輻射換熱技術在冶金礦熱爐生產中的應用

鐵合金礦熱爐集煙罩輻射換熱技術的應用

作 者:劉 星

[擇要]冶金行業屬於高耗能企業,隨著生產工藝的改進和節能技術的開發, 冶金礦熱爐傳統的餘熱回收利用技術沒有真正實現完全達到節能利用的效果。實踐證明,在冶金礦熱爐生產中固體產生大量的顯熱,除了傳統的對流換熱技術進行對於熱量回收利用外,還可以利用輻射換熱技術對於集煙罩內顯熱進行利用,兩者可以同是時進行,輻射換熱技術利用可以提高冶金礦熱電爐整體餘熱利用。可廣泛推廣及其應用。

關鍵詞:集煙罩 輻射換熱器 設計 施工

1、引言

輻射換熱技術應用效果往往是依賴和決定於冶金礦熱爐集煙罩的密封和煙罩內部產生的顯熱,因結構形式、安裝、設計及布置等等都會影響輻射熱效率,影響礦熱爐集煙罩內部顯熱產生的因素有原材料、礦熱電爐冶煉技術工藝及電爐生產負荷功率大小等等。集煙罩是靠水冷壁的作用進行冷卻,降低煙罩表面溫度,保護煙罩周圍設備及舒適的工作環境。它的製造工藝簡單,使用壽命短,更換頻繁,礦熱爐集煙罩輻射換熱技術應用後,輻射換熱器完全可以代替原有的集煙罩水冷壁,輻射換熱器的製造工藝按照壓力容器標準執行,所以與集煙罩水冷壁相比使用壽命不長,安全可靠,平時維護成本底,從企業長遠發展方向來看經濟合理。

2、輻射換熱技術的特點及使用範圍

2.1、輻射換熱器特點

2.1.1、輻射換熱器的設計及施工工藝簡單,易於掌握,模塊化拼裝,電爐正常生產的情況下可以裝拆,便於平時設備的維護,降低維護量及生產成本,具有推廣價值。

2.1.2、輻射換熱器是利用插銷及局部短距離焊接固定在集煙罩骨架樑上,具有可靠的整體性、穩定性及安全性,並且有良好的密封性。

2.1.3、輻射換熱器是在集煙罩內部,不占用外部空間地里位置,不影響電爐設備的使用及外部美觀。

2.1.4、換熱器結構組成為:鋼板+30mm~50mm保溫棉+80mm耐熱混泥土+換熱器,這種製作工藝隔熱、保溫效果好,工作環境溫度低,給企業生產人員的穩定墊定了基礎。

2.2、輻射換熱技術使用範圍

本方案應用很廣泛,可覆蓋的行業有:冶金行業、化工行業、玻璃行業、爐渣餘熱、水泥行業、鋼鐵行業、紙行業、磚行業、陶瓷等等行業:其中冶金行業包括工業矽電爐、矽錳電爐、高碳鉻鐵電爐、矽鐵電爐、電石爐、黃磷爐、煉鐵高爐。3、設計與施工 3.1、設計對於輻射換熱技術的設計使用範圍很廣泛,要根據不同的行業、規模及容量等選擇不同的設計思路及方案,以16500kva工業矽電爐為案例,按照以下步驟進行:3.1.1、收集現場資料,了解工業矽電爐生產的產品規格、冶煉技術工藝、原材料的配比、工業矽電爐的實際容量、正常生產時負荷、超負荷情況、電爐的運行周期、出鐵情況、輻射換熱器與原設備配合及預留、了解集煙罩內部每位置的溫度變化情況及相關注意的其他事項。3.1.2、計算集煙罩內輻射換熱器面積3.1.2.1、集煙罩是由12塊固定爐壁、3塊小爐門、3塊大爐門、煙罩骨架、煙罩頂蓋及其他附件組合而成。爐壁為2400mm×2000mm;大爐門2000mm×1500mm;小爐門800mm×1000mm,頂蓋為Ø10000mm的圓,輻射換熱器尺寸確定要考慮空間及裝配位置。3.1.2.2、計算12塊固定爐壁上的輻射換熱器的面積:固定爐壁上的輻射換熱器由上集箱、下集箱、換熱管、鰭片、澆築料、保溫棉換熱器底板及其他附件組成,換熱器底板採用δ=12mm,保溫棉δ=40mm,澆築料δ=80mm,上下集箱φ133mmx10mm,換熱管φ45mmx3.5mm,換熱管道長度為1740mm。每根換熱管面積:3.14×Ø45 mm×1.74 mm=0.25m²。換熱器面積:0.25m²×22×12=66 m²。

3.1.2.1、煙罩頂蓋輻射換熱器形狀各異,有方形、扇形、異形等等,如下列圖(2)、圖(3)、圖(4)。換熱器組成由換熱管、鰭片、澆築料、保溫棉換熱器底板及其他附件組成,換熱器底板採用δ=12mm,保溫棉δ=40mm,澆築料δ=80mm,換熱管φ45mmx3.5mm,與爐壁換熱器相比較缺少上、下集箱,在循環方式上有所不同,爐壁採用自然循環,頂蓋換熱器採用強制循環方式。經過詳細計算得出集煙罩爐頂蓋換熱器面積為48m²。

3.1.2.2、工業矽電爐在正常運行下,排煙溫度450℃,對流換熱鍋爐出口溫度150℃,煙氣流量80000 Nm³/h,根據冶煉工藝的不同有所變化。3.1.2.3、礦熱爐煙氣化學成份:CO2(3.55%)、H2O(1.11% )、N2(76.57% )、O2(18.76%)、CO(0.01%),粉塵含量8g/Nm³~10g/Nm

3.1.2.3、工業矽3噸原料(其中:油膠0.7噸、木片0.35噸、煤0.6噸)冶煉1噸產品,平均每個小時產1.375噸矽,矽石(二氧化矽)從入料開始就進行吸熱(6437.2KJ/kg),升溫進入還原狀態,在高溫的情況下,首先還原成一氧化矽(SiO),而後還原成矽(Si),還原溫度1800℃,高於時釋放熱量,將發生下如反應,SiO2+C= SiO+CO。一氧化碳在高溫的情況下是以氣體狀態存在,爐內反應過程所產生的氣體順利向爐面逸出,與氧氣進行燃燒釋放大量熱。

3.1.2.4、電爐集煙罩內輻射熱量的計算熱輻射是熱量傳遞的一種方式,在工業矽生產中有大量的輻射熱成在,利用價值高,熱量換算時要考慮輻射效率、輻射熱源、熱量損失、能量守恆等因素。① 電爐生產過程中產生的輻射熱量:

Q=Qd+Qdj+ Qmt+Qyj+Qmc+(Q△2一Q△1)

=59400000 kJ/h+2508000 kJ/h+24177450 KJ/ h+38220875

KJ/ h+5775000 KJ/ h+6859050 kJ/h

=136940375 kJ/h

Q: 電爐在正常生產時所產生的總輻射熱;

Qd:每個小時消耗電所產生的熱量 59400000 kJ/h;

1度電=3600000J=3600kJ, 3600kJⅹ16500(電量消耗

16500kw/h)=59400000 kJ/h。

Qdj:每個小時消耗碳素電極產生的熱量:2508000 kJ/h;

碳素電極消耗量80kg/h,發熱量為7500KCal /kg。

31350KJ/kgⅹ80kg/h=2508000 kJ/h。

Qmt:每個小時消耗煤產生的熱量:24177450 kJ/h;

標煤的發熱量7000Kcal/kg

1.375ⅹ600kg/hⅹ29306KJ/kg=24177450 KJ/ h。

Qyj :每個小時消耗油膠產生的熱量: 38220875kJ/h

工業矽冶煉電爐所用的油膠熱值為9500Kcal/kg (39710KJ/kg)

1.375ⅹ700kg/hⅹ39710KJ/kg=38220875 KJ/ h。

Qmc:每個小時消耗木片產生的熱量:5775000kJ/h

木材的熱值是12000kJ/kg

1.375ⅹ350kg/hⅹ12000KJ/kg=5775000 KJ/ h。

Q△2-△1: 每個小時矽石產生的熱量:6859050 kJ/h

Q△1總吸熱量:

=6437.2KJ/kgⅹ3000kg(3噸原材料冶煉出1噸矽) ⅹ1.375

=26553450KJ/h

Q△2釋放總熱量

生產1噸工業矽產品,產生2700 Nm³一氧化碳氣體,當一氧化碳氣體逸出料面時與二氧化碳氣體燃燒釋放熱:

1.375噸/h(每個小時產量)ⅹ2700 Nm³ⅹ9000 kJ/N m³(一氧化碳熱值)=33412500 kJ /h。

每個小時矽石產生可利用的熱量:

Q△2一Q△1

=33412500 kJ /h—26553450KJ/h

=6859050 KJ/h

② 每個小時可利用輻射熱量:Q1=Qⅹ12%             =136940375 kJ/hⅹ12%             =16432845 kJ/h 工業矽冶煉過程中熱損失8%(煙罩、爐門、爐殼等散熱),50%原材料只還原不產生灰發,出鐵帶走5%熱量。對流換熱利用25%熱量。

③ 輻射換熱器每小時產生蒸汽量(2.45MPa ,400℃)

QZQ=Q1.η/(hsh-hfw)

=16432845×70%/(3239-105)

=3670(kg/h)

如果發電每小時可發電:3756÷6.5=578KW.h

● 每小時礦熱爐可利用輻射熱量Q1,KJ/h;

● 換熱器效率η, 70%;

● 換熱器出口過熱蒸汽焓hsh,KJ/Kg,2.45MPa、400℃蒸汽焓值3239KJ/Kg;

●換熱器入口給水焓hfw,KJ/Kg,2.5MPa、25℃給水焓值105KJ/Kg;

從上表可知,如果企業將輻射換熱器產的蒸汽來發電,每年可向企業供電457.78萬度,按工業矽企業電價0.4元/度,扣除設備的維護成本後,每年可創造毛利140.1104萬元。

3.2、施工  3.2.1、換熱器的製作在工廠進行,按照鍋爐規範要求將換熱器模板化製作成後進行試拼,然後分組編號,保溫隔熱的澆築耐火泥在安裝現在製作。3.2.2、換熱器採用木箱保護運輸,連接螺栓及附件設專箱存放,運送工地待用。 3.2.3、換熱器安裝前做好保溫及隔熱材料,集煙罩骨架做好沉重及水壓實驗,合格後方可進行安裝。3.2.4、換熱器裝時,定位和穩定性全靠集煙罩骨架定位。因此,安裝時要注意密封效果,換熱器與骨架之間的螺栓聯接及短距離的焊接,集煙罩頂蓋換熱器之間需做絕緣,並做絕緣實驗,滿足安裝、設計技術要求。3.2.5、安裝完後,並做水壓實驗(設計壓力的1.6倍),穩壓20分鐘後不滲漏合格。3.2.4、施工措施  為保證換熱器的安裝及使用不影響電爐正常生產,對整體密封、配裝及絕緣施工時採取以下幾點措施:  3.2.4.1、在施工過程中應有周密的施工組織,嚴格的操作工藝流程,詳細掌握測量資料及施工情況,集中指揮,互相配合。 3.2.4.2、每塊換熱器上升、下降管、頂蓋換熱器之間聯接焊接結束後,應立即清理。3.2.4.2、換熱器安裝完畢後對於接縫處進行密封性檢查,是否達到設計要求,煙罩與爐殼及樓層台平採用焊機做絕緣實現,檢查頂蓋換熱器與電爐升降系統之間間隙與密封,應滿足工業矽電爐冶煉工藝技術要求。結束語  集煙罩輻射換熱技術的應用,在鐵合金礦熱爐中不會對電爐產生任何負面影響,易拼易拆,更換方便,適應性強,並能提高電爐的使用周期和產量。整套裝置餘熱利用率高、節能降耗效果顯著、無三廢和熱源污染,解決了鐵合金礦熱爐餘熱吸收、收集、能量轉換、安全運行等技術問題。餘熱利用價值高,節能效果好,技術先進,有利於企業節能減排和產業升級,為企業創造更多的經濟效益。是鐵合金行業中值得廣泛推廣。 參 考 文 獻1. 中華人民共和國行業標準JB/DQ1060G—1982 .  2. 《工業鍋爐設計計算方法》編委會 編—中國標準出版社。3.《傳熱學》 楊世銘 編 北京:高等教育出版社,1980

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