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余熱利用
冶金工業余熱回收
簡介: 
冶金工業是耗能大戶,不論是有色冶金或黑色冶金工業都存在大量的節能問題。以鋼鐵企業為例,焦爐、高爐及煉鋼工序均有相當數量的的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達1600℃,熱能的形態有固體、氣體、液體,其中很多為間隙排放,因之給余熱回收帶來了一定的難度。由于熱管的的眾多特點,特別適用于上述場合的余熱回收利用。高溫熱管及高溫熱管空氣預熱器、高溫熱管蒸汽發生器開發運用成功,給冶金企業的高品位余能利用帶來了新的希望。

加熱爐和均熱爐的余熱利用:

軋鋼連續加熱和均熱爐是鋼鐵企業中耗能較多的設備。其熱效率一般只有20%~30%,約有70%~80%的熱量散失于周圍環境和被排煙帶走。其中煙氣帶走的熱損失約占30%~35%。加熱爐的煙氣量根據爐型大小不同,一般在(標準狀態)7000~300000m3/h的范圍內。煙氣溫度一般為550~990℃,也有超過1000℃以上的。從直接節能來考慮,工程界希望將煙氣的余熱用來加熱助燃空氣。當助燃空氣被加熱到400℃時,可以得到節能20%~25%的效果。以下為典型應用和設計實例:
 
   件加熱爐熱管空氣預熱器
一鋼坯加熱爐,爐內溫度高于1000℃,煙氣溫度大于900℃,通過鈉熱管空氣預熱器將40℃的空氣加熱至400~450℃與二次風(800℃)混合后入爐助燃。其流程如圖所示。
 
 
該設備設計參數如表所示,該工程燃料節約率為18%,設備投資回收期約8個月。
 
空氣預熱器參數
 
項      目
煙    氣
空    氣
流量(標準狀態)/(m3/h)
3500
3000
進口溫度/℃
700
40
出口溫度/℃
200
400
壓力降/Pa
420
500
設備規格/m
長0.9×寬×0.7×高1.2
熱管規格/㎜
φ38×1200
翅片規格/㎜
高14×厚2
 
 
   線材退火爐的余熱回收
下圖所示一線材退火爐,爐內溫度為1000℃左右,排煙溫度約800℃,在煙道中放置一高溫熱管空氣預熱器,高溫煙氣通過熱管換熱器熱管的蒸發段,煙氣降至150~170℃排空。20℃的常溫空氣通過換熱器熱管的冷凝段,被加熱到400~500℃,作為助燃空氣進入燃燒噴嘴。

應用結果表明,節約燃料可達23%,其設計參數如下表所示。
 
退火爐余熱回收設計參數
 
項     目
煙     氣
空     氣
流量(標準狀態)/(m3/h)
1480
1380
進口溫度/℃
800
20
出口溫度/℃
150
400
壓力降/Pa
400
450
設備規格/m
φ32×1200
翅片規格/㎜
φ62×1.2
換熱量/kW
184
換熱器尺寸/ m
寬0.32×高1.1×長1.2
 
 
   軋鋼連續加熱爐的余熱回收
軋鋼連續加熱爐排出的煙氣溫度很高,有時可達1000~1100℃,余熱回收利用的方式首推采用空氣預熱器。回收的余熱,除了熱損失可以百分之百地用于燃燒爐內,不僅節約燃料而且可以改善燃燒效果。但常規的空氣預熱器體積龐大,所以許多工廠采用了余熱鍋爐的辦法來回收余熱產生蒸汽。這樣雖然可以達到節能的目的,但不能直接節約燃料,也得不到由于燃燒條件改善而對產品產量質量方面帶來的好處。當前很多工廠采用余熱鍋爐和空氣預熱器相結合的辦法來達到兼顧的目的。以下是兩種回收流程。
 
㈠空氣預熱器流程
如圖所示,加熱爐煙氣1200℃左右直接進入高溫熱管空氣預熱器,降至140~170℃排入煙囪。20℃常溫空氣被加熱至450℃以上作為助燃空氣進入加熱爐助燃。其燃料節約率在20%以上。使用結果表明,其投資回收時間根據燃料品種不同大概在1年左右。
 
上圖的布置方式適用于小型加熱爐。對于大型軋鋼加熱爐由于處理的煙氣量大,設備重量和體積都比較大,采用地面布置的方式更為適合,以下為一設計實例。某大型加熱爐排煙溫度為850℃,煙氣量為(標準狀態)170000 m3/h,要求將(標準狀態)150000 m3/h的常溫空氣加熱到550℃,煙氣側允許壓力降為150 Pa,采用列管式或熱管式兩種方案,設計結果如下表所示。
 
設計方案比較
 
項     目
熱管式
列管式
換熱量/ kW
30000
30000
煙氣側壓力降/Pa
145
125
換熱面積/㎡
6804
5566
管子根數/根
1575
15360
管子規格/㎜
φ38×2.5
φ42×2.5
設備規格/m
6×6.5×0.56
9.6×3×7.8
沿風排數/排
21
120
總傳熱系數/[W/(㎡·℃)
72
18.8
設備容積/m3
21.84
225
設備重量/t
78
104
管子材料
25Cr,20Ni,1Cr18Ni9Ti
25Cr,20Ni,1Cr18Ni9Ti
強化方式
二側翅片
光管
煙氣入口最高溫度/℃
~1100
~850
 
由上表可以看出,在允許的壓力降范圍內,熱管換熱器在傳熱效率、體積、重量方面均優于列管式換熱器。

㈡余熱鍋爐流程


國內外許多軋鋼加熱爐采用了余熱鍋爐和空氣預熱器相結合的流程來回收煙氣的高溫余熱。即首先將高溫煙氣通過余熱鍋爐(蒸汽發生器)降至500~600℃溫度范圍,產生1.9~3.0Pa的蒸汽,降溫后的煙氣通過空氣預熱器將常溫空氣預熱至250℃,煙氣溫度降至300℃以下進入熱管省煤器,將105℃的脫氧水加熱至250℃左右,煙氣溫度降至200℃以下,經引風機送至煙囪排放。這種流程的優越性在于,余熱鍋爐可以以較少的設備投資回收煙氣高溫部分的余熱,所產生的蒸汽如果可以外銷,則可在極短的時間內收回投資。空氣通過預熱器可預熱至300℃以上,一次能耗可以節約14%~18%,這是最合算的流程。如果采用蒸汽透平發電,再將背壓蒸汽外銷,也是一種經濟效益很好的方案。熱管空氣預熱器和熱管省煤器可以在較低的條件下充分發揮其傳熱效率高和體積緊湊的特點。以下通過一設計實例來說明其優越性。

設計條件:

煙氣量(標準狀態)170000m3/h,煙氣溫度950℃,采用余熱鍋爐及空氣預熱器組合流程。空氣流量(標準狀態)150000 m3/h,要求從常溫預熱至350℃以上。余熱鍋爐產生的蒸汽壓力為3.9MPa,鍋爐給水為105℃脫氧水。

設計結果示于下表,流程圖于上圖所示。
設計方案參數
 
項目
蒸汽發生器
空氣預熱器
省煤器
煙氣流量(標準狀態)(m3/h)
170000
170000
170000
煙氣進口溫度/℃
950
600
300
煙氣出口溫度/℃
600
300
≤200
空氣流量(標準狀態)(m3/h)
 
150000
 
空氣進口溫度/℃
 
20
 
空氣出口溫度/℃
 
381
 
換熱量/kW
25417
20043
6390
蒸汽產量(t/h)
30
 
 
換熱面積/㎡
1399
3187
2494
煙氣側壓降/Pa
137
268
137
熱管根數/根
598
1320
840
熱管材質
18-8,Na(鈉)
少量18-8,K(鉀),大量碳鋼--水
碳鋼--水
設備規格(寬×高×長)/m
9.6×5×0.6
9.5×6.5×0.8
9.6×5×0.6

[下一頁]

燒結工序的余熱利用:
 
燒結工序是高爐礦料入爐以前的準備工序。有塊狀燒結和球團狀燒結兩種工藝。塊狀燒結是將不能直接加入爐的煉鐵原料,如精礦粉、高爐爐塵、硫酸渣等配加一定的燃料和溶劑,加熱到1300~1500℃,使粉料燒結成塊狀。球團燒結則是將細磨物料,如精礦粉配加一定的黏結劑,在造球設備上滾成球,然后在燒結設備上高溫燒結。兩種燒結過程都要消耗大量的能源。據統計,燒結工序的能耗約占冶金總能耗的12%。而其排放的余熱約占總能耗熱能的49%。回收和利用這些余熱,顯然極為重要。燒結工序內廢氣溫度分布示意圖如下圖。由圖可知,回收余熱主要在成品顯熱及冷卻機的排氣顯熱兩個方面。

燒結生產時,在燒結機尾部及溜槽部分,燒結礦熱料溫度可達700~800℃,除熱廢氣外,料品還以輻射形式向外界散發熱量。這部分高品位熱量主要通過余熱鍋爐回收。熱管技術目前主要應用在冷卻機廢氣的余熱回收。
熱燒結礦從燒結機尾部落下經過單輥破碎振動篩篩分后,落到冷卻機傳送帶上,在冷卻機上布置有數個冷卻風罩,風罩內裝有軸流風機(吸風式),使冷卻風通過礦料層,能過礦料層后的風溫在第一風罩內一般可達250~400℃,第二風罩內風溫一般為200℃左右。冷卻礦料的另一種形式是鼓風冷卻,即風機在礦料層底部鼓風,通過礦層后進入風罩排空。

燒結余熱回收的應用流程如下圖所示。

在第一風罩內布置熱管蒸汽發生器,冷卻通過熱的礦料,被加熱到250~350℃,通過熱管蒸汽發生器熱管的蒸發段,溫度降為150℃左右排空。第二風罩的熱風溫度較低,一般為200℃左右。在此風罩內布置軟水加熱器,加熱汽包的給水。在溜槽或冷卻機前端的密封罩內布有蒸汽過熱器,過熱從汽包產出的飽和蒸汽。
 
某鋼廠126㎡帶式抽風冷卻機配有3臺60A-12型N0.24立式軸流風機,其風量為(標準狀態)3000m3/min,壓力為588~688Pa。熱風溫度分別為250~350℃及215~250℃。回收熱量2800kW,產汽量(設計能力)3~4t/h,蒸汽壓力0.5~0.6MPa,飽和蒸汽溫度169℃。有關特性見下表。
熱管余熱蒸汽發生系統裝置及參數

項  目
一級
水預熱
二級
水預熱
三級
水預熱
蒸汽發生器
蒸汽過熱器
結構形式
雙層
列管式
雙層
列管式
單片
翅片式
分離式熱管
單片
翅片式
換熱面積/㎡
90
80
120
1200
25
進水溫度/℃
20
70
130
169
 
出水溫度/℃
70
130
169
169飽和蒸汽
 
回收熱量/ kW
230
290
140
170~2280
228
安裝位置
帶冷機密封罩內
3號軸流風機入口處
溜槽

 此外,將所產蒸汽用于混合物料,可提高進燒結機的礦料溫度,在燒結過程中可以消除料層中的過濕帶,提高料層透氣性,從而可提高燒結生產率并降低電耗。

高爐熱風爐余熱回收:

高爐熱風爐是產生熱風的設備,由于風溫可高達1200℃以上,因之熱風爐都是蓄熱式。其工作原理是先使煤氣和助燃空氣在燃燒室燃燒,燃燒生成的高溫煙氣進入蓄熱室內的格子磚加熱,然后停止燃燒,再將鼓風機送來的冷空氣通過蓄熱式格子磚,將格子磚所積蓄的熱量帶走,冷空氣被加熱到所需的溫度進入高爐。熱風爐煙道廢氣的溫度一般限制在300~350℃,最高不得超過400℃。使用熱管換熱器回收的這部分余熱,用來加熱助燃空氣則可以改善蓄熱爐內的燃燒狀況,從而使爐頂溫度提高。對于以煤氣為燃料的單位,一般多采用分離式熱管換熱器回收排煙余熱,回收的余熱同時用來加熱空氣和煤氣,因之稱為“雙預熱”。

雙預熱流程如圖所示。系統由3臺熱管管箱組成,熱風爐的煤氣燃燒所產生的煙氣溫度約250℃左右進入煙氣管箱,在煙氣管箱中,煙氣將熱量分別傳給煤氣加熱側的管束和空氣加熱側的管束。兩組管束并聯布置。煙氣分二路流過管箱。煤氣和空氣加熱側的管束吸收煙氣的熱量后,分別由各自的管內的工作液體所產生的蒸汽通過各自的上升管分別傳送到煤氣和空氣加熱側的管箱。為便于現場調試及設置了旁路。該系統的運行參數如下表所示。
 
雙預熱流程參數
 

項   目
煙氣
煤氣
空氣
流量(標準狀態)(m3/h)
33×104
16×104
18×104
進口溫度/℃
250
50
16
出口溫度/℃
135
133
134
壓降/Pa
≤300
≤250
≤250
配比
 
0.8
1
外形盡寸/㎜
2940×6882×6042
2850×4762×5043
2885×5164×5029
質量/t
80
36
46
換熱量/kW
13740
6045
7695

 投產后,熱風爐的熱風出口溫度提高42.4℃,噸鐵煤氣消耗減少0.102GJ,單爐煤氣消耗減少1.6×m3/h,蓄熱爐拱頂溫度提高78℃。一般認為,高爐煉鐵風溫在1000℃以上時,每提高100℃風溫相當于每噸鐵少用15kg焦炭,該高爐月產鐵為184787噸,少用2800噸焦炭。由于助燃空氣溫度的提高,每噸鐵的燃料煤氣消耗值減少了0.102GJ。
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