陳景明,許相波

（梅山鋼鐵能源環(huán)保部，江蘇南京210039）

燒結冷卻機低溫廢氣余熱高效回收利用探討

陳景明,許相波

（梅山鋼鐵能源環(huán)保部，江蘇南京210039）

以某公司180 m2燒結機的冷卻機低溫廢氣余熱回收利用為對象，結合現(xiàn)場狀況，制定了回收余熱生產熱水的技術路線和工藝流程，探討了主體設備——換熱器的受熱面布置方案。

燒結冷卻機;低溫廢氣;余熱回收;換熱器

1 前言

燒結工序是鋼鐵企業(yè)生產流程中的耗能大戶，在其總能耗中有近50豫的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣，故回收利用這部分熱能意義重大。當前，冷卻機高溫段廢氣（約350益以上）余熱已經(jīng)回收利用，而200益左右的低溫段冷卻機廢氣余熱的和燒結機煙氣余熱尚未有效回收，造成大量熱能被浪費。如何對這部分低溫余熱進行回收利用成為當前關注的重點。

本文以某公司180 m2燒結機的冷卻機低溫廢氣為例，分析低溫余熱回收利用的方式，以熱力計算為基礎，探討余熱回收設備——換熱器的選型方案。

2 熱源概況

冷卻機為環(huán)形，上部鋪滿燒結礦，下部是風道。外界空氣經(jīng)風機鼓入風道，在壓差作用下穿過燒結礦層與之換熱，冷卻燒結礦后產生的熱風經(jīng)收集排入煙囪。玉段廢氣溫度較高，已配套余熱鍋爐回收蒸汽加以利用；域段及之后的廢氣余熱當前沒有回收。為保證必要的換熱溫差，選用溫度相對較高的域段廢氣作為熱源，之后的廢氣由于溫度過低暫不予考慮。經(jīng)過現(xiàn)場調研，冷卻機域段廢氣的溫度約180益，流量約180000 m3/h。

3 余熱回收利用方案

3.1 回收利用方式

對于這種低溫余熱資源，考慮到溫度波動大和換熱溫差因素影響，若采用回收蒸汽的方式，由于汽化潛熱大，預計只能產生少量壓力低于0.7 MPa的飽和蒸汽。飽和蒸汽由于壓力低、數(shù)量少，不宜輸送，往往難以就地高效利用。相同余熱資源量，若用來生產熱水，由于沒有相變吸熱，產量能數(shù)倍增加。相比蒸汽，熱水輸送更加方便，且不會造成顯著的品質、數(shù)量損失?？紤]到現(xiàn)場的浴室、采暖等有大量熱水需求，故回收選用生產熱水的方式。

3.2 回收工藝流程

來自冷水箱的冷水在水泵作用下，從側面下部進入換熱器管內，與從頂部引入的管外熱廢氣逆向流動發(fā)生熱交換，產生95益熱水從側面上部流出換熱器，進入熱水箱，通過熱水車/管道供給就近浴室使用；被冷卻的廢氣從底部流出換熱器，經(jīng)引風機排入煙囪。為滿足浴室用水對水質的需求，以廠區(qū)自來水作為冷水箱的補水水源。

水溫控制方面，以換熱器出口水溫作為信號，通過調節(jié)給水量使其維持目標溫度95益；水量控制方面，通過調節(jié)送往換熱器的廢氣量，調整熱水生產負荷。為保證換熱器工作安全，要求出口水溫比飽和溫度低40益[1]，運行中應確保工作壓力不低于0.32MPa。結合現(xiàn)場地形狀況，要求余熱回收工藝流程盡可能集約、高效，依據(jù)國家標準《工業(yè)鍋爐水質》（GB/ T1576-2008），方案不考慮配套除氧設備對給水進行處理。為避免水升溫過程中析出的溶解氣體對受熱面產生氧腐蝕，選用耐腐蝕材料，同時在換熱器合適位置設排氣閥以及時排出析出的氣體。

3.3 換熱器布置方案

在廢氣余熱回收流程中，換熱器是核心設備，其受熱面的面積大小、布置形式選擇直接決定著余熱回收系統(tǒng)的運行能力。鑒于冷卻機廢氣攜帶少量燒結礦粉塵、橫向沖刷換熱管，換熱管材質要求耐磨損，另一方面給水未經(jīng)除氧，材質還應具備耐腐蝕性。由于廢氣為空氣，故材料選擇不需考慮低溫酸腐蝕。鑄鐵具有耐磨損、耐腐蝕的突出優(yōu)點，抗氧腐蝕能力較強，考慮其使用限制條件[3]，能夠適應燒結機廢氣余熱回收現(xiàn)場的需求，故換熱管材質選用鑄鐵。

該換熱器是管外廢氣與管內水逆向流動發(fā)生無相變的一次對流換熱，介質流動形式、換熱機理與鍋爐省煤器完全一致，基于鑄件一次鑄造成型的特點，換熱器翅片管直接從鑄鐵省煤器的標準管件中選取。換熱器采用逆流布置，以減少換熱面積，保持結構緊湊。經(jīng)估算，受熱面管型及數(shù)量初步選擇如下:

管長:3000mm:內徑:60 mm:壁厚:3 mm;

換熱器肋片數(shù):115片;橫向管子數(shù):24根;

縱向管子數(shù):14根;橫向節(jié)距:150 S1;

縱向節(jié)距:150 S2;單管受熱面積:4.49 m2;

單管廢氣流通截面積:0.184 m2;

單管工質流通面積:0.002826 m2。

考慮換熱器合理的結構布置，換熱器的水平方向，每根奇數(shù)管（即第1.3，…….，23）依次與相鄰偶數(shù)管（第2,4，……，24）連接組成12個并聯(lián)的哉型管，最底層的奇數(shù)管作為給水入口；豎直方向，本層的哉型管出口與上層的對應列U型管入口相連接。換熱器分上下兩組布置以便于內部檢修，組間設聯(lián)箱、排氣閥以及時排出氣體。

3.4 換熱器熱力計算

(1)廢氣放熱量Qf計算

t憶、t義——換熱器入口、出口的廢氣溫度，益；

Cp1、Cp2——廢氣分別從0到t憶、t義的平均比熱容，kJ/m3·益；

ψ——換熱器散熱損失的修正系數(shù)。

以上參數(shù)中，Gf和t憶已知，Cp1和Cp2介質特性參數(shù)，可查表計算。t義為未知量，先假定后校核。換熱器散熱損失按照2%考慮[4]，ψ=0.98。Qf=180000，Cp1= 1.3303，t憶=180，Cp2=1.3251，假定t義=112，經(jīng)計算Qf= 16.06伊106kj/h。

式中，h憶，h義——水入口焓、出口焓，kJ/kg。由于在出、入口水均為過冷狀態(tài)，其焓值與壓力無關。

查水熱力性質表得h義=398 kJ/kg，h憶=84 kJ/kg。經(jīng)計算Gw=51.15伊103kg/h。

(3)傳熱溫壓Δt計算

式中，Δtmax，Δtmin——傳熱過程最大溫壓、最小溫壓，益；

tw憶，tw義——冷水溫度，熱水溫度，益。

已知tw憶=20，tw義=95，經(jīng)計算，Δtmaxx=92益，Δtmin= 85益，Δt=88.5益。

(4)水吸熱量Qw計算

Qw=KHΔt kJ/h

式中，H——受熱面積，總管數(shù)伊單管受熱面積，m2。

K——換熱系數(shù)，kW/(m2·益)。

對于氣—水對流換熱，換熱系數(shù)的關鍵影響因素是廢氣流速和廢氣溫度。換熱系數(shù)K可利用廢氣流速、廢氣溫度從文獻4的附圖C19中查取。為避免受熱面堵灰對換熱帶來不利影響，配備聲波吹灰器進行清灰。

廢氣流速Vf計算如下：

式中，F(xiàn)——廢氣流通面積，單管廢氣流通面積伊橫向管數(shù)，m2；

t——廢氣平均溫度，益；

經(jīng)計算，煙氣流速Vf=16m/s，K=0.0336 kW/(m2· C)，工質吸熱量Q w=16.14伊106kJ/h。

(5)相對誤差ΔQ判定

ΔQ=（Qf-Qw）/Qf伊100%

相對誤差認為計算合格。經(jīng)計算，ΔQ=-0.5%，計算合格，故假設的廢氣排放溫度t義=112合理，不需再迭代計算。

(6)水流速ω計算

ω=Gwυ/(3600F)m/s

υ——水的比容，m3/kg;

F——水的流通面積，單管流通面積伊并聯(lián)管數(shù)，m2；

查表得υ=0.001016 m3/kg，經(jīng)計算，F(xiàn)=0.0339m2，ω=0.43 m/s?？梢娝魉佴貪M足正常運行不低于0.3 m/s的要求，且在70%負荷時（熱水產量36 t/h）仍能連續(xù)正常生產。

根據(jù)熱力計算結果，換熱器受熱面采用上述布置形式，能夠滿足180 m2燒結機現(xiàn)場冷卻機域段廢氣余熱回收生產95益熱水的需要，熱水設計產量約51 t/h，在36 t/h以上時能夠連續(xù)正常生產。

以上是換熱器選型的初步探討，為項目后續(xù)實施提供參考，最終的受熱面布置方案、運行參數(shù)選擇等，要依據(jù)現(xiàn)場實際條件、結合配套輔助設備選型，通過詳細設計計算來確定。

4 結論

(1)通過換熱器回收燒結冷卻機低溫廢氣生產熱水的方案適合周邊有熱水需求的場合，與回收蒸汽方式相比，其運輸方便、熱回收率高、經(jīng)濟性更好。

(2)鑄鐵材質換熱器耐磨損、耐腐蝕，能適應利用冷卻機低溫廢氣加熱自來水生產熱水這種氣體含塵、水未除氧、余熱資源有限、運行參數(shù)不高的場合。

(3)根據(jù)熱源狀況，提出了換熱器布置方案。熱力計算結果顯示，該方案能夠滿足冷卻機域段廢氣余熱回收生產熱水的需求，小時熱水產量約51 t，具備70%以上負荷連續(xù)生產的能力。

[1]趙明泉.鍋爐結構與設計【M】.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1991.56.

[2]張巨勇.鍋爐尾部煙氣余熱的利用[J]，銅業(yè)工程，2000.4.29-31

[3]申麥茹，鑄鐵鍋爐的特點及應用淺析[J]，鍋爐壓力容器安全技術，2003.4.10-11

[4]工業(yè)鍋爐設計計算(標準方法)【M】，北京：中國標準出版社，2003.

A Discussion on Efficient Heat Recovery from Low Tem perature W aste Gas of Sintering Cooler

Chen Jingming,Xu Xiangbo
(Energy and Environmental Protection Dept.of Meishan Iron and Steel Company,Nanjing,Jiangsu 210039,China)

To recover the residual heat from the low temperature waste gas of the cooler for the 180 m2sinter at a plant,the technical route and process flow for hot water produc原tion with recovered waste heat were drawn up and the heating surface arrangement of the major equipment of heat exchanger was discussed based on actual site conditions.

sintering cooler;low temperature waste gas;waste heat recovery;heat exchang原

TK115

B

1006-6764（2014）04-0042-03

2013-11-12

陳景明(1974-)，男，畢業(yè)于華東理工大學，大學本科學歷，高級工程師，現(xiàn)從事企業(yè)能源管理工作。。