熱管余熱鍋爐在冶金電爐煙氣余熱回收中應用

1概述

隨著改革開放的深入進行我國國民經濟迅猛發展，發展與環保問題的是我國經濟發展的重中之重。冶金領域的鐵合金生產的環保治理與余熱回收是其重要內容，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℃，造成大量的環境污染，及能源浪費。冶金電爐的環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。二是積灰嚴重無法正常運行。因此開發了熱管余熱鍋爐回收煙氣余熱。

2．基礎條件

天津華能集團能源設備有限公司是集科研、生產、銷售為一體的工業企業。1992年從中科院引進熱管技術。我們以此為龍頭不斷開發新技術。1995年開發研制了循環式熱管熱風爐，經*鑒定達國際*水平，獲天津市科技進步一等獎；1997年開發熱管水加熱器，經*鑒定達國內*水平，獲天津市科技進步三等獎；1998年開發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能技術科技推廣二等獎。

多年來，我公司始終堅持科研、推廣并重的原則，公司內有高級工程師10人、工程師35人，技術力量雄厚。公司內有換熱器、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．熱管余熱鍋爐的設計技術

3.1設備結構及組成

   熱管余熱鍋爐一般采用立式和臥式兩種結構，由蒸發器、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

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，經過高溫管進入立式蒸發器，煙氣從立式蒸發器底部出，進入水平蒸發器，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

 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；汽包和蒸發器自然循環；汽包內蒸汽與水分離；蒸汽進入蓄熱器；蓄熱器蒸汽外供給用戶使用。

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

⑵系統除氧選用熱力除氧。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配兩臺電動給水泵，水泵揚程除滿足系統壓力外，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、蒸汽發生器、汽包均設有排污出水口，可定期清除內部殘留污物及水垢。系統水箱設有給水取樣；汽包設有水取樣點，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）額定蒸發量：16000Kg/h

（7）煙氣含塵 量：8--15g/m³

4.主要設計內容

該工藝熱管余熱鍋爐設計存在如下技術難點：

（8）高溫煙氣換熱問題

（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

下面結合設備的結構、選材及吹灰系統的設計，分析以上幾個技術難題。

4.1高溫煙氣換熱問題

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,對應蒸汽溫度204℃。在這一工況下如何選擇換熱器的設計方案呢？

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兩側熱阻比，換蒸發換熱管兩段熱阻比為4—6（與熱管蒸發段與放熱段的長度比和氣側的翅化比有關）。

Tv=(t1+t2)/(n+1)=（800+4*204）=332℃

    目前，國內主要以水做工質，水在此溫度再高的壓力也處于汽態，沒有相變，熱管不傳熱。水作工質管內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。破壞熱管的真空度，熱管失效。同時熱管管內壓力大，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象屢見不鮮。

這一溫度要選擇高溫的有機物(萘、導熱姆等)作熱管介質。熱管管壁溫度為332+100=432℃，熱管管材應選用不銹材質。雖然如此此溫度用熱管換熱存在介質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力問題。因此在設計水管換熱器時選用以下措施：

（1）選用316不銹管對列管迎風面防護；

（2）增加管壁厚度，用滲鋁管增加耐沖刷能力。

（3）設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煙氣換熱問題，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計的核心內容

4.2.1在換熱器結構的設計上采用以下措施

（1）換熱管間距較其他工況設備增大。

（2）煙氣在設備中流速要設計為一般為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）嚴禁采用環翅片，采用環翅片可以增大換面強化傳熱，降低設備投資，但在如此大的灰塵工況中，環翅片換熱器很快堵死，再好吹積設備也不能將翅片間的積灰吹凈。因此嚴禁使用環翅片管換熱器。

4.2.2沖擊波吹灰方案

（1）水平段采用沖擊波吹灰系統

①沖擊波吹灰系統的工作原理及參數

 沖擊波吹灰系統是我國引進前蘇聯軍工技術，我國消化研制開發的在線吹灰產品。其工作原理是將空氣和可燃氣按一定比例混合，經高能點火后在沖擊波發生器內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，恢復鍋爐出力的目的。

JSR型沖擊波吹灰系統的參數為：

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沖擊波發生器的布置及發射管的安裝設計

根據吹灰器的特點和換熱器實際的空間結構，整個換熱器共設計布置了8個吹灰點，共安裝8個發生器，分為4組進行工作。

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

（3）沖擊波發生器及發射管選型和安裝

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

發射管選用JSRG-133BP；省煤器和空預器部位的發生器采用JSR-SP200，發射管采用JSRG-133P。

沖擊波發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，詳見發生器的安裝圖。

根據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，設計安裝的發射管形式為排孔形式，發射管裝在換熱器內吹灰覆蓋面積大，吹灰徹底。

（4）管路系統的組成

燃氣沖擊波吹灰系統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

本套系統的的空氣由系統配備的旋渦氣泵提供，氣泵型號為XGB-5，風量為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，用來調整監視空氣流量，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，到沖擊波發生罐入口結束�；旌蠚夤苈飞显O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，可實現各組單獨吹灰和自動連續吹灰，同時實現在線監測和安全報警保護功能。

（6）本套燃氣沖擊波吹灰系統的特點總結

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

根據不同的換熱空間結構及不同溫段的積灰特點選用不同型號的沖擊波發生器及發射管，排孔發射管吹灰有針對性，覆蓋面積大；

特殊設計的沖擊波發生器結構，保證吹灰能量，可燃氣消耗量低，經濟性好；

根據不同的積灰情況，可采用不同的吹灰能量。本系統每次吹掃換熱器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，點火嘴為半導體放電，具有自清潔功能，不積碳，免維護；

特殊設計的分配器徹底防止煙灰倒灌，無管道積水問題，無啞炮，系統運行穩定可靠；

l       嚴密的保護報警邏輯，實時的壓力、溫度、流量監控，確保運行安全；

l       控制系統自動化程度高，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構，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

   該熱管余熱鍋爐設計的難點是換熱面積的確定。因為設備運行時，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驗確定。

5、結論

    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計制造了熱管余熱鍋爐，現在運行情況良好。

天津華能集團能源設備有限公司

                               2007年12月03日