硅鐵冶煉爐的煙塵特性及余熱回收利用

，，，

(1.黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001；

2.哈爾濱第703研究所，哈爾濱 150078；

3.青島凱能鍋爐設(shè)備有限公司，青島 266300)

0 引 言

能源短缺、價(jià)格上漲和環(huán)保要求的壓力，高耗能的鐵合金企業(yè)必須解決自身生存發(fā)展的迫切問(wèn)題：節(jié)能降耗、減少排放污染。冶煉一噸硅鐵，耗電約8 500 kw，排氣煙溫為360～600 ℃，煙氣帶走的熱量約29.27×106kJ左右[1]。硅鐵冶煉爐排放煙氣對(duì)環(huán)境污染極為嚴(yán)重，幾乎100%的煙塵均為可吸入顆粒物，經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體肺部危害人體身心健康。對(duì)操作工人的身體健康和社會(huì)環(huán)境均有較大影響。回收硅鐵爐余熱降低能耗、充分利用余熱資源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)外的硅鐵冶煉爐全部實(shí)現(xiàn)余熱利用并且電爐容量均在30 000 kVA以上。國(guó)內(nèi)的硅鐵冶煉爐仍以12 500 kVA爐型為主，直到2010年還在淘汰10 000 kVA以下的爐型。瑞典的美國(guó)艾爾克公司瓦崗廠在五十年代就成功的建設(shè)了半封閉型硅鐵爐的余熱利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。七十年代，日本重化工和賀川公司、挪威比約爾佛森公司、瑞典敦克爾克格拉夫林公司采用噴丸方法[1-2]，即含鉻鋼珠氣動(dòng)輸送敲擊方法除灰。德國(guó)德馬克公司對(duì)硅鐵冶煉爐的余熱利用和除灰方法做了大量試驗(yàn)研究。

自八十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)陸續(xù)利用余熱鍋爐給硅鐵爐煙氣降溫[3-5]，并采用鉻丸法、爆破法、壓縮空氣、蒸汽等方法除灰，但除灰效果并不盡如人意。

硅鐵冶煉爐余熱利用需解決的技術(shù)難題是鍋爐換熱管束上微硅粉SiO2在管束上的粘附性積灰問(wèn)題。微硅粉SiO2粘附在換熱管束上后，使鍋爐管束傳熱條件逐漸惡化，蒸汽產(chǎn)量逐漸下降而不能正常運(yùn)行。2009年以來(lái)，內(nèi)蒙鄂爾多斯冶金有限責(zé)任公司采用振打方式后改為激波除灰的立式余熱鍋爐；甘肅蘭州騰達(dá)西北鐵合金有限責(zé)任公司采用拋丸除灰的立式余熱鍋爐；青海百通高純材料開(kāi)發(fā)有限公司采用機(jī)械刷除灰的臥式余熱鍋爐，使硅鐵行業(yè)的余熱利用投入商業(yè)運(yùn)行，節(jié)能降耗、減少污染排放取得初步成效。但都不同程度的存在某些問(wèn)題。如何發(fā)展、完善低溫低壓余熱鍋爐的研究與設(shè)計(jì)[8]亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：首先是研制高效除灰技術(shù)，取代目前采用的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、多發(fā)故障的機(jī)械除灰方式。其次是采用強(qiáng)化換熱技術(shù)，使用擴(kuò)展受熱面取代目前體積龐大、耗用鋼材多的光管結(jié)構(gòu)余熱鍋爐。

1 硅鐵冶煉爐煙塵分析及積灰試驗(yàn)

埋弧熔煉是硅鐵冶煉爐生產(chǎn)的核心工序，不同的硅鐵冶煉爐其煙氣成分是有差別的，因?yàn)榻固克趾孔兓?、固定碳含量不同、焦炭配入量不同、電極位置變化、電壓波動(dòng)、硅石雜質(zhì)含量、硅石大小不均、以及操作技術(shù)水平欠佳等對(duì)煙氣成分都有影響。正常工況的煙氣參數(shù)差別不大。寧夏某冶金有限公司硅鐵冶煉爐煙氣成分實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 硅鐵冶煉爐煙氣主要成分

煙氣中含塵量一般在～8.5 g/Nm3左右。

表2 粉塵的化學(xué)成分

表3 硅鐵爐煙氣中粉塵的粒徑分布

SiO2的熔點(diǎn)1 726 ℃,4Pb·SiO2熔點(diǎn)726 ℃，2Pb·SiO 2熔點(diǎn)763 ℃，CuS·PbS熔點(diǎn)540 ℃，當(dāng)煙氣中含有接近熔點(diǎn)的金屬化合物時(shí)，積灰呈現(xiàn)粘結(jié)性。

煙氣溫度低于170 ℃時(shí)，硅塵顆粒對(duì)布袋的吸附現(xiàn)象嚴(yán)重，阻力增大。溫度過(guò)低(130 ℃)時(shí)，還可能導(dǎo)致煙氣中SO、SO2露點(diǎn)酸凝。所以，硅鐵爐余熱鍋爐出口溫度應(yīng)控制在150～180 ℃。因此,也不會(huì)產(chǎn)生低溫粘結(jié)灰。如果煙塵含硫很低，排煙溫度設(shè)計(jì)可低于150 ℃。

微硅粉的基本物理性質(zhì)：

(1) 存在形式：無(wú)定形超細(xì)(非晶體)粉末或絮狀粉末。

(2) 典型顏色：灰白色(自然狀態(tài)呈白色，隨著密度的增大，顏色逐漸加深)。

(3) 比表面積：大部分<15 ～ 27 m2/g。

(4) 松散容重：150 ～ 230 kg/m3。

(5) 活性指標(biāo)：≥85%。

(6) 需水量比：≤125%。

(7) 高電絕緣性：比電阻通常在1 011～1 013 Ω·cm 范圍之內(nèi)。

(8) 極強(qiáng)隔熱性，熱傳導(dǎo)率非常低≤0.05 W/mK(由于多孔性)。

(9) 很好的增粘作用。

硅鐵爐煙氣溫度一般在370～450 ℃，個(gè)別硅鐵爐煙氣溫度高于500 ℃，不存在金屬熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài)，因此煙塵中的SiO2沒(méi)有粘結(jié)性，只具有粘附性。屬于粘結(jié)傾向的粘附性。粒徑極小，比表面積很大，而且絕熱性能極強(qiáng)，當(dāng)SiO2粉塵粘附在換熱管束上后，由于SiO2粉塵的隔熱性致使換熱效果惡化。因此，如果余熱鍋爐換熱管上硅粉粘附，即使僅僅是粘附薄薄一層，也會(huì)對(duì)管道內(nèi)外熱交換產(chǎn)生相應(yīng)的隔絕作用，嚴(yán)重影響熱交換。

當(dāng)煙氣速度很低時(shí)(本試驗(yàn)是在布袋除塵室內(nèi)，速度<4 m/s)，SiO2在整個(gè)管壁上都有積灰(如圖1和圖2所示)。

圖1 煙氣速度很低時(shí)管束積灰情況

圖2 煙氣速度很低時(shí)管束積灰情況

圖3 煙氣速度18.5 m/s時(shí)迎風(fēng)面積灰情況

圖4 煙氣速度18.5 m/s時(shí)背風(fēng)面積灰情況

由圖3可知迎風(fēng)面無(wú)積灰，圖2顯示背風(fēng)面微楔形積灰。圖4可見(jiàn)前幾排銷釘迎風(fēng)面有微量積灰，后三排迎風(fēng)面楔形積灰，背風(fēng)面微楔形積灰。

煙氣速度低時(shí)，粘附屬干松灰，整個(gè)管外壁均有積灰，背風(fēng)面呈現(xiàn)楔形積灰并在銷釘之間有搭橋現(xiàn)象。

煙氣速度高時(shí)(這二次試驗(yàn)為18.5 m/s，余熱鍋爐前煙道內(nèi)正常流速)，前幾排銷釘迎風(fēng)面積灰較少，背風(fēng)面管壁上的積灰為單側(cè)楔形積灰。后幾排迎風(fēng)面積灰為楔形積灰，背風(fēng)面為微楔形積灰并成塊脫落。試驗(yàn)表明，微硅粉具有較強(qiáng)粘附性，在背風(fēng)面管壁上有粘結(jié)趨勢(shì)(可能含其他金屬化合物)。

煙氣速度在11 m/s左右時(shí)，積灰較少。

硅鐵爐煙塵中的SiO2具有很強(qiáng)的粘附性，而且絕熱性能極強(qiáng)，對(duì)管束的附著力很強(qiáng)，當(dāng)SiO2粉塵附在換熱管束上后，由于SiO2粉塵的隔熱性致使換熱效果惡化，如果不施加外力不會(huì)自行脫落。SiO2積灰質(zhì)地比較松軟，但是在煙道壁面上隨積灰厚度增加，會(huì)結(jié)成硬殼。余熱鍋爐換熱管上薄薄一層微硅粉，也會(huì)對(duì)管道內(nèi)外熱交換產(chǎn)生相應(yīng)的隔絕作用，嚴(yán)重影響余熱回收和煙氣降溫。

2 燃?xì)饷}沖(激波)除灰[7-9]試驗(yàn)

吹灰器的關(guān)鍵技術(shù)是具有足夠激波強(qiáng)度和區(qū)域全覆蓋。在設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮沖擊波強(qiáng)度、能量分布范圍和作用范圍。

燃?xì)饷}沖(激波)吹灰系統(tǒng)主要由燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)和激波脈沖發(fā)生系統(tǒng)組成。

激波脈沖主要參數(shù)：

瞬間爆燃?xì)饬魉俣龋杭s360 m/s。

噴口沖擊氣流壓力：2.1 MPa。

最大壓力升高所需時(shí)間：0.003 S。

聲壓：106 Pa。

聲級(jí)：170 dB。

針形管余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)，過(guò)熱器、蒸發(fā)器和省煤器的第一排管積灰情況與單根針形管類似，其他排管積灰情況與第一根針后部分類似。

圖5 一次脈沖吹灰后情況

圖6 連續(xù)兩次脈沖吹灰后情況

圖7 連續(xù)三次脈沖吹灰后情況

圖5、圖6、圖7是吹灰后情況。試驗(yàn)表明多次吹灰(連續(xù)兩次或兩次以上)效果更好。所以，設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮連續(xù)多次脈沖吹灰或增加激波強(qiáng)度。文中設(shè)計(jì)吹灰方案只適用于所選爐型及其積灰特性。運(yùn)行試驗(yàn)狀況良好。

3 余熱鍋爐設(shè)計(jì)

針對(duì)硅鐵爐煙氣余熱及含塵特點(diǎn)，在18 500 kVA硅鐵爐(本爐特點(diǎn)是煙氣溫度較高)上設(shè)計(jì)余熱利用系統(tǒng)。余熱鍋爐由出口煙箱、過(guò)熱器段、蒸發(fā)器段、省煤器段、進(jìn)口煙箱等五部分組成。

從礦熱爐出口的煙氣，經(jīng)煙道到余熱鍋爐入口，煙氣自上而下流動(dòng)，流經(jīng)過(guò)熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器和省煤器，最后排出煙囪。

設(shè)計(jì)原始條件及參數(shù)：

(1)煙氣流量：55 000 Nm3/h。

(2)煙氣進(jìn)口溫度：600 ℃。

(3)煙氣出口溫度：160 ℃。

(4)額定蒸發(fā)量：11 t/h。

(5)過(guò)熱蒸汽溫度：330 ℃。

(6)過(guò)熱蒸汽壓力：1.27 MPa(a)。

(7)除氧器出水溫度：104 ℃。

采用光管直徑38 mm、壁厚3.5 mm、針肋直徑5.5 mm、高度30 mm、軸向針肋間距18 mm。管距、排列形式也是余熱鍋爐的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

材料選擇：過(guò)熱器管12Cr1MoVG、過(guò)熱器管箱1Cr13、蒸發(fā)器和省煤器管材質(zhì)20GB-3087、蒸發(fā)器和省煤器管箱Q235A，管子均為Φ38×3.5。

余熱鍋爐采用立式布置、管箱式結(jié)構(gòu)，鍋爐管箱內(nèi)由上而下依次設(shè)過(guò)熱器、蒸發(fā)器和省煤器。針形管是整個(gè)余熱鍋爐中主要的熱交換部件。

余熱鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)，即汽、水工質(zhì)在管內(nèi)是依外力(強(qiáng)制循環(huán)水泵)驅(qū)動(dòng)，立式布置，受熱面部件采用模塊式管箱結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)化換熱技術(shù)主要包括螺旋翅片管、鋸齒形螺旋翅片管、銷釘(針形)管、H形翅片管等。增加管外換熱面積，形成擴(kuò)展受熱面，高效提高換熱效率、大幅度縮小鍋爐體積，減少鋼材用量。根據(jù)微硅粉SiO2粘附特性和試驗(yàn)結(jié)果，采用針形管[10-12]實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展受熱面，即翅化(肋化)表面增強(qiáng)管外換熱。針形管[13-14]，將針肋焊接在中心管外，針肋是一種非連續(xù)肋片換熱面。針肋表面不僅能起到增加參與對(duì)流換熱的總有效面積、減小管外換熱熱阻的作用，而且可使管壁溫度更接近于同側(cè)流體的溫度。

鍋爐對(duì)流傳熱管兩側(cè)的煙氣、水進(jìn)行熱交換，煙氣側(cè)的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水側(cè)，傳熱系數(shù)的提高主要取決于氣側(cè)熱阻的減小。從傳熱學(xué)的角度定性地分析，帶有擴(kuò)展受熱面的針形管強(qiáng)化傳熱元件大大增加了煙氣側(cè)的換熱面積，同時(shí)煙氣流經(jīng)針形管表面時(shí)形成強(qiáng)烈的紊流、擾動(dòng)劇烈，氣側(cè)的層流邊界層被破壞，有效減小了煙氣側(cè)熱阻。

對(duì)流換熱情況非常復(fù)雜，既與煙氣的流速、溫度及物性參數(shù)有關(guān)，還與流道結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如管外徑，針肋長(zhǎng)度、直徑、間距以及針形管的長(zhǎng)度等。

無(wú)論煙氣是橫向還是縱向沖刷管束，所有針形擴(kuò)展表面都受到煙氣的橫向紊流沖刷，氣流在針肋的圓柱背面形成對(duì)稱的穩(wěn)態(tài)旋渦和回流區(qū)，熱邊界層不斷地被破壞和再形成，從而使整個(gè)換熱面邊界層減薄，減小了熱阻而大大提高換熱系數(shù)。其次，由于針形管針肋是一種懸臂結(jié)構(gòu)，在氣流的沖擊作用下，針肋產(chǎn)生振動(dòng)，使煙灰不易粘附；加之煙氣強(qiáng)烈的紊流沖刷，使針形管換熱元件具有一定的自清灰能力。此外，針形管結(jié)構(gòu)緊湊，單位換熱量金屬耗量低、是理想的強(qiáng)化傳熱元件。

4 應(yīng)用實(shí)例

寧夏中衛(wèi)市銀河冶金有限公司18 500 kVA硅鐵礦熱爐裝配設(shè)計(jì)的煙氣余熱鍋爐后，調(diào)試運(yùn)行期間運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：

煙氣流量：53 000 Nm3/h ～ 56 000 Nm3/h。

煙氣溫度：550 ～ 650 ℃。

過(guò)熱蒸汽壓力：1.23～1.27 MPa(a)。

過(guò)熱蒸汽溫度：310～330 ℃。

煙氣出口溫度：150～170 ℃。

過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量：10.5～11 T/h。

汽輪發(fā)電機(jī)組出力：1 200～1 400 KW。

試運(yùn)行情況表明：余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)檢查，除灰系統(tǒng)作用效果良好，能保證余熱鍋爐各受熱面區(qū)域基本不積灰或微量積灰。因此，余熱鍋爐能夠長(zhǎng)時(shí)期正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)微硅粉具有粘附性，在背風(fēng)面管壁上有粘結(jié)趨勢(shì)。速度高時(shí)，迎風(fēng)面不積灰，背風(fēng)面產(chǎn)生微楔形積灰。有擾動(dòng)的迎風(fēng)面產(chǎn)生楔形積灰。速度低時(shí)，粘附形成干松灰，背風(fēng)面呈現(xiàn)楔形結(jié)構(gòu)。在銷釘之間搭橋現(xiàn)象比較嚴(yán)重，甚至堵塞。速度適當(dāng)時(shí)，積灰較少。

(2)采用針形管擴(kuò)展受熱面、減少鋼材耗量。

(3)燃?xì)饷}沖(激波)吹灰裝置在硅鐵爐余熱鍋爐上試驗(yàn)并運(yùn)行成功，為一直困惑硅鐵冶煉行業(yè)的余熱鍋爐除灰問(wèn)題指明了研究發(fā)展方向。為降低運(yùn)行費(fèi)用，可考慮類似的脈沖技術(shù)。

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