余热直接利用技术的开发与应用 .doc

余热直接利用技术的开发与应用 凌子愚1，唐贤军2 ，刘 青3，时 黎1 （1 山东省冶金科学研究院，山东 济南 250014； 2 济南钢铁集团总公司，山东 济南 250101；3 山东轻工业学院，） 摘 要冶金生产的许多工艺流程都伴有大量的热废气产生。以烧结生产为例，烧结矿冷却过程中产生的废气温度达200～450℃，含尘量一般为500～4000mg/m3。为充分利用余热资源，开发了废气经高温除尘后直接用于烧结点火的余热直接利用技术。采用钢陶复合式结构的除尘器，结合采取特殊挂釉、高温烧成工艺，采取双旋气流和变径气封等措施，同时，设计时充分考虑系统的相容性，保证了系统有效除尘并长期稳定运行，年经济效益2000多万元。 关键词冶金余热；直接利用；烧结；点火 中图分类号X706 文献标识码B 文章编号1004-4620（2006）02-0020-02 Development and Application of the Direct Use Technology of Metallurgical Waste Heat LING Zi-yu1, TANG Xian-jun2, LIU Qing3, SHI Li1 （1 Shandong Metallurgical Research Institute, Jinan 250014, China; 2 Jinan Iron and Steel Group Corporation, Jinan 250101, China; 3 Shandong Institute of Light Industry, Jinan 250100, China） Abstract Many technological processes of metallurgy production are accompanied by much large hot waste gas. Using the sintering process as an example, the waste gas of 200～450℃ is produced after sintering ore forced draught cooling and the dust content of waste gas is generally 500～4000mg/m3. In order to recycle residual heat, the technology of waste heat direct use that is, the waste gas is directly used for sintering ignition after the high temperature dedusting was developed. The steel-ceramic compound structure combining with special glazing and high sintering processes, double-cyclone gas flow and adjustable orifice gas seal are adopted in desuster design. At the same time the compatibility of the system is full considered in the design, ensuring the system can dedust effectively and run long and stably. Key words metallurgical waste heat; direct use; sintering; ignition 冶金生产过程中，有些工艺流程的中间产品是以高温热状态产出的，如烧结机、球团竖炉和部分焙烧窑等设备的中间产物，其排出温度多在700～800℃以上，为能进入运输和储存等下步工序，必须将其冷却，由此会产生大量的热废气。这部分余热资源数量较大，研究其利用技术并加以回收利用，对冶金生产相关工序的节能降耗具有重要的现实意义。 1 热废气特性 以典型的烧结矿冷却过程为例，当800℃左右的热矿经冷却介质为空气的气流强化冷却后，温度降至工艺规定的范围进入下步工序。而空气在冷却过程中经与热物料的热交换后，则变成200～450℃的热废气而排入大气。由此产生的废气数量吨矿可达3000m3，随生产过程连续排放，产出量比较稳定。 由于冷却物料中残碳的二次燃烧微乎其微，在工程计算中可忽略不计，所以废气中的氧含量仍与大气中相同，即21。此时物料烧结过程中的化学反应绝大部分已经完成，其冷却过程可视为纯物理过程，所以废气中一般也不含可燃和爆炸性气体成分，是一种安全、“洁净”的余热资源。但被冷却物料中所含的小粒度粉尘会被强制冷却的高速气流吹起和带走，所以通常情况下冷却废气又是不洁净的含尘气体，其含尘量一般为500～4000mg/m3，粒径分布较广。其中粗粉尘比例较大，细粉尘较少，小于5μm的不到10。粉尘真密度3.83～4.88g/cm3。 2 余热利用方法 2.1 换热回收法 目前冶金废气（无论是冶炼和加热过程中产生的燃烧废气，还是冷却过程中产生的高氧废气）余的利用，国内大都采用换热的方法加以回收，如余热锅炉和其他换热装置等。这对于含有可燃成分和低氧的高温燃烧废气来说，无疑是可行的，但对于200～450℃的中低温冷却热废气来说就不一定合适了。因为在该温度区间内，换热器的换热效率普遍较低，要获得较好的换热效果，就必须加大换热面积，由此会使换热装置重量大幅增加，不仅增大了成本，也给设备安装带来了很多实际困难。此前，为提高烧结机点火温度，曾在120m3烧结机上做过废气余热换热法回收利用的尝试，试验采用了气化相变传热的热管作为核心换热元件的复合式换热装置，并采取了在换热器的冷、热两侧管外壁高频焊接螺旋翅片以强化管壁与冷热气流间的对流换热，采用翅片垂直的布置结构防止和减少积灰以及逆流布局等多种技术措施，几项设计参数已近极限，虽获得了热风点火试验的成功和废气余热回收的初步效果，但空气换热温度仍未超过255℃[1]。 2.2 直接利用法 在余热换热法的热交换过程中，由于存在中间换热环节，对回收系统的温度效率有较大影响，尤其是冷却风量加大、废气温度降低后换热效率也随之大幅降低，严重影响了换热效果。分析认为，如能去掉回收系统的中间换热环节，而将高含氧量的热废气直接作为助燃空气加以利用，则回收效率会更高。由此提出了直接利用废气热风点火助燃的技术方案。 该方案的具体方法是将带冷机的废气用分流集气抽烟罩抽出，经多级保温除尘后用热风机输送到点火炉直接供点火助燃。系统工艺流程为 烧结带冷机→分流集气抽风→高效保温多级除尘装置→热风输送机→点火烧嘴 ↓ 机械排灰→返矿皮带 3 解决的主要问题 本方案的技术关键是合理选择除尘耐磨材质和相容性的系统设计，在不降低废气温度的前提下有效除尘，并能够长期稳定运行。主要解决以下问题 （1）除尘器设计与内部材质问题。由于废气温度最高可达450℃，不能选用工作和使用温度一般都不大于300℃的静电除尘器和布袋除尘器。而采用金属管式除尘器时，其内部高温含尘气流的快速磨损则是一个不可避免的问题。研究表明，由于金属的氧化速度随温度的升高而增大[2] ，所以高温时普通金属材料的磨损速度将是常温下的数倍，再加上高温含尘气流的高速冲刷，除尘器内部元件将会快速磨损和失效，从而导致整个系统瘫痪。故在除尘器设计时选择采用了钢陶结合的复合式结构，由于高硬度陶瓷在高温下具有耐磨和耐腐蚀的良好特性，结合采取特殊挂釉、高温烧成等工艺方法，有效地解决了常规除尘装置金属件在高温含尘气流冲刷下的快速磨损和短期失效问题，且管壁光滑不堵塞、不粘灰，保证了系统长期稳定运行。 （2）提高除尘效率，降低内部阻损，保证供给压力。直接利用的热废气除尘与普通废气排放除尘相比有很多不同，一是普通废气除尘只要含尘浓度小于150mg/m3即可达标排放，而直接利用的废气含尘浓度则要小于80mg/m3或更低才能保证缝式烧嘴不被堵塞；二是普通废气除尘后都是直接排放到大气中，压力很低，一般只要几十帕，而直接利用的热废气除尘后需要保持2000Pa以上的压力，才能满足点火等直接利用的需要。为此，在工程应用中采取了双旋气流和变径气封等多项技术措施以有效组织和改善内部气流流态，提高了除尘效率，大幅减少了系统阻损，在延长系统使用寿命、降低动力消耗的同时，有效保证了助燃热风的嘴前压力，大大改善了燃烧和料层点火速度，提高了烧结矿的产量和质量。 （3）减少漏风，提高效率。陶瓷材料虽然具有耐高温、耐磨的特性，但却不能像金属材料那样进行焊接，且膨胀率一般也比金属高，如果部件间的连接与配合处理不当，就会造成大量漏风。对于除尘器来说，如漏风率1，则效率下降10；而当漏风率5时效率则会下降50[3]，因此，漏风率大小也是影响除尘效率的重要因素。对比了多种成分的陶瓷材料特性，选定低膨胀率材质，以最大限度减少两种不同膨胀率材料之间的高温差异，并在部件的接口连接部位采取不同材料的软硬密封和加装电动锁气装置等多项技术措施，保证了整体气密性，减少了漏风率，提高了除尘效率。 （4）系统相容性设计。在废气余热直接利用的整个系统中，各系统环节与原有生产设备之间的相互匹配至关重要，不仅是使用效果的好坏，而且直接影响到正常生产。为此，在系统设计中，从前端集气抽风到系统终端，对各环节的所有相关参数进行分析，使各部分设备容量能力和系统参数相互良好匹配。在确定最大负荷参数的同时，适当考虑设备冗余，重要设备采用一用一备，确保故障时的备份设备能够迅速切换投运。此外，对终端烧嘴也进行了配套改进，以适应热风条件下的正常点火。为减少温降、保证终端使用效果，还对除尘装置和所有系统管路进行了超常的内外部整体高效保温。 4 应用效果 该项余热直接利用技术自2004年4月1日在济南钢铁集团总公司（简称济钢）2号120m3烧结机上正式投用，获得了300℃以上的较高风温，系统运行工况稳定。烧结机直接利用热风点火后，炉内温度均匀，火焰穿透性强，烧结质量大大改善。统计表明，该系统投入使用后，年节省煤气价值457.6万元，提高成品率的年效益1674.4万元，综合年经济效益2000多万元。该技术现已在济钢第一烧结厂所有烧结生产线上推广应用。 济钢烧结生产实践表明，直接利用余热废气点火助燃是提高烧结过程点火温度和改善点火质量的最直接有效的方法。助燃空气温度的提高，不仅因带入部分物理热而使燃烧温度得以提高，节约了能源，还可使点火过程中空煤气混合后的点火浓度极限范围变宽，从而改善了燃烧，强化和稳定了点火过程。这对于使用高炉煤气等低热值燃气点火的烧结机显得尤为重要。同时，由于助燃空气温度的提高，提高了烧嘴的混合喷出速度，增加了火焰的出口动能，增强了烧嘴火焰的穿透能力，使高温区更加贴近或侵入点火料面，加快了垂直点火过程，提高了上层料面保温蓄热能力，这对于促进铁酸钙的生成和厚料层操作是十分有利的。该技术的另一优点是由于将余热回收后直接用于工艺自身，所以其节约的燃料量将大于回收废气热量所相当的燃料量，即燃料节约率大于1，节能效果十分明显。应用表明，冶金余热直接利用技术由于没有中间换热过程，是一种比传统热交换方式更高效的余热回收利用方法，是提高冶金生产质量和增产降耗行之有效的技术措施。