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燒結冷卻機低溫廢氣余熱高效回收利用探討

文檔作者：陳景明許相波文檔來源：梅山鋼鐵能源環(huán)保部		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月13日
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冶金動力
METALLURGICAL POWER 2014 年第4 期
總第170 期
1 前言
燒結工序是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)熱水，由于沒有相變吸熱，產(chǎn)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(zhì)、
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(chǎn)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(nèi)，與從頂部引入的管外熱廢氣逆向
流動發(fā)生熱交換，產(chǎn)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(zhì)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(diào)節(jié)給水量使其維持目標溫度95 益；水量控制
方面，通過調(diào)節(jié)送往換熱器的廢氣量，調(diào)整熱水生產(chǎn)
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0.32
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）
【摘要】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(chǎn)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。
【關鍵詞】燒結冷卻機;低溫廢氣;余熱回收;換熱器
【中圖分類號】TK115 【文獻標識碼】B 【文章編號】1006-6764（2014）04-0042-03
A Discussion on Efficient Heat Recovery from Low
Temperature Waste Gas of Sintering Cooler
Chen Jingming, Xu Xiangbo (Energy and Environmental Protection Dept. of Meishan Iron and Steel Company, Nanjing, Jiangsu 210039, China)
【Abstract】To recover the residual heat from the low temperature waste gas of the cooler
for the 180 m2 sinter 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.
【keyword】sintering cooler; low temperature waste gas; waste heat recovery; heat exchang原
42
冶金動力
2014 METALLURGICAL POWER 年第4 期
總第170 期
MPa。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(zhì)》（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(chǎn)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(zhì)要求耐磨
損，另一方面給水未經(jīng)除氧，材質(zhì)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(zhì)選用鑄鐵。
該換熱器是管外廢氣與管內(nèi)水逆向流動發(fā)生無
相變的一次對流換熱，介質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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
Qf=鬃Gf(Cp1t憶-Cp2t義) kJ/h
式中，Gf———廢氣流量，m3/h；
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；
鬃———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(zhì)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]，鬃=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106 kj/h。
(2)水量Gw 計算
Gw=Qf/(h義-h憶) kg/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(zhì)表得h義=398 kJ/kg，h憶=84 kJ/kg。
經(jīng)計算Gw=51.15伊103 kg/h。
(3)傳熱溫壓駐t 計算
駐t=（駐tmax-駐tmin）/Ln（駐tmax/駐tmin） 益
駐tmax= t義-tw憶;駐tmin= t憶-tw義益
式中，駐tmax，駐tmin———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，駐tmaxx=92 益，駐tmin=
85 益，駐t=88.5 益。
(4)水吸熱量Qw 計算
Qw=KH駐t 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：
Vf=Gk(t+273)/(273F) m/s
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(zhì)吸熱量Qw=16.14伊106 kJ/h。
(5)相對誤差駐Q 判定
駐Q=（Qf-Qw）/Qf伊100%
相對誤差認為計算合格。經(jīng)計算，駐Q=-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)水流速棕計算
棕=Gw 自/(3600F) m/s
自———水的比容，m3/kg;
F———水的流通面積，單管流通(下轉第45頁)
43
冶金動力
2014 METALLURGICAL POWER 年第4 期
總第170 期
(上接第43 頁) 面積伊并聯(lián)管數(shù)，m2；
查表得自=0.001016 m3/kg，經(jīng)計算，F(xiàn)=0.0339m2，
棕=0.43 m/s?？梢娝魉僮貪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(chǎn)量36 t/h）
仍能連續(xù)正常生產(chǎn)。
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(chǎn)95 益熱水的需要，熱水設計產(chǎn)量
約51 t/h，在36 t/h 以上時能夠連續(xù)正常生產(chǎn)。
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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)熱水的需求，小時熱水產(chǎn)量約51 t，具備
70%以上負荷連續(xù)生產(chǎn)的能力。
[參考文獻]
[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.
收稿日期：2013-11-12
作者簡介：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。。
3.5 除氧器補水流量
兩臺鍋爐補水量在70~90 t/h，乏汽回收除鹽水
的供水量在60 t/h，回收的乏汽約為5 t/h，合計給
水量在65 t/h，小于除氧器的補水量，能夠保證乏汽
回收的正常運行。不足部分的水量有除鹽水補充，滿
足除氧器水量的平衡。
3.6 效益計算
疏水泵流量為60~65 t/h 時,除鹽水平均進水溫
度為19 益,疏水泵出水溫度平均80 益,進水19益
焓值h1鴛=79.77 kJ/kg, 出水80益焓值h2鴛=355.0 kJ/
kg,3.82MPa,420 益的中壓蒸汽焓值h=3265 kJ/kg
Q 吸=60t/h伊1000伊(h2鴛-h1鴛)=16513800 kJ
折算成中壓蒸汽m5 =Q 吸/h
=16513800kJ/3265 kJ/kg =5057.8 kg/h
每小時發(fā)電經(jīng)濟效益=5057.8 /5伊0.5=505.75 元
每年發(fā)電經(jīng)濟效益=505.75 元伊8000 h/10000
=404.6 萬元
4 結語
該項目每年發(fā)電創(chuàng)效400 萬元，是鋼鐵企業(yè)低
品質(zhì)乏汽余熱高效經(jīng)濟利用的典范。低品質(zhì)乏汽的
回收，在創(chuàng)造了可觀經(jīng)濟效益的同時，解決了廠區(qū)冒
白煙的現(xiàn)象，美化了環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟效益和
社會效益。
收稿日期:2013-11-25
作者簡介：馬銀泉，男，1994 畢業(yè)于武漢冶金建筑高等?？茖W校，給
排水工程師，現(xiàn)從事技改管理工作。
圖3 鍋爐乏汽回收工藝流程圖
45

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