烧结冷却机低温废气余热高效回收利用探讨

陈景明,许相波

（梅山钢铁能源环保部，江苏南京210039）

烧结冷却机低温废气余热高效回收利用探讨

陈景明,许相波

（梅山钢铁能源环保部，江苏南京210039）

以某公司180 m2烧结机的冷却机低温废气余热回收利用为对象，结合现场状况，制定了回收余热生产热水的技术路线和工艺流程，探讨了主体设备——换热器的受热面布置方案。

烧结冷却机;低温废气;余热回收;换热器

1 前言

烧结工序是钢铁企业生产流程中的耗能大户，在其总能耗中有近50豫的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气，故回收利用这部分热能意义重大。当前，冷却机高温段废气（约350益以上）余热已经回收利用，而200益左右的低温段冷却机废气余热的和烧结机烟气余热尚未有效回收，造成大量热能被浪费。如何对这部分低温余热进行回收利用成为当前关注的重点。

本文以某公司180 m2烧结机的冷却机低温废气为例，分析低温余热回收利用的方式，以热力计算为基础，探讨余热回收设备——换热器的选型方案。

2 热源概况

冷却机为环形，上部铺满烧结矿，下部是风道。外界空气经风机鼓入风道，在压差作用下穿过烧结矿层与之换热，冷却烧结矿后产生的热风经收集排入烟囱。玉段废气温度较高，已配套余热锅炉回收蒸汽加以利用；域段及之后的废气余热当前没有回收。为保证必要的换热温差，选用温度相对较高的域段废气作为热源，之后的废气由于温度过低暂不予考虑。经过现场调研，冷却机域段废气的温度约180益，流量约180000 m3/h。

3 余热回收利用方案

3.1 回收利用方式

对于这种低温余热资源，考虑到温度波动大和换热温差因素影响，若采用回收蒸汽的方式，由于汽化潜热大，预计只能产生少量压力低于0.7 MPa的饱和蒸汽。饱和蒸汽由于压力低、数量少，不宜输送，往往难以就地高效利用。相同余热资源量，若用来生产热水，由于没有相变吸热，产量能数倍增加。相比蒸汽，热水输送更加方便，且不会造成显著的品质、数量损失。考虑到现场的浴室、采暖等有大量热水需求，故回收选用生产热水的方式。

3.2 回收工艺流程

来自冷水箱的冷水在水泵作用下，从侧面下部进入换热器管内，与从顶部引入的管外热废气逆向流动发生热交换，产生95益热水从侧面上部流出换热器，进入热水箱，通过热水车/管道供给就近浴室使用；被冷却的废气从底部流出换热器，经引风机排入烟囱。为满足浴室用水对水质的需求，以厂区自来水作为冷水箱的补水水源。

水温控制方面，以换热器出口水温作为信号，通过调节给水量使其维持目标温度95益；水量控制方面，通过调节送往换热器的废气量，调整热水生产负荷。为保证换热器工作安全，要求出口水温比饱和温度低40益[1]，运行中应确保工作压力不低于0.32MPa。结合现场地形状况，要求余热回收工艺流程尽可能集约、高效，依据国家标准《工业锅炉水质》（GB/ T1576-2008），方案不考虑配套除氧设备对给水进行处理。为避免水升温过程中析出的溶解气体对受热面产生氧腐蚀，选用耐腐蚀材料，同时在换热器合适位置设排气阀以及时排出析出的气体。

3.3 换热器布置方案

在废气余热回收流程中，换热器是核心设备，其受热面的面积大小、布置形式选择直接决定着余热回收系统的运行能力。鉴于冷却机废气携带少量烧结矿粉尘、横向冲刷换热管，换热管材质要求耐磨损，另一方面给水未经除氧，材质还应具备耐腐蚀性。由于废气为空气，故材料选择不需考虑低温酸腐蚀。铸铁具有耐磨损、耐腐蚀的突出优点，抗氧腐蚀能力较强，考虑其使用限制条件[3]，能够适应烧结机废气余热回收现场的需求，故换热管材质选用铸铁。

该换热器是管外废气与管内水逆向流动发生无相变的一次对流换热，介质流动形式、换热机理与锅炉省煤器完全一致，基于铸件一次铸造成型的特点，换热器翅片管直接从铸铁省煤器的标准管件中选取。换热器采用逆流布置，以减少换热面积，保持结构紧凑。经估算，受热面管型及数量初步选择如下:

管长:3000mm:内径:60 mm:壁厚:3 mm;

换热器肋片数:115片;横向管子数:24根;

纵向管子数:14根;横向节距:150 S1;

纵向节距:150 S2;单管受热面积:4.49 m2;

单管废气流通截面积:0.184 m2;

单管工质流通面积:0.002826 m2。

考虑换热器合理的结构布置，换热器的水平方向，每根奇数管（即第1.3，…….，23）依次与相邻偶数管（第2,4，……，24）连接组成12个并联的哉型管，最底层的奇数管作为给水入口；竖直方向，本层的哉型管出口与上层的对应列U型管入口相连接。换热器分上下两组布置以便于内部检修，组间设联箱、排气阀以及时排出气体。

3.4 换热器热力计算

(1)废气放热量Qf计算

t忆、t义——换热器入口、出口的废气温度，益；

Cp1、Cp2——废气分别从0到t忆、t义的平均比热容，kJ/m3·益；

ψ——换热器散热损失的修正系数。

以上参数中，Gf和t忆已知，Cp1和Cp2介质特性参数，可查表计算。t义为未知量，先假定后校核。换热器散热损失按照2%考虑[4]，ψ=0.98。Qf=180000，Cp1= 1.3303，t忆=180，Cp2=1.3251，假定t义=112，经计算Qf= 16.06伊106kj/h。

式中，h忆，h义——水入口焓、出口焓，kJ/kg。由于在出、入口水均为过冷状态，其焓值与压力无关。

查水热力性质表得h义=398 kJ/kg，h忆=84 kJ/kg。经计算Gw=51.15伊103kg/h。

(3)传热温压Δt计算

式中，Δtmax，Δtmin——传热过程最大温压、最小温压，益；

tw忆，tw义——冷水温度，热水温度，益。

已知tw忆=20，tw义=95，经计算，Δtmaxx=92益，Δtmin= 85益，Δt=88.5益。

(4)水吸热量Qw计算

Qw=KHΔt kJ/h

式中，H——受热面积，总管数伊单管受热面积，m2。

K——换热系数，kW/(m2·益)。

对于气—水对流换热，换热系数的关键影响因素是废气流速和废气温度。换热系数K可利用废气流速、废气温度从文献4的附图C19中查取。为避免受热面堵灰对换热带来不利影响，配备声波吹灰器进行清灰。

废气流速Vf计算如下：

式中，F——废气流通面积，单管废气流通面积伊横向管数，m2；

t——废气平均温度，益；

经计算，烟气流速Vf=16m/s，K=0.0336 kW/(m2· C)，工质吸热量Q w=16.14伊106kJ/h。

(5)相对误差ΔQ判定

ΔQ=（Qf-Qw）/Qf伊100%

相对误差认为计算合格。经计算，ΔQ=-0.5%，计算合格，故假设的废气排放温度t义=112合理，不需再迭代计算。

(6)水流速ω计算

ω=Gwυ/(3600F)m/s

υ——水的比容，m3/kg;

F——水的流通面积，单管流通面积伊并联管数，m2；

查表得υ=0.001016 m3/kg，经计算，F=0.0339m2，ω=0.43 m/s。可见水流速ω满足正常运行不低于0.3 m/s的要求，且在70%负荷时（热水产量36 t/h）仍能连续正常生产。

根据热力计算结果，换热器受热面采用上述布置形式，能够满足180 m2烧结机现场冷却机域段废气余热回收生产95益热水的需要，热水设计产量约51 t/h，在36 t/h以上时能够连续正常生产。

以上是换热器选型的初步探讨，为项目后续实施提供参考，最终的受热面布置方案、运行参数选择等，要依据现场实际条件、结合配套辅助设备选型，通过详细设计计算来确定。

4 结论

(1)通过换热器回收烧结冷却机低温废气生产热水的方案适合周边有热水需求的场合，与回收蒸汽方式相比，其运输方便、热回收率高、经济性更好。

(2)铸铁材质换热器耐磨损、耐腐蚀，能适应利用冷却机低温废气加热自来水生产热水这种气体含尘、水未除氧、余热资源有限、运行参数不高的场合。

(3)根据热源状况，提出了换热器布置方案。热力计算结果显示，该方案能够满足冷却机域段废气余热回收生产热水的需求，小时热水产量约51 t，具备70%以上负荷连续生产的能力。

[1]赵明泉.锅炉结构与设计【M】.哈尔滨工业大学出版社，1991.56.

[2]张巨勇.锅炉尾部烟气余热的利用[J]，铜业工程，2000.4.29-31

[3]申麦茹，铸铁锅炉的特点及应用浅析[J]，锅炉压力容器安全技术，2003.4.10-11

[4]工业锅炉设计计算(标准方法)【M】，北京：中国标准出版社，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

陈景明(1974-)，男，毕业于华东理工大学，大学本科学历，高级工程师，现从事企业能源管理工作。。