矿热电炉烟气余热回收热管

   RFG系列热管锅炉是我公司为矿热电炉(铁合金电炉、电石电炉)烟气余热回收开发的专用设备。该设备将600℃左右的废烟气降至180℃左右，来满足布袋除尘器的许用工作温度，同时热管锅炉产生0.8-1.6MPa蒸汽可用于余热发电等。

 铁合金烟气环保治理及余热回收研究

技术总结报告

1、前言

铁合金生产主要采用矿热炉冶炼工艺，其电炉形式有半开式和封闭式两种，半开式居多。本项目主要以半开式矿热炉烟气环境治理工艺的余热回收为研究对象展开研究工作。

目前，我国铁合金生产电炉型号有：3600KVA、 6300KAV、9300KAV、12500KAV、2000KAV、25000KAV型。每台矿热炉每小时排出废气约为40000～300000Nm³/h，随着冶炼铁合金品种的不同排烟温度400～650℃，含尘量8～20g/m³。造成大量的环境污染，及能源浪费。

天津华能集团公司向天津市科学技术委员会立项，对铁合金烟气环保治理及余热回收进行研究。解决铁合金生产矿热炉冶炼工艺中烟气余热利用，能源浪费问题，开发了热管余热锅炉回收烟气余热。

2、铁合金烟气环保治理及余热回收工艺

矿热炉半封闭烟罩顶端引出保温烟道，将高温（650℃）、高烟尘浓度（20 g/m³）的废烟气送到热管式废热锅炉，经热管式废热锅炉降温后，送入布袋除尘器。除尘后的烟气排放，排放烟尘浓度小于10mg/m³。

该工艺中布袋除尘设备，目前有两种成熟技术，一是大布袋除尘技术，二是脉冲反吹除尘技术。铁合金烟气环保治理及余热回收项目设计难点在于热管降温设备，它必须适用于高含尘烟气工艺，必保设备不泄露，一旦设备泄露烟尘很快将设备堵死，很难清除。

工艺流程图

3、铁合金矿热炉废气的性质分析

铁合金矿热炉烟气在矿石和焦碳在电炉中冶炼时形成。它的温度随加料出料工艺存在波动，一般在300—700℃范围。烟尘中的灰尘属飞灰，粒度较小，烟尘粒度（小于2μm  77%；2-5μm  18%； 5-10μm  3% ；大于10μm  2%）。烟气灰尘含量8—20 g/m³。

铁合金烟尘主要成分表

烟尘成分复杂，具有较强的亲水性。

4、热管余热锅炉的设计技术

4.1热管降温器的结构

热管余热锅炉由热管蒸发器、汽包、上升管、下降管、配套设备有清水泵、给水泵、除氧、清灰系统器等组成。热管蒸发器是相变式热管降温装置的主要设备，它为直立圆筒结构，由外筒体（DN3000）、内筒体（DN1600）和热管（φ48×1200）三部分构成。热管径向斜置焊接在热管散热器的内筒体壁上，插入内筒体的是光管，内筒体外侧热管段镍基钎焊有纵翅片。工作时烟气气走热管蒸发器外筒体与内筒体之间的夹套，软水走热管散热器内筒体里面，并和汽包自然循环，产生饱和蒸汽。

4.1.1 烟气系统

来自重力除尘器的烟气，温度300—700℃含尘烟气，经过高温管进入蒸发器，烟气从蒸发器底部出，由排烟口排出温度180℃，进入布袋除尘器。

4.1.2水汽系统

 外供软水先进行除氧，除氧后经给水泵进入汽包；汽包和蒸发器自然循环；汽包内蒸汽与水分离；蒸汽经分汽缸外供用户。

①选用一套除氧器，一个水箱。除氧器配备2台给水泵，除氧器给水泵为IS型单级单吸离心泵。

②从除氧器到汽水分离装置的给水系统配两台电动给水泵，水泵扬程除满足系统压力外，还要克服水柱爬升高度及沿程阻力，汽包给水为DG型锅炉给水泵。

③蒸汽发生器、汽包均设有排污出水口，可定期清除内部残留污物及水垢。系统水箱设有给水取样；汽包设有水取样点，对余热锅炉水进行取样。

4.2 清灰系统设计

铁合金烟气灰尘含量高，因此设计热管蒸发器的清灰系统是本项目的的重要内容之一。目前，国内换热器应用的清灰系统有：声波清灰、压缩空气清灰、落丸清灰、冲击波清灰等。

压缩空气清灰   其在线清灰能力差，本系统不太适用。

声波清灰  在声波的作用下，可将灰松动，但灰量过大、灰尘较细和附着力强时，选用声波除灰效果较差，经实验声波清灰本系统不太适用。

落丸清灰  由小车、布丸机构、提升机等组成。结构简单、消耗底，简单适用。落丸清灰除部分有部分死角外，能满足清灰效果。

冲击波吹灰系统  是我国引进前苏联军工技术，我国消化研制开发的在线吹灰产品。其工作原理是将空气和可燃气按一定比例混合，经高能点火后在冲击波发生器内形成可控强度的冲击波，冲击动能吹扫受热面的同时伴有高声强声波震荡和热清洗作用，以达到吹除积灰保证受热面清洁，提高传热效率，恢复锅炉出力的目的。

JSR型冲击波吹灰系统的参数为：

可燃气体类型：乙炔         可燃气气源：瓶装气

可燃气体压力：0.9～0.15MPa   可燃气体消耗量：≤0.06m3/次（常温常压）

空气气源：送风机提供        空气压力：～4KPa；

额定能量：25--2500KJ；

冲击波清灰能满足清灰效果。

4.3 锅炉蒸发器的设计

4.3.1热管技术

 热管是一种高效传热元件,利用封闭的管内介质的沸腾吸热和冷凝放热进行热传导。其具有以下特点：

①极高的传热性能  随管内工质的不同，传热系数达10⁷W/m².℃,是普通碳钢的数万倍。

②低温差下高传输热量能力  一根直径12.7mm，长1000mm的紫铜棒，两端温差100℃时传输30W的热量；而一根直径、长度的热管传输100W的热量，两端温差只需几度；

③换热两流体均走管外，可以翅片化以强化传热；

④单管作业性   由热管组成的换热设备单根热管损坏对设备的换热影响不大，即使部分热管损坏也不会影响的政正常运行；

⑤热源分汇  在设计可以随意调整热管冷却段和蒸汽段的换热长度，以控制热管的壁温，因此可以使热管换热器避开露点。这样就可避开露点腐蚀、不易积灰； 

⑥热管与换热器单支点焊接，避免由热帐冷缩造成的应力。

4.3.2 管内工质选择

电炉烟气进入换热器，入口高温时温度800℃，余热锅炉额定压力随各企业用汽压力的不同，锅炉压力0.4--1.0 MPa,对应蒸汽温度150--181℃。

热管工作温度：Tv=(t₁+t₂)/(n+1)。

n两侧热阻比，换蒸发换热管两段热阻比（与热管蒸发段与放热段的长度比和气侧的翅化比有关）。

热管工作温度决定工质的选用，碳钢水热管工作温度60--250℃。超过250℃时，管内的缓蚀剂作用减弱，管内出现化学反映：

H₂O+Fe——FeO+H₂

产生不结凝气体，破坏热管的真空度，热管失效。长时运行热管管内压力增大，大于热管的安全运行压力4.0 MPa，造成爆管。

本项目选择两种工质的热管，水、萘。

（1） 选用316不锈管对列管迎风面防护；

（2） 增加管壁厚度，用渗铝管增加耐冲刷能力。

设计换热器入口流速为8米左右，降纸灰尘对换热冲刷动

4.3.3换热器的积灰问题

   烟气含尘量是8—20g/m³，也就是说每小时500Kg左右的灰尘通过换热器。电炉烟尘粒度较小0—10μm的灰占灰尘总量的70%以上，该种灰有较强的吸附力，换热器的除灰是该换热器的设计的核心内容

在换热器结构的设计上采用以下措施

①换热管间距较其他工况设备增大。

②烟气在设备中流速要设计为一般为8--10米。

③换热器的布置形式必须考虑便于除尘，换热器布置上采用L型。

④严禁采用环翅片，采用环翅片可以增大换面强化传热，降低设备投资，但在如此大的灰尘工况中，环翅片换热器很快堵死，再好吹积设备也不能将翅片间的积灰吹净。因此严禁使用环翅片管换热器。

5 、运行结果分析

   铁合金烟气环保治理及余热回收研究示范项目于2006年9月投入使用，应用在吉林铁合金公司硅铁矿热炉上。工艺条件如下：

（1）烟  气   量：90000Nm³/h

（2）入口烟气温度：400—650℃

（3）出口烟气温度：180℃

（4）额定蒸汽压力：0.6MPa

（5）蒸 汽 温 度：164℃

      经过一年来得运行，经测试达到了预期效果，现将运行测试结果总结如下：

余热利用运行记录表

典型用户：

中钢集团吉林铁合金有限公司

山东良达铁合金公司