環(huán)冷機密封對燒結(jié)余熱回收效率影響的研究

徐啟明

(1:山東省冶金設(shè)計院股份有限公司 山東濟南250101; 2:中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 湖北武漢430081)

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環(huán)冷機密封對燒結(jié)余熱回收效率影響的研究

徐啟明

(1:山東省冶金設(shè)計院股份有限公司 山東濟南250101; 2:中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 湖北武漢430081)

以兩套完全相同的燒結(jié)機余熱回收系統(tǒng)為測試平臺，研究了環(huán)冷機密封對燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的影響。測試結(jié)果表明，環(huán)冷機密封的改善降低了環(huán)冷機漏風(fēng)率，提高煙氣量、同時降低煙氣溫度。在環(huán)冷機鼓風(fēng)量達(dá)到某一特定值時，通過改善環(huán)冷機密封反而降低了余熱回收效率。這主要是因為環(huán)冷機鼓風(fēng)量增加時，空氣從燒結(jié)礦中帶走的熱量會達(dá)到一個極限值并趨于穩(wěn)定，而鍋爐的排煙損失始終增加，最終導(dǎo)致余熱回收系統(tǒng)的回收效率降低。

燒結(jié) 環(huán)冷機 密封 余熱 效率

1 引言

燒結(jié)余熱回收是首批國家重點節(jié)能推廣技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)日趨完善，余熱回收效率和發(fā)電量有了很大提高。早期燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)大都采用環(huán)冷機上布置工藝，冷卻空氣穿過環(huán)冷機料層后直接進(jìn)入鍋爐，系統(tǒng)無需風(fēng)機提供動力，余熱回收系統(tǒng)風(fēng)量完全取決于環(huán)冷機冷卻風(fēng)機能力，由于環(huán)冷機上部煙氣壓力小，進(jìn)入余熱鍋爐煙氣量有限，回收效率低[1]。針對以上問題，人們對燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)做了改進(jìn)，在系統(tǒng)中增加風(fēng)機作為動力，余熱回收系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量在運行過程中通過風(fēng)機來保證，這樣大幅度提高了余熱回收效率。

目前燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)采用的工藝流程主要有兩種，一種是開式系統(tǒng)，煙氣經(jīng)過余熱鍋爐和風(fēng)機后直接排入大氣；一種是閉路循環(huán)，燒結(jié)煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后通過循環(huán)風(fēng)機重新進(jìn)入環(huán)冷機風(fēng)箱[2]。這兩種工藝流程在實際運行過程中都存在環(huán)冷機漏風(fēng)的問題，系統(tǒng)設(shè)計過程中，普遍采用各種環(huán)冷機臺車密封技術(shù)，目的是減少臺車上下部漏風(fēng)，提高余熱回收系統(tǒng)回收效率，但是從實際運行效果來看，改善臺車密封效果不一定能夠提高余熱回收效率，相反有可能降低余熱回收效率。沙鋼某燒結(jié)車間有兩臺360m2環(huán)冷機，相繼建成了兩套余熱回收系統(tǒng)，為了探討密封對燒結(jié)余熱回收效率的影響，在第二套余熱回收系統(tǒng)環(huán)冷機密封改造完成之前，對兩套余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的測試，通過對測試數(shù)據(jù)的分析表明，環(huán)冷機密封與燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的回收效率沒有直接關(guān)系。

2 燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換過程

從余熱回收過程來看，燒結(jié)機余熱回收系統(tǒng)是將燒結(jié)礦中的顯熱轉(zhuǎn)化為水蒸氣中的顯熱，這個轉(zhuǎn)移過程分成兩步完成(兩次轉(zhuǎn)移過程見圖1)。在過程1中，環(huán)境空氣在鼓風(fēng)機的作用下穿透環(huán)冷機臺車中的燒結(jié)礦料層，空氣溫度從20℃升高到380℃，同時空氣中的氧氣與燒結(jié)礦中未完全燃燒的燒結(jié)礦反應(yīng)，冷空氣最終變?yōu)楦邷責(zé)煔猓瑹Y(jié)礦中的熱量轉(zhuǎn)移至熱煙氣。在過程2中，380℃的熱煙氣穿過鍋爐換熱面積，換熱管中的常溫水被加熱變成蒸汽，熱煙氣溫度降低，熱煙氣中的熱量轉(zhuǎn)移至蒸汽。兩次轉(zhuǎn)移過程的效率直接決定了整個余熱回收系統(tǒng)的熱回收效率。第二次轉(zhuǎn)換相對比較簡單，其轉(zhuǎn)換效率與鍋爐換熱效率直接相關(guān)，目前燒結(jié)余熱鍋爐的換熱效率在80%～85%之間；第一次轉(zhuǎn)換效率的影響因素較多，主要的影響因素有燒結(jié)礦透氣性、環(huán)冷機密封效果和冷卻風(fēng)機風(fēng)量。環(huán)冷機密封效果越好，冷卻風(fēng)機穿透料層的風(fēng)量越多，空氣帶走的燒結(jié)礦熱量也就越多，但是穿透料層空氣的溫度并非一直升高，由此導(dǎo)致了余熱回收系統(tǒng)的效率也不會一直升高。

圖1 燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換示意圖

3 測試系統(tǒng)介紹

沙鋼某車間有兩臺360m2燒結(jié)機，配套415m2環(huán)冷機，兩套燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)相繼建成。該測試是在兩套余熱回收系統(tǒng)上分別完成，其中第一套余熱回收系統(tǒng)已經(jīng)完成了密封改造，在該系統(tǒng)上進(jìn)行的測試主要是為了研究環(huán)冷機密封改善的前提下，余熱回收的效率與環(huán)冷機鼓風(fēng)量的關(guān)系；第二套余熱回收系統(tǒng)除環(huán)冷機密封改造外已全部建成并投產(chǎn)使用，在該系統(tǒng)上進(jìn)行測試主要是為了將該系統(tǒng)的產(chǎn)汽量與第一套進(jìn)行比較，說明環(huán)冷機密封對燒結(jié)機余熱回收量的影響。測試系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 余熱回收測試系統(tǒng)示意圖

F-流量測點; T-溫度測點; 1-環(huán)冷鼓風(fēng)機; 2-調(diào)節(jié)閥門; 3-環(huán)冷機風(fēng)箱; 4-環(huán)冷機臺車; 5-大煙罩; 6-環(huán)冷機煙氣出口管

在第一套測試系統(tǒng)中，以環(huán)冷機鼓風(fēng)量為自變量，通過鼓風(fēng)機出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，在鼓風(fēng)機出口與風(fēng)量入口之間管道安裝流量計測量鼓風(fēng)量；以煙罩出口煙氣量和溫度為應(yīng)變量，分別測量溫度和流量。測試內(nèi)容為鼓風(fēng)機閥門開度為50%～100%的前提下測量鼓風(fēng)量、煙氣量及煙氣溫度的小時平均值。

在第二套測試系統(tǒng)中，以環(huán)冷機鼓風(fēng)量為自變量，通過鼓風(fēng)機出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，以余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量為應(yīng)變量，通過余熱鍋爐汽包出口蒸汽流量計測量，測量值為小時平均值。

4 測試過程與測試數(shù)據(jù)

測試過程在燒結(jié)機及余熱回收系統(tǒng)正常工作時進(jìn)行，兩套燒結(jié)機運行參數(shù)與原料情況完全一致。燒結(jié)機主要工作參數(shù)如下：

燒結(jié)機面積：360m2環(huán)冷機面積：415m2料層厚度：1500mm

環(huán)冷風(fēng)機風(fēng)量：51萬Nm3/h 環(huán)冷一區(qū)風(fēng)箱數(shù)量：5個

在第一套余熱回收系統(tǒng)中按照不同的閥門開度對鼓風(fēng)量、煙氣量和煙氣溫度的小時平均值進(jìn)行了測量。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 第一套余熱回收系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

第二套余熱回收系統(tǒng)沒有增加相應(yīng)的測點，根據(jù)余熱回收系統(tǒng)已有的測點對運行過程中的閥門開度、煙氣流量和余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 第二套余熱回收系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表3 煙氣進(jìn)出口焓值

5 數(shù)據(jù)分析

第一套余熱回收系統(tǒng)對環(huán)冷機出口煙氣流量及溫度進(jìn)行測試，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以計算出煙氣的理論焓值。此外，在數(shù)據(jù)測試過程中，余熱鍋爐出口煙氣溫度穩(wěn)定在120℃左右，如果不考慮管道及余熱鍋爐漏風(fēng)，余熱鍋爐出口煙氣量等于環(huán)冷機出口煙氣量，由此可以計算出煙氣出口焓值。煙氣進(jìn)出口焓值計算公式如下[3]：

H=V·cP·t

式中H—煙氣焓值/kJ；V—煙氣流量/標(biāo)m3/h；cP—煙氣在定壓下的平均容積比熱/kJ/標(biāo)m3K；t—煙氣溫度/℃。

根據(jù)以上公式計算得到的煙氣進(jìn)出口焓值見表3。

5.1 第一套系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以得到閥門開度與煙氣溫度、流量及蒸汽產(chǎn)量關(guān)系曲線(圖3)。從該曲線可以看出：

圖3 閥門開度與煙氣流量、溫度及蒸汽流量關(guān)系曲線

1)閥門開度在50%～75%時，煙氣溫度幾乎沒有變化，但是隨著閥門開度達(dá)到80%以上時，煙氣溫度明顯降低。

2)煙氣流量隨著閥門開度的增加，流量呈上升趨勢，該曲線說明當(dāng)閥門開度增加，鼓風(fēng)機風(fēng)量增加，穿透料層的煙氣量也同時增加。

3)余熱鍋爐產(chǎn)汽量在閥門開度達(dá)到80%時達(dá)到最大值，之后煙氣流量開始降低。同時該曲線可以看出余熱鍋爐產(chǎn)汽量達(dá)到最大時，煙氣溫度和煙氣流量均不是最大值。

5.2 第二套系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以得到閥門開度與煙氣和蒸汽流量關(guān)系曲線(圖4)，該曲線看出。

1)環(huán)冷機煙氣流量隨著閥門開度的增加而增大；

2)蒸汽流量開始隨閥門開度增加而增大，閥門開度達(dá)到90%時，蒸汽流量達(dá)到最大值，之后蒸汽流量開始減少。

圖4 閥門開度與煙氣和蒸汽流量關(guān)系曲線

3)沒有進(jìn)行環(huán)冷機密封改造的第二套余熱回收系統(tǒng)蒸汽流量出現(xiàn)最大值的閥門開度大于進(jìn)行了環(huán)冷機密封改造的第一套余熱回收系統(tǒng)。

5.3 第一套系統(tǒng)煙氣理論焓值分析

根據(jù)表3可以得到閥門開度與煙氣焓值、煙氣量及蒸汽產(chǎn)量關(guān)系曲線(圖5)，從該曲線可以看出：

圖5 煙氣焓值、煙氣量及蒸汽產(chǎn)量關(guān)系曲線

1)余熱鍋爐進(jìn)出口煙氣焓值隨著煙氣量的增加而增大，達(dá)到某一極限后趨于穩(wěn)定；

2)余熱鍋爐出口焓值與煙氣量呈線性關(guān)系，隨著煙氣量的增加，鍋爐排煙損失始終增大；

3)余熱鍋爐進(jìn)出口焓差在閥門開度達(dá)到80時最大，之后焓差明顯下降；

4)余熱鍋爐產(chǎn)汽量在閥門開度80%時達(dá)到最大值；

5)余熱鍋爐產(chǎn)汽量曲線與煙氣進(jìn)出口焓差曲線基本吻合。

5.4 兩套余熱回收系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)對比分析

1號余熱回收系統(tǒng)余熱鍋爐產(chǎn)汽量最大時(45.99t/h)，鼓風(fēng)機出口閥門開度80%，鼓風(fēng)量為41.08萬m3/h，環(huán)冷機出口風(fēng)量為36.97萬m3/h，環(huán)冷機漏風(fēng)率約為10%。2號余熱回收系統(tǒng)余熱鍋爐產(chǎn)汽量最大時(46.55t/h)，鼓風(fēng)機出口閥門開度90%，鼓風(fēng)量為47.32萬m3/h(由于2號余熱回收系統(tǒng)沒有在鼓風(fēng)機出口安裝煙氣流量計，該風(fēng)量近似等于1號燒結(jié)機鼓風(fēng)機閥門開度90%)，環(huán)冷機出口風(fēng)量36.4萬m3/h，環(huán)冷機漏風(fēng)率約為23%。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可以看出，相比2號燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)，1號余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)冷機密封后，臺車上下漏風(fēng)率降低了13%，說明環(huán)冷機密封確實能夠明顯較少系統(tǒng)漏風(fēng)率，但不一定能夠提高余熱回收系統(tǒng)的回收效率。這主要是因為隨著穿透料層的風(fēng)量增加，余熱鍋爐入口煙氣的焓值增加，同時余熱鍋爐出口的焓值也會增加，并且在煙氣量超過某一值時，余熱鍋爐入口煙氣焓值增加量小于鍋爐出口焓值增加量，因此余熱鍋爐進(jìn)出口焓差反而降低，蒸汽產(chǎn)量下降。

目前2號燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)環(huán)冷鼓風(fēng)機閥門開度基本保持在90%，如果對密封進(jìn)行改造，將環(huán)冷機漏風(fēng)率降低至10%，煙氣流量將達(dá)到42.5萬m3/h，余熱回收系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量將低于35t/h，余熱回收效率將顯著下降。

6 結(jié)論

環(huán)冷鼓風(fēng)機出口閥門開度增加后，環(huán)冷機煙氣溫度開始處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)閥門開度到達(dá)一定值時煙氣溫度顯著降低。

環(huán)冷鼓風(fēng)機出口閥門開度增加后，環(huán)冷機煙氣流量始終呈上升趨勢。

環(huán)冷機密封效果與余熱回收效率沒有必然聯(lián)系，在特定條件下，對環(huán)冷機密封進(jìn)行改造后在提高煙氣量的同時反而會降低余熱回收系統(tǒng)的回收效率。這主要是因為環(huán)冷機密封改善后，穿過燒結(jié)礦料層的有效風(fēng)量增加，余熱鍋爐出口煙氣流量也會增加，余熱鍋爐的排煙損失增加量大于入口煙氣熱量的增加量。

余熱回收系統(tǒng)回收效率最高點既不是環(huán)冷機出口煙氣溫度最高點，也不是煙氣流量最高點。在余熱回收系統(tǒng)實際運行過程中不能夠只按照溫度或流量對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

[1]董輝,力杰,羅遠(yuǎn)秋,等.燒結(jié)礦冷卻過程的試驗研究[J].東北大學(xué)學(xué)報,2010,Vol.31(5):679-692.

[2]胡深亞，潘衛(wèi)國，姜未汀，等.燒結(jié)工藝余熱利用多種技術(shù)方案的比較研究[J].上海節(jié)能，2010(9):27-30.

[3]張惠寧,郭奠球,孔德萱,等.燒結(jié)機設(shè)計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

Research on Annular Cooler Sealing Influence to Sinter Waste Heat Recovery Efficiency

Xu Qiming1Lan Junpeng1Shi Weili1Gao Huiwen1Gu Zheng2

(1:Shandong Province Metallurgical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101; 2:Sinosteel Corporation Wuhan Safety & Environmental Protection Research Institute Co.，Ltd., Wuhan 430081)

Take two completely identical sintering machine waste heat recovery systems as testing platform to research the annular cooler sealing influence on sintering waste heat recovery system. The testing result shows that the annular cooler sealing improvement can reduce annular cooler air leakage rate and increase fume volume as well as reducing the fume temperature. However, when the annular cooler blast volume reach certain level, the improvement of annular cooler sealing will decrease the waste heat recovery efficiency. The reason is that when the annular cooler blast volume increase, the heat taken from the sinter ore by air will reach limit value and become stable, but the boiler flue gas loss will keep increasing, finally the waste heat recovery system recovery efficiency will decrease.

Sinter Annular cooler Sealing Waste heat Efficiency

徐啟明，男，1980年出生，碩士，工程師，2006年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，主要從事余熱回收設(shè)計工作1蘭軍鵬1石偉麗1高慧文1顧 錚2

TF321.4

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.017

2014-04-09)