煙道換熱系統(tǒng)在活性焦煙氣凈化工藝煙氣降溫上的應用

劉振利

(中冶北方工程技術(shù)有限公司,遼寧 大連 116600)

0 引言

2019年，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、財政部、交通運輸部等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，針對鋼鐵行業(yè)超低排放改造工作方案中明確了有組織排放控制的具體指標：燒結(jié)機頭煙氣、球團焙燒煙氣在基準含氧量16%條件下，顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別不得超過10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3。根據(jù)超低排放標準要求，出口超凈煙氣污染物濃度的指標是在基準含氧量16%條件下計算的，如果煙氣中氧含量超過16%，需要折氧。在折氧的條件下，污染物濃度則要求的更低，對煙氣凈化工藝提出了更高的要求。因此，應嚴格控制原煙氣中的氧含量。

活性焦煙氣凈化技術(shù)作為實現(xiàn)煙氣超低排放的主要工藝技術(shù)，可有效的除去煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、二噁英、重金屬等多種污染物?；钚越篃煔鈨艋夹g(shù)需要控制進入吸附系統(tǒng)的煙氣溫度在130℃左右。當原煙氣溫度超過130℃時，需要采用有效的煙氣降溫手段，使煙氣溫度控制在130℃以下。煙道換熱系統(tǒng)可以在不增加原煙氣氧含量的條件下，有效的降低原煙氣的溫度，在活性焦煙氣凈化工藝中得到越來越廣泛的應用。

1 煙氣降溫技術(shù)應用

1.1 兌冷風降溫形式

兌冷風作為早期活性焦煙氣凈化系統(tǒng)的主要降溫方式，簡單方便，不占用場地空間，是比較理想的一種降溫方式。但是兌冷風會增加煙氣凈化系統(tǒng)處理的煙氣量，增加系統(tǒng)的能耗。在超低排放的大背景下，活性焦煙氣凈化系統(tǒng)需要在原基礎(chǔ)上增加吸附單元以實現(xiàn)超低排放的目標。若系統(tǒng)再采用兌冷風的方式，則需要額外增加吸附單元，對工程投資、運行費用都產(chǎn)生不利的影響[1]。

1.2 噴水降溫形式

噴水降溫措施能降低煙氣溫度，但噴水降溫對后期管道的腐蝕是顯而易見的，且噴水降溫增加了煙氣的濕度，對后續(xù)煙氣的吸附及系統(tǒng)產(chǎn)生廢水量都具有很大的影響[1]。

1.3 煙道換熱形式

煙道換熱系統(tǒng)采用氣水換熱方式，采用水與原煙氣進行換熱。換熱水在管層，原煙氣在殼層，水氣不直接接觸，不增加原煙氣的含水量，不增加吸附單元的處理煙氣量，不增加原煙氣中的氧含量，可有效的降低原煙氣的溫度。

2 煙道換熱系統(tǒng)工藝技術(shù)

2.1 煙道換熱系統(tǒng)的組成

目前在工業(yè)應用上，煙道換熱系統(tǒng)根據(jù)換熱水側(cè)吸熱后的狀態(tài)不同，主要有兩種形式。一種形式為水吸熱后以高溫熱水的形態(tài)進行循環(huán)利用；一種形式為余熱鍋爐相變形式，水吸熱后產(chǎn)生一部分低壓蒸汽與一部分熱水的形式。主要對第一種形式的煙道換熱系統(tǒng)進行論述。

煙道換熱系統(tǒng)主要由煙氣水換熱系統(tǒng)、熱媒水補水系統(tǒng)、熱媒水換熱系統(tǒng)等部分組成。燒結(jié)煙氣活性焦煙氣凈化系統(tǒng)煙道換熱系統(tǒng)主要工藝流程圖如圖1所示。

圖1 煙道換熱系統(tǒng)流程圖

2.2 煙氣水換熱系統(tǒng)

煙氣水換熱系統(tǒng)是煙道換熱系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)的功能是將原煙氣降低到適合溫度后進入后續(xù)活性焦脫硫塔內(nèi)。在原煙氣—熱媒水換熱系統(tǒng)中，根據(jù)原煙氣量以及原煙氣的溫度差來確認熱媒水的內(nèi)循環(huán)量。見公式(1)。

Q2=Q1ρ1C1(t1-t2)/[ρC(T2-T1)]

(1)

式中:Q1為原煙氣流量，Nm3/h；Q2為熱媒水內(nèi)循環(huán)量，m3/h；ρ1為原煙氣的密度，kg/Nm3；ρ為水的密度，kg/m3；C1為原煙氣的比熱容，kJ/(kg·K)；C為水的比熱容，kJ/(kg·K)；t1為原煙氣初始溫度，℃；t2為原煙氣控制溫度，℃；T1為熱媒水循環(huán)初溫，℃；T2為熱媒水循環(huán)終溫，℃。

由式(1)中可知，影響熱媒水的內(nèi)循環(huán)量的主要因素有原煙氣的流量、原煙氣的溫度降以及熱媒水的換熱溫差。

——原煙氣系統(tǒng)：原煙氣是指未凈化的燒結(jié)、球團等煙氣。原煙氣中的硫、氮、粉塵等污染物濃度較大，不同來源的原煙氣中的水含量也不盡相同。其中原煙氣中粉塵、粉塵的性質(zhì)以及含水量對煙道換熱系統(tǒng)的換熱效率及運行工況有較大影響。某鋼廠活性焦煙氣凈化系統(tǒng)煙道換熱系統(tǒng)運行前、運行一段時間后，換熱器表面積灰情況見圖2。

圖2 某鋼廠煙道換熱系統(tǒng)運行前后對比圖

如圖2所示，在煙道換熱系統(tǒng)中，煙氣在換熱器本體的翅片內(nèi)完成換熱過程。若原煙氣中的粉塵濃度較大，則會在翅片間聚集，使翅片與翅片發(fā)生連橋，進而堵塞換熱器。原煙氣中的含水量以及粉塵粘黏性對粉塵的聚集有很大的影響，含水量越大、粉塵越具有粘黏性，對換熱器的換熱效果影響越大。因此，應該嚴格控制原煙氣中的粉塵含量和含水量。根據(jù)工程實踐，原煙氣中水含量9%～11%(體積比)，粉塵含量≤80mg/Nm3條件下，通過定期檢修清理，換熱器表面積灰現(xiàn)象可以得到有效控制。

——熱媒水系統(tǒng)：為避免結(jié)垢影響正常生產(chǎn)，熱媒水系統(tǒng)采用軟水或除鹽水與原煙氣進行間接換熱，換熱后的高溫軟水或除鹽水進入熱媒水系統(tǒng)實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

熱媒水的溫度與熱媒水換熱溫差是熱媒水系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。其中，熱媒水的溫度設定是影響煙氣側(cè)結(jié)露與否的關(guān)鍵因素，熱媒水的溫度過低，會使煙氣在管壁處或氣流狹小處發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，導致?lián)Q熱器發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；熱媒水換熱溫差不僅影響煙氣側(cè)的運行，對下游熱媒水換熱器的換熱面積及循環(huán)冷卻水的用量都有很大的影響。

根據(jù)工程實踐，熱媒水的溫差以15℃～30℃為宜。

2.3 熱媒水補水系統(tǒng)

熱媒水補水系統(tǒng)的主要作用是向熱媒水系統(tǒng)內(nèi)補充新鮮的軟水或除鹽水，以補充系統(tǒng)泄露或排污所損失的水量。熱媒水循環(huán)系統(tǒng)主要包括定壓補水系統(tǒng)、循環(huán)水泵、水箱等。

定壓補水系統(tǒng)的功能是穩(wěn)定循環(huán)水的工作壓力，保證系統(tǒng)內(nèi)的熱水不汽化，補充系統(tǒng)失水。定壓補水系統(tǒng)常用定壓補水泵及水箱控制補水的方式。

2.4 熱媒水換熱系統(tǒng)

熱媒水換熱系統(tǒng)采用水—水換熱器，采用冷卻水將熱媒水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用的軟化水或除鹽水冷卻的一種換熱系統(tǒng)。熱媒水換熱系統(tǒng)根據(jù)冷卻水的換熱溫度不同，分為余熱利用冷卻系統(tǒng)和循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

余熱利用冷卻系統(tǒng)是將工藝冷水與熱媒水進行間接換熱的系統(tǒng)，通過余熱利用冷卻系統(tǒng)，可將工藝冷水加熱到80℃以下，用于生活或生產(chǎn)使用。該系統(tǒng)可有效的利用煙氣的余熱，是一種節(jié)能環(huán)保的有效手段。

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)是將循環(huán)水與熱媒水進行間接換熱，換熱后的高溫循環(huán)水通過冷卻水塔冷卻后循環(huán)使用。循環(huán)水冷卻系統(tǒng)是當余熱利用冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水無法綜合利用時的一種降溫手段，因為受冷卻水塔降溫幅度的影響，循環(huán)水的水溫一般以33℃～43℃溫度范圍為宜。循環(huán)水水量計算公式如下：

Q3=kQ2(T2-T1)/(T4-T3)

(2)

式中：k為系數(shù)；Q2為熱媒水內(nèi)循環(huán)量，Nm3/h；Q3為循環(huán)冷卻水流量，m3/h；T1為熱媒水循環(huán)初溫，℃；T2為熱媒水循環(huán)終溫，℃；T3為循環(huán)水初溫，℃；T4為循環(huán)水終溫，℃。

由式(2)可知，循環(huán)冷卻水流量主要與循環(huán)冷卻水的溫差有關(guān)。

3 結(jié)語

——應合理的控制原煙氣中的含水量和粉塵含量，避免粉塵堵塞煙氣水換熱器。

——熱媒水系統(tǒng)應采用軟水或除鹽水作為內(nèi)循環(huán)水，避免結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生；應合理控制熱媒水的溫度和溫降。

——熱媒水換熱系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場對高溫水的應用情況，合理選擇工藝流程。

——煙道換熱系統(tǒng)在不增加原煙氣的含水量、不增加吸附單元的處理煙氣量、不增加原煙氣中的氧含量的條件下，可有效的降低原煙氣的溫度，在活性焦煙氣凈化技術(shù)煙氣降溫中的應用將越來越廣泛。