一種燒結(jié)余熱利用新工藝研究

張海松，李曉堂，謝國(guó)威，段少培

( 中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，遼寧  鞍山114000)

摘 要: 為最大限度利用燒結(jié)余熱資源提出一種新工藝，將燒結(jié)大煙道煙氣與環(huán)冷機(jī)廢氣顯熱結(jié)合，采用偏心徑向熱管技術(shù)對(duì)其余熱回收利用。不增加額外的動(dòng)力消耗，利用“煙筒效應(yīng)”將通常排放至大氣中的環(huán)冷冷卻廢氣引至燒結(jié)機(jī)尾部對(duì)其余熱回收利用，擴(kuò)大了煙氣溫度回收范圍，給出了詳細(xì)的可行性理論分析并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用研究。結(jié)果表明，新工藝在不增加額外動(dòng)力消耗的前提下，不僅余熱資源利用率提高25%，而且在一定程度上解決了因煙氣溫度過低易發(fā)生低溫腐蝕的難題，系統(tǒng)可靠性大大提高，使用壽命提高了3 年。

關(guān) 鍵 詞: 偏心徑向熱管; 余熱回收; 低溫腐蝕; 燒結(jié); 煙氣

引 言

國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序的能耗約占總能耗的15%，而燒結(jié)過程中燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱抽出的煙氣和燒結(jié)礦環(huán)冷機(jī)排出的冷卻廢氣所攜帶的熱量分別占燒結(jié)工序熱量收入的15%～20% 和40%～45%^［1］。伴隨著能源利用和行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻形勢(shì)，國(guó)內(nèi)、外對(duì)燒結(jié)工序的余熱利用進(jìn)行了大量的研究。日本住友金屬工業(yè)公司將冷卻機(jī)與燒結(jié)機(jī)一體化^［2］，采用完全循環(huán)雙通道方式對(duì)其余熱資源回收，使得余熱回收量達(dá)燒結(jié)工序能源總投入的30%。奧地利Voes－Stahl公司開發(fā)了EPOSINT 新工藝^［3］，不僅提高了燒結(jié)機(jī)日產(chǎn)量，還取得了顯著地節(jié)能減排效果。目前，國(guó)內(nèi)燒結(jié)余熱利用的理論研究和技術(shù)水平滯后于燒結(jié)余熱工程的發(fā)展^［4］，回收利用的對(duì)象幾乎均為溫度較高的燒結(jié)礦顯熱和冷卻廢氣，存在大量余熱資源浪費(fèi)的問題。董輝等提出一種燒結(jié)礦顯熱罐式回收技術(shù)^［5］，理論分析認(rèn)為豎罐式余熱回收方式熱回收率可達(dá)80%。蔡九菊等提出了分級(jí)回收與梯級(jí)利用技術(shù)^［6］，實(shí)現(xiàn)余熱回收端與利用端“量”與“質(zhì)”的匹配，最大限度地回收燒結(jié)余熱。然而，研究者們提出的技術(shù)手段從實(shí)施到推廣需要一段時(shí)間，工程實(shí)際效果有待驗(yàn)證。

由國(guó)內(nèi)的燒結(jié)余熱利用現(xiàn)狀可知，燒結(jié)余熱熱源品質(zhì)整體較低、溫度波動(dòng)大以及連續(xù)性差等自身特點(diǎn)使燒結(jié)工序余熱資源利用率相對(duì)較低^［7］。除此之外，低溫露點(diǎn)腐蝕、系統(tǒng)可靠性低及使用壽命時(shí)間短等難題，對(duì)余熱回收設(shè)備提出了較高的要求，不僅使燒結(jié)余熱回收難度加大，也制約了其他惡劣工況下的能源利用。在此背景下，本研究提出了一種燒結(jié)工序顯熱回收的新工藝，將燒結(jié)大煙道顯熱回收與環(huán)冷機(jī)廢氣相結(jié)合，擴(kuò)大煙氣回收范圍，采用偏心徑向熱管技術(shù)對(duì)其余熱回收利用，解決了燒結(jié)惡劣工況下設(shè)備使用壽命時(shí)間短、易發(fā)生低溫腐蝕和系統(tǒng)可靠性低等難題。

1   燒結(jié)余熱回收傳統(tǒng)工藝

1． 1   燒結(jié)煙氣顯熱回收方案

1． 1． 1   傳統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)及存在的問題

以某鋼廠燒結(jié)機(jī)為例，廠內(nèi)有兩個(gè)主抽煙道，廢氣溫度分布如圖1 所示，煙道尾部風(fēng)箱煙氣溫度從80～380 ℃ 不等，存在大量的熱量未被回收利用。經(jīng)熱量核算，該鋼廠燒結(jié)的余熱利用率占總熱源比例不足30%。采用傳統(tǒng)利用方式，將部分風(fēng)箱內(nèi)的煙氣引入重力式熱管余熱裝置中對(duì)其進(jìn)行回收，回收后的煙氣再引回?zé)煹乐?，?jīng)處理排放到大氣中。 

考察該鋼廠實(shí)際情況，取21號(hào)～24號(hào)導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)的煙氣，溫度范圍在220～ 380℃之間，平均溫度約為330℃，對(duì)燒結(jié)廠內(nèi)兩個(gè)主抽煙道尾部后5 個(gè)風(fēng)箱內(nèi)的煙氣進(jìn)行回收利用，并網(wǎng)要求蒸汽壓力為1．96 MPa。應(yīng)燒結(jié)生產(chǎn)工藝運(yùn)行要求，余熱鍋爐的排煙溫度不能太低，當(dāng)主抽煙道溫度降低至一定溫度時(shí)，會(huì)對(duì)主抽煙道、風(fēng)機(jī)以及脫硫等設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。傳統(tǒng)方案采用重力熱管為傳熱元件，重力式熱管換熱器中的熱管經(jīng)過中間隔板穿過循環(huán)煙氣箱體和鍋爐給水集箱，水側(cè)重力熱管外部為套管式結(jié)構(gòu)，水在套管內(nèi)被加熱，從而完成了熱量回收。

傳統(tǒng)的余熱回收裝置由于采用了軸向式熱管換熱設(shè)備，與一般換熱設(shè)備相比有諸多優(yōu)勢(shì)，如傳熱效率高、良好的緊湊性以及較強(qiáng)的抗腐蝕能力等。但是，由于燒結(jié)工況較為惡劣和受技術(shù)水平限制，該技術(shù)方案仍存在較多的問題:

(1) 采用碳鋼－水重力熱管的工作溫度不允許超過250 ℃，而通常燒結(jié)發(fā)電要求的蒸汽溫度往往使其超過使用溫度，所以需配合其他換熱器使用。而軸向重力式熱管換熱器要求冷、熱流體水平流動(dòng)，故軸向重力式熱管換熱器與其他換熱器組合使用時(shí)，換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且整體設(shè)備相對(duì)較大。

（2）重力式熱管換熱器中的熱管經(jīng)過中間隔板穿過循環(huán)煙氣箱體和鍋爐給水集箱，熱管與中間隔板的焊接點(diǎn)較多，易發(fā)生泄漏。一旦煙氣進(jìn)入鍋爐給水集箱后，煙氣中的硫化物會(huì)從外側(cè)對(duì)水套產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致鍋爐給水進(jìn)入煙氣集箱，此時(shí)燒結(jié)機(jī)必須停產(chǎn)，否則會(huì)引起嚴(yán)重的事故。

（3）重力熱管一旦出現(xiàn)磨穿和泄漏現(xiàn)象后，煙氣就會(huì)進(jìn)入熱管內(nèi)部，由于煙氣中含硫化物和蒸汽，熱管內(nèi)部會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的露點(diǎn)腐蝕，同樣導(dǎo)致水套內(nèi)的水泄露，設(shè)備會(huì)在短時(shí)間內(nèi)報(bào)廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

(4)軸向重力熱管的熱流方向?yàn)闊峁艿拈L(zhǎng)度方向，不凝性氣體易在端部聚集，等溫性能變差，不凝氣體使重力熱管的換熱面積減小，熱管的換熱性能大大降低。

1． 1． 2   實(shí)際經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

本工程實(shí)施后，理論上主抽煙道余熱裝置會(huì)增加主抽煙道的阻力，工程實(shí)踐表明，設(shè)備壓降相對(duì)總壓降可以忽略，故風(fēng)機(jī)能耗基本不變。運(yùn)營(yíng)成本主要為汽水管路消耗的動(dòng)能、水消耗以及人工成本，按年作業(yè)率0．82計(jì)算。通過傳統(tǒng)的方法對(duì)該燒結(jié)機(jī)尾煙氣余熱回收項(xiàng)目進(jìn)行了初步工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算，各項(xiàng)費(fèi)用如表1 所示。 

2   燒結(jié)余熱回收新工藝

2． 1   偏心徑向熱管技術(shù)

為提高燒結(jié)工序的余熱利用效率，最大化的利用余熱資源，設(shè)計(jì)采用偏心徑向熱管技術(shù)對(duì)環(huán)冷廢氣及大煙道煙氣顯熱進(jìn)行回收利用。隨著燒結(jié)臺(tái)車移動(dòng)至尾部之前，燒結(jié)已完成工藝要求，此時(shí)燒結(jié)料溫度高達(dá)1 200℃左右，這時(shí)的燒結(jié)料冷源來自常溫空氣。新工藝把環(huán)冷機(jī)III 段排出來的廢煙氣引至燒結(jié)機(jī)尾部臺(tái)車上方，代替冷空氣對(duì)尾部燒結(jié)料進(jìn)行冷卻，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)不增加其他動(dòng)力消耗，煙氣依靠自身的抽力進(jìn)入燒結(jié)機(jī)尾部風(fēng)箱。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，環(huán)冷機(jī)III段廢氣的余熱進(jìn)入燒結(jié)機(jī)尾部，風(fēng)箱內(nèi)的煙氣溫度在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高至386 ℃，排空的廢氣經(jīng)合理的設(shè)計(jì)并不需要額外的動(dòng)力消耗。中鋼熱能院自主開發(fā)的偏心徑向熱管換熱器科學(xué)地設(shè)計(jì)了徑向熱管偏心度，在焦化和鋼鐵行業(yè)的諸多惡劣的情況下表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，從根本上解決了國(guó)內(nèi)焦?fàn)t和燒結(jié)煙道氣直接排放問題。

偏心徑向重力熱管與軸向熱管有所不同，它是由內(nèi)管、外管、端蓋和充裝的工質(zhì)組成的夾套結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外管水平不同軸形成偏心徑向結(jié)構(gòu)，其內(nèi)管、外管和端蓋構(gòu)成一個(gè)裝有工質(zhì)的密閉空腔并形成一定的真空度，偏心徑向熱管工作示意圖，如圖2 所示。 

徑向偏心重力熱管工作時(shí)，外管受熱后液池內(nèi)的工質(zhì)吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽上升至內(nèi)管壁遇冷凝結(jié)釋放出汽化潛熱，熱量被內(nèi)管中的冷介質(zhì)帶走，冷凝液在重力作用下又回到液池吸熱再次蒸發(fā)，這樣不斷的完成熱管換熱的連續(xù)循環(huán)過程。以徑向熱管為傳熱元件的換熱器與一般軸向熱管換熱器相比優(yōu)勢(shì)更明顯，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2 所示。 

偏心徑向熱管與普通軸向熱管均充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力，但徑向熱管與普通軸向熱管相比，有如下工作特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì):

(1) 偏心徑向熱管由于偏心度合理，增加了內(nèi)管外側(cè)與工質(zhì)之間相變傳熱面積，大大提高了傳熱效率。

（2）實(shí)現(xiàn)了冷流體水平受熱，解決了軸向熱管難以在垂直流動(dòng)的流體中應(yīng)用的難題，且流體在管內(nèi)流動(dòng)，具有較好的承壓能力;

(3) 由于受熱段四周受熱，液體工質(zhì)和蒸汽同時(shí)吸熱，蒸汽徑向傳輸距離短、流動(dòng)壓差小，使得熱管內(nèi)蒸汽溫度均勻、溫度梯度小，具有更好的等溫性能;

(4) 沿?zé)峁芄ぷ鹘橘|(zhì)流動(dòng)方向，徑向熱管徑向橫截面要比軸向傳熱熱管的軸向橫截面大得多，克服了軸向熱管不凝性氣體易聚集在熱管頂部使冷卻段傳熱面積減小的缺點(diǎn)，因此徑向熱管理論上比軸向熱管傳遞的熱量多，且更能有效的提高熱管壁面溫度，防腐應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更明顯;

(5) 熱管啟動(dòng)時(shí)，加熱段表面立即受熱，受熱更加充分均勻，且工質(zhì)蒸汽流速低，流動(dòng)距離短，大大降低了啟動(dòng)溫度，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，并消除了加熱段可能出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。

2． 2   工藝關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

2． 2． 1   煙氣熱力計(jì)算

為不影響燒結(jié)正常生產(chǎn)，必須控制主抽煙道內(nèi)的壓力不能過大，否則會(huì)引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為了使煙氣順利從環(huán)冷機(jī)流到燒結(jié)機(jī)尾部不消耗其他動(dòng)力，煙道的抽力必須能克服煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)過程中產(chǎn)生的阻力損失，故須計(jì)算煙氣總阻力大小。將抽力用H_ZS表示，總阻力用H_Z表示，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)抽力需滿足H_ZS≥1．2 H_Z這一條件，其中1．2 為儲(chǔ)備系數(shù)。對(duì)于設(shè)計(jì)煙道的自生通風(fēng)，抽力按式(1) 計(jì)算:

式中: ρ_ao 、ρ_yo —標(biāo)況下的空氣密度、煙氣密度，kg /Nm³ ; t_a 、t_y —環(huán)境空氣溫度、煙氣平均溫度，℃;H₀ —煙道高度，m; b—當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa。

對(duì)于整個(gè)過程中的能量損失等于各煙道的沿程損失和各局部的損失總和，局部阻力損失由式(2)確定。

式中: h_f—摩擦阻力損失，m; Δh_f —局部阻力損失，m; h_j —幾何壓頭損失，m。

(1) 沿程摩擦阻力

摩擦阻力損失包括煙氣與煙道壁及煙氣本身產(chǎn)生的粘性阻力損失，由式(3) 、(4) 確定:

式中: λ—摩擦系數(shù); L—計(jì)算段長(zhǎng)度，m; d—水利學(xué)直徑，m; h_t —對(duì)應(yīng)溫度下的速度壓頭，m; v —標(biāo)況下煙氣的平均流速，m/s; γ₀ —標(biāo)況下煙氣重度，γ₀= 1．28 kg /Nm³ ; β —體膨脹系數(shù)，1 /273; t —煙氣實(shí)際溫度，℃; g —重力加速度，m² /s。

（2）局部阻力損失

局部阻力損失是由于煙氣流道斷面幾何形狀突然改變產(chǎn)生的，幾何形狀的改變必然導(dǎo)致煙氣流速與方向改變，是以額外的能量消耗即局部阻力損失為代價(jià)的。局部阻力損失主要是由流體內(nèi)摩擦產(chǎn)生的漩渦耗散導(dǎo)致的，由下式確定:

式中: k—局部阻力系數(shù)。

(3) 幾何壓頭損失

煙氣經(jīng)過豎直煙道時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生幾何壓頭變化，煙氣上升需克服幾何壓頭，由下式確定:

式中: H —煙氣上升或下降垂直距離，m; γ_k —大氣實(shí)際重度，kg /m³ ; γ_y —煙氣實(shí)際重度，kg /m³。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，從環(huán)冷機(jī)III 段出來的煙道應(yīng)本著盡量避免流通面積和流向突然改變的原則，現(xiàn)場(chǎng)管道設(shè)計(jì)將阻力損失降到最低。實(shí)際煙道計(jì)算分兩段，整個(gè)過程阻力消耗為109． 27 Pa，煙道的自生通風(fēng)抽力為84 Pa，環(huán)冷機(jī)鼓風(fēng)壓力經(jīng)測(cè)試為50Pa，故總動(dòng)力為134 Pa。由于滿足139 ＞ 1． 2 ×109． 27 = 131． 1 Pa 的條件，故設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)在不增加額外的動(dòng)力消耗，可以實(shí)現(xiàn)煙氣自通風(fēng)至環(huán)冷機(jī)尾部。

2． 2． 2   偏心徑向熱管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

徑向熱管換熱器的計(jì)算，采用中鋼熱能院自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出工況下每排熱管的壁面溫度，通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算使其壁溫控制在露點(diǎn)腐蝕溫度以上，避免壁面溫度過低而發(fā)生腐蝕。對(duì)于徑向熱管蒸發(fā)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，如表3 所示。 

3   工程實(shí)際效果分析

3． 1   運(yùn)行效果實(shí)測(cè)

通過新工藝在不增加其他動(dòng)力消耗的前提下，利用了環(huán)冷機(jī)III 段的廢氣和大煙道煙氣顯熱。根據(jù)工程實(shí)際測(cè)試結(jié)果，排煙溫度由原來的165 ℃降為現(xiàn)在的120 ℃，所設(shè)計(jì)的余熱回收設(shè)備滿足了實(shí)際工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如表4所示。 

3． 2   使用效果評(píng)價(jià)

采用偏心徑向熱管為換熱元件的換熱管部分使用壽命為5 年左右，與其他換熱器換熱元件相比壽命大大變長(zhǎng)，即使單根換熱管損壞，也不影響整個(gè)設(shè)備的使用。尤其是防腐性能明顯優(yōu)于重力熱管換熱器，使用3 年未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，換熱系統(tǒng)沒有因換熱管而導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)事故。

4   結(jié)束語

采用偏心徑向熱管技術(shù)對(duì)燒結(jié)工序中的環(huán)冷機(jī)冷卻廢氣和大煙道煙氣顯熱進(jìn)行回收利用，不增加額外動(dòng)力消耗，與傳統(tǒng)工藝相比，燒結(jié)余熱利用率提高了25%，使用壽命理論上為5 年，至今使用3 年未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象和影響系統(tǒng)正常工作的事故。

新工藝提高了經(jīng)濟(jì)效益，縮短了投資回報(bào)時(shí)間，解決了燒結(jié)大煙道余熱回收的低溫露點(diǎn)腐蝕、使用壽命時(shí)間短、設(shè)備體積復(fù)雜龐大、系統(tǒng)可靠性差等難題，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的節(jié)能減排。該技術(shù)在惡劣工況下的余熱回收中，具有很大的推廣意義，尤其是易發(fā)生低溫腐蝕和對(duì)系統(tǒng)有較高安全要求的場(chǎng)合。

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