t憶、t義——換熱器入口、出口的廢氣溫度，益；

Cp1、Cp2——廢氣分別從0到t憶、t義的平均比熱容，kJ/m3·益；

ψ——換熱器散熱損失的修正系數(shù)。

以上參數(shù)中，Gf和t憶已知，Cp1和Cp2介質(zhì)特性參數(shù)，可查表計算。t義為未知量，先假定后校核。換熱器散熱損失按照2%考慮[4]，ψ=0.98。Qf=180000，Cp1= 1.3303，t憶=180，Cp2=1.3251，假定t義=112，經(jīng)計算Qf= 16.06伊106kj/h。

式中，h憶，h義——水入口焓、出口焓，kJ/kg。由于在出、入口水均為過冷狀態(tài)，其焓值與壓力無關(guān)。

查水熱力性質(zhì)表得h義=398 kJ/kg，h憶=84 kJ/kg。經(jīng)計算Gw=51.15伊103kg/h。

(3)傳熱溫壓Δt計算

式中，Δtmax，Δtmin——傳熱過程最大溫壓、最小溫壓，益；

tw憶，tw義——冷水溫度，熱水溫度，益。

已知tw憶=20，tw義=95，經(jīng)計算，Δtmaxx=92益，Δtmin= 85益，Δt=88.5益。

(4)水吸熱量Qw計算

Qw=KHΔt kJ/h

式中，H——受熱面積，總管數(shù)伊單管受熱面積，m2。

K——換熱系數(shù)，kW/(m2·益)。

對于氣—水對流換熱，換熱系數(shù)的關(guān)鍵影響因素是廢氣流速和廢氣溫度。換熱系數(shù)K可利用廢氣流速、廢氣溫度從文獻(xiàn)4的附圖C19中查取。為避免受熱面堵灰對換熱帶來不利影響，配備聲波吹灰器進(jìn)行清灰。

廢氣流速Vf計算如下：

式中，F(xiàn)——廢氣流通面積，單管廢氣流通面積伊橫向管數(shù)，m2；

t——廢氣平均溫度，益；

經(jīng)計算，煙氣流速Vf=16m/s，K=0.0336 kW/(m2· C)，工質(zhì)吸熱量Q w=16.14伊106kJ/h。

(5)相對誤差ΔQ判定

ΔQ=（Qf-Qw）/Qf伊100%

相對誤差認(rèn)為計算合格。經(jīng)計算，ΔQ=-0.5%，計算合格，故假設(shè)的廢氣排放溫度t義=112合理，不需再迭代計算。

(6)水流速ω計算

ω=Gwυ/(3600F)m/s

υ——水的比容，m3/kg;

F——水的流通面積，單管流通面積伊并聯(lián)管數(shù)，m2；

查表得υ=0.001016 m3/kg，經(jīng)計算，F(xiàn)=0.0339m2，ω=0.43 m/s?？梢娝魉佴貪M足正常運(yùn)行不低于0.3 m/s的要求，且在70%負(fù)荷時（熱水產(chǎn)量36 t/h）仍能連續(xù)正常生產(chǎn)。

根據(jù)熱力計算結(jié)果，換熱器受熱面采用上述布置形式，能夠滿足180 m2燒結(jié)機(jī)現(xiàn)場冷卻機(jī)域段廢氣余熱回收生產(chǎn)95益熱水的需要，熱水設(shè)計產(chǎn)量約51 t/h，在36 t/h以上時能夠連續(xù)正常生產(chǎn)。

以上是換熱器選型的初步探討，為項目后續(xù)實施提供參考，最終的受熱面布置方案、運(yùn)行參數(shù)選擇等，要依據(jù)現(xiàn)場實際條件、結(jié)合配套輔助設(shè)備選型，通過詳細(xì)設(shè)計計算來確定。

4 結(jié)論

(1)通過換熱器回收燒結(jié)冷卻機(jī)低溫廢氣生產(chǎn)熱水的方案適合周邊有熱水需求的場合，與回收蒸汽方式相比，其運(yùn)輸方便、熱回收率高、經(jīng)濟(jì)性更好。

(2)鑄鐵材質(zhì)換熱器耐磨損、耐腐蝕，能適應(yīng)利用冷卻機(jī)低溫廢氣加熱自來水生產(chǎn)熱水這種氣體含塵、水未除氧、余熱資源有限、運(yùn)行參數(shù)不高的場合。

(3)根據(jù)熱源狀況，提出了換熱器布置方案。熱力計算結(jié)果顯示，該方案能夠滿足冷卻機(jī)域段廢氣余熱回收生產(chǎn)熱水的需求，小時熱水產(chǎn)量約51 t，具備70%以上負(fù)荷連續(xù)生產(chǎn)的能力。

[1]趙明泉.鍋爐結(jié)構(gòu)與設(shè)計【M】.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991.56.

[2]張巨勇.鍋爐尾部煙氣余熱的利用[J]，銅業(yè)工程，2000.4.29-31

[3]申麥茹，鑄鐵鍋爐的特點(diǎn)及應(yīng)用淺析[J]，鍋爐壓力容器安全技術(shù)，2003.4.10-11

[4]工業(yè)鍋爐設(shè)計計算(標(biāo)準(zhǔn)方法)【M】，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

A Discussion on Efficient Heat Recovery from Low Tem perature W aste Gas of Sintering Cooler

Chen Jingming,Xu Xiangbo
(Energy and Environmental Protection Dept.of Meishan Iron and Steel Company,Nanjing,Jiangsu 210039,China)

To recover the residual heat from the low temperature waste gas of the cooler for the 180 m2sinter at a plant,the technical route and process flow for hot water produc原tion with recovered waste heat were drawn up and the heating surface arrangement of the major equipment of heat exchanger was discussed based on actual site conditions.

sintering cooler;low temperature waste gas;waste heat recovery;heat exchang原

TK115

B

1006-6764（2014）04-0042-03

2013-11-12

陳景明(1974-)，男，畢業(yè)于華東理工大學(xué)，大學(xué)本科學(xué)歷，高級工程師，現(xiàn)從事企業(yè)能源管理工作。。