燒結(jié)球團冷卻鏈篦機高溫回水余熱循環(huán)應(yīng)用與研究

衡旭文,何鐵牛

(太原鋼鐵(集團)有限公司 代縣礦業(yè)有限公司,山西 太原 034207)

0 前言

代縣礦業(yè)有限公司是太鋼不銹鋼燒結(jié)球團原料基地,2009 年建成了年產(chǎn)200 萬t 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機燒結(jié)球團生產(chǎn)線,其中鏈篦機型號為B4.5×46 m,寬度4.5 m、長度46 m。運行幾年來,鏈篦機空心上托輥軸一直使用新水冷卻,冷卻前新水溫度為8～12 ℃,冷卻后回水溫度冬季為57～67 ℃,因新水中含碳酸鈣、碳酸鎂和碳酸鐵等較多,所以冷卻后的空心上托輥軸結(jié)垢嚴(yán)重導(dǎo)致空心軸堵塞,而且這部分熱能未得到合理使用。為實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色生產(chǎn),準(zhǔn)備將鏈篦機冷卻后高溫回水送到鍋爐房,經(jīng)汽水熱交換器加溫后送至各崗位取暖,改善作業(yè)區(qū)人員工作環(huán)境、降低生產(chǎn)成本和供水熱能。同時將鍋爐房經(jīng)處理軟化水送到鏈篦機,提高鏈篦機冷卻水的質(zhì)量,減少鏈篦機空心上托輥軸的結(jié)垢量,使鏈篦機冷卻高溫回水得到充分應(yīng)用,實現(xiàn)節(jié)能減排和余熱利用等目標(biāo)。

1 改進前鏈篦機高溫冷卻水排放現(xiàn)狀

鏈篦機是代縣礦業(yè)200 萬t/a 球團生產(chǎn)線的核心設(shè)備,鏈篦機生產(chǎn)能力Q 為200～300 t/h,運輸速度V為1.14～3.43 m/min,球團礦在鏈篦機內(nèi)停留時間為34～45 min、堆積厚度為200 mm、堆積密度為2.2 t/m3,篦床加熱面積為207 m2,鏈篦機是運輸直徑φ8～16 mm 球團礦并且加熱生球的設(shè)備,其中分四個加熱階段,一是鼓干加熱段,加熱生球的溫度為0～80 ℃;二是抽干加熱段,加熱鐵球溫度為80～280 ℃;三是環(huán)冷機余熱利用加熱一段,加熱鐵球的溫度為280～780 ℃;四是環(huán)冷機余熱利用加熱二段,加熱鐵球的最終溫度為780～1 180 ℃;物料由鏈篦機內(nèi)部空心托輥軸(共62 根)支撐且由鏈板輸送到回轉(zhuǎn)窯加熱,為防止空心托輥軸和水冷梁(共四根)受熱變形,必須在其中間注入新水冷卻,其中新水溫度冷卻軸前為8～12 ℃,冷卻軸后為57～67℃,冷卻后水溫升高了49～55 ℃,新水用量為80～120 m3/h,如果這部分新水熱能不回收,余熱就會浪費,不利于降本增效。

充分利用該熱水,將冷卻鏈篦機空心托輥軸及水冷梁后的高溫回水回收至鍋爐房,經(jīng)鍋爐房軟化處理設(shè)備、熱交換器和電鍋爐加熱后將高溫回水,冬天送至各崗位取暖,降低取暖成本和供水熱能。同時將鍋爐房經(jīng)軟水處理器處理后的低溫回水送到冷卻鏈篦機空心托輥軸及水冷梁管道,改善冷卻鏈篦機水的質(zhì)量、減少空心托輥軸的結(jié)垢量。使冷卻鏈篦機后的回水余熱充分利用,達到節(jié)能減排效果,也解決過濾、焙燒、原料、精選等作業(yè)區(qū)和球團廠辦公區(qū)冬季取暖問題。

原來四個作業(yè)區(qū)及辦公區(qū)安裝兩臺10 t 鍋爐SHX35-1.6-M10 供暖,每年耗煤1.8 萬t,且未配套環(huán)保設(shè)備。鍋爐操作人員勞動強度大、耗煤多、成本高、熱效率低,同時嚴(yán)重污染環(huán)境,現(xiàn)已停止運行。

2 鏈篦機冷卻后高溫回水余熱回收利用研究與改進措施

2.1 冷卻水軟化處理研究

鏈篦機空心托輥軸及水冷梁結(jié)垢的主要原因是冷卻水中存在Ca2+、Mg2+,冷卻水軟化用鈉離子交換除去冷卻水中的Ca2+、Mg2+,使硬水變成軟水,防止鏈篦機空心托輥軸及水冷梁結(jié)垢。當(dāng)使用循環(huán)水冷卻時,水進入空心托輥軸及水冷梁前,須進行水軟化處理,筆者設(shè)計應(yīng)用鈉離子交換及再生處理技術(shù)。

應(yīng)用原來固定床動態(tài)鈉離子軟化水處理交換的關(guān)鍵技術(shù),運行中的離子交換劑層固定在一個交換器中,再生時也在交換器內(nèi)進行。固定床運行時,當(dāng)水流從上至下通過交換劑層時,冷卻水中的Ca2+、Mg2+與交換劑中的Na+進行交換反應(yīng),其冷卻水軟化反應(yīng)過程如下:

2RNa(有效樹脂)+Ca2+(Mg2+)(硬水)→R2Ca(R2Mg)(失效樹脂)+2Na+(軟水)

當(dāng)冷卻水接觸上層交換劑失效后,繼續(xù)進入冷卻水與下層交換劑進行離子交換,因此交換工作層不斷下移,整個交換劑層分為三個區(qū)域,如圖1 所示。上部已經(jīng)失效的交換劑層,交換劑層已呈Ca2+、Mg2+型,失去了繼續(xù)軟化的能力,冷卻水通過這一層時不再發(fā)生變化,這一層稱為失效層(也叫飽和層)、中間層為工作層(也叫交換層),冷卻水通過這一層時,水中的Ca2+、Mg2+與交換劑中的Na+進行交換反應(yīng),因此在這層交換劑中有Ca2+、Mg2+與Na+,最下部的交換劑尚未交換反應(yīng),基本是Na+,隨著離子交換器運行,失效層區(qū)域不斷增加,工作層不斷下移,未交換區(qū)域隨之減少。當(dāng)工作層下移至接近交換層底部時,出水中將因Ca2+、Mg2+穿透而出現(xiàn)硬度,因此為了保證出水品質(zhì)合格,工作層下移至接近交換層底部之前,應(yīng)再生交換層。

圖1 軟化水處理過程

2.2 固定床鈉離子交換再生過程研究

當(dāng)固定床Na+鈉離子交換劑失效后,為了恢復(fù)其軟化能力,必須用Na+鈉離子再生劑進行再生,常用的再生劑為食鹽(NaCl)溶液。其Na+鈉離子再生反應(yīng)過程如下:

2Na+(鹽水)+R2Ca(R2Mg)(失效樹脂)→Ca2+(Mg2+)(廢液排放)+2RNa(有效樹脂)

再生是冷卻水軟化離子交換器一個重要的環(huán)節(jié),在生產(chǎn)中須重視。

2.3 設(shè)計原則

(1)充分利用冷卻鏈蓖機空心托輥軸前新水溫度為8～12 ℃,冷卻后回水(冬季實測)57～67 ℃,利用冷卻軸后的回水余熱來加熱取暖。(2)冬天辦公區(qū)、班組休息區(qū)等場所設(shè)計室內(nèi)平均溫度18 ℃、生產(chǎn)廠房10 ℃。

2.4 水加熱需要熱量計算

(1)每小時回水回收熱量應(yīng)根據(jù)水進、出溫度等按式(1)確定:

式中Q—加熱1 kg 水需要熱量,kcal/h 或kW·h;

C—比熱容,J/(kg·℃),水的比熱容為4.2×1 000 J/(kg·℃);

M—加熱水重量,kg;

T1—水加熱前的溫度,℃;

T2—水加熱后溫度,℃;

R—換熱效率,常數(shù)或系數(shù)。

(2)每小時節(jié)省標(biāo)煤量應(yīng)根據(jù)標(biāo)煤發(fā)熱值及燃燒效率等按式(2)確定:

式中Mh—每小時省煤量,kg/h;

Qh—每小時回收熱量,kW·h;

Qf—煤燃燒發(fā)熱值(計算),kcal/kg;

Rμ—鍋爐煤不完全燃燒效率,%。

2.5 設(shè)計基本參數(shù)

(1)冷卻鏈蓖機空心托輥軸用水量M=80～120 m3/h,新水冷卻前溫度為8～12 ℃,冷卻軸后出水溫度57～67 ℃,新水冷卻了鏈蓖機空心托輥軸,水溫上升了52 ℃左右;

(2)把100 m3循環(huán)水從10 ℃加熱到62 ℃,需要熱量5 200 000 kcal(備注:計算方法1×100×1 000×(62-10)大卡=5 200 000 kcal),因此冷卻軸后余熱利用節(jié)省能量為742.9 kg 標(biāo)煤/h(備注:計算方法1×100×1 000×(62-10﹚÷7 000=742.9 kg 標(biāo)煤/h),每小時節(jié)省煤量0.742 9 t/h;每年可節(jié)省煤6 038.9 t(備注:計算方法0.742 9 t/h×365 d×24 h/d× 92.8% (鏈篦機平均作業(yè)率92.8%)=6 038.9 t;1 kg 標(biāo)煤發(fā)熱=7 000 大卡熱量=7 000 kcal,1 cal=4.18 焦耳﹚。

(3)冬季室外溫度-5～-13 ℃;

(4)蒸汽壓力0.4 MPa,蒸汽溫度142 ℃,取暖后回水溫度為8～12 ℃(平均為10 ℃);

(5)工房、辦公區(qū)設(shè)計取暖溫度為18 ℃,廠房為10 ℃;

2.6 鍋爐房原設(shè)備現(xiàn)狀

(1)鍋爐房原安裝SHX35-1.6-M10 臥式快裝蒸汽鍋爐1 臺、DZL4T/H 臥式快裝蒸汽鍋爐1 臺,因無環(huán)保配套設(shè)備,造成燃煤鍋爐嚴(yán)重污染環(huán)境,已停止運行。

(2)鍋爐房原安裝35 t/h,Na+鈉離子軟水交換器1 臺,20 t/h Na+鈉離子軟水交換器1 臺,現(xiàn)已改造應(yīng)用軟化冷卻鏈篦機空心托輥軸及水冷梁的循環(huán)水。

2.7 鏈篦機冷卻后高溫回水余熱應(yīng)用內(nèi)容

(1)新水由鍋爐房經(jīng)過Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)軟化后,提供給冷卻鏈篦機空心托輥軸及水冷梁合格的軟化水,經(jīng)離心水泵送至鏈篦機冷卻儲水池。

(2)冬天崗位取暖,在鏈篦機尾部設(shè)置水箱,收集冷卻鏈篦機后兩側(cè)回水,溫度為57～67 ℃,經(jīng)φ219×6 管自流到鍋爐房回水池,先經(jīng)Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)軟化后,再經(jīng)循環(huán)泵送至電鍋爐和熱交換器加熱,當(dāng)循環(huán)水加熱到溫度85～95 ℃后再送至各崗位取暖。熱水經(jīng)取暖變涼后,溫度為8～12℃,再回收用來冷卻鏈篦機空心托輥軸及水冷梁,如此循環(huán)往復(fù)。

2.8 工業(yè)鍋爐房新增設(shè)備

(1)電(加熱)鍋爐1 臺,型號LEHMAN300-0.7/0.7-2.55,加熱水流量Q為83.76 t/h,換熱量Q為2.76 MW,加熱冷卻鏈篦機的循環(huán)水;(2)循環(huán)泵2 臺(一用一備),型號KOL125/185-30/2,泵水流量Q為150 m3/h,揚程H為44 m,驅(qū)動功率N為30 kW;(3)軟化水泵1 臺,型號IS100-65-200,流量Q為89 m3/h,揚程H為39 m,驅(qū)動功率N為18.5 kW;(4)電交換器1 臺,壓力補償器1 臺,Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)1 套。

3 改進后效益

3.1 企業(yè)效益

應(yīng)用冷卻鏈篦機空心托輥軸后高溫回水來進行預(yù)熱給員工取暖,改進后供熱面積增加3 000 m2,即發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,又節(jié)能降耗。球團廠各作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、車間廠房,由原燃煤鍋爐蒸汽取暖改為冷卻鏈篦機后高溫回水余熱再用電鍋爐加熱取暖,改進后系統(tǒng)投入使用以來,運行正常,降本增效明顯。

3.2 節(jié)煤量計算

(1)冷卻鏈篦機空心托輥耗軸水量Q為100 m3/h,冷卻軸后循環(huán)水溫度為57～67 ℃;

(2)把流量Q為100 m3/h 新水溫度從8～12 ℃加熱到取暖85～95 ℃,計算耗煤量:

把100 m3/h 新水由8～12 ℃(平均為10 ℃)加熱至85～95 ℃(平均為90 ℃),需要標(biāo)煤L1=100×1 000×(90-10﹚÷7 000=1 143 kg/h=1.143 t/h(備注:1 kg 標(biāo)煤發(fā)熱量為7 000 kcal,1 cal=4.18 焦耳﹚;

(3)把流量Q為100 m3/h 回水溫度從57～67℃加熱到取暖85～95 ℃,計算耗煤量:

把100 m3/h 回水溫度從57～67 ℃(平均為62℃)加熱至取暖85～95 ℃(平均為90 ℃),需要標(biāo)煤L2=100×1 000 ×(90-62﹚÷7 000=400 kg/h=0.400 t/h。

(4)回水代替新水取暖每小時節(jié)煤量:

用冷卻鏈篦機回水溫度從57～67 ℃(平均為62 ℃),代替新水8～12 ℃(平均為10 ℃),加熱到取暖溫度85～95 ℃(平均為90 ℃),每小時節(jié)煤量:J=L1-L2=1.143-0.400=0.743 t/h;

(5)每年取暖期節(jié)煤量:0.743 t/h×24 h/d×180 d(每年采暖期180 d/a)=3 209.8 t。

3.3 效益計算

(1)工程總投資:100 萬元;(2)一個取暖期耗資:900 元∕t×3 209.8t÷10 000=288.9 萬元,標(biāo)煤平均價格為900 元/t;(3)投資回收期:100 萬元÷288.9 萬元=0.346。

4 結(jié)語

本文敘述了冷卻鏈篦機空心托輥軸后高溫回水余熱循環(huán)利用與研究,解決了原來燃煤鍋爐蒸汽取暖,造成能耗高、勞動強度大、環(huán)保不達標(biāo)、空心托輥軸結(jié)垢嚴(yán)重等問題,實現(xiàn)了冷卻鏈篦機回水的壓力、流量、溫度等各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)達標(biāo),充分應(yīng)用了冷卻鏈篦機后高溫回水的余熱,每年降低取暖成本288.9 萬元,節(jié)煤3 209.8 t/a,并且消除了空心軸和水冷梁結(jié)垢嚴(yán)重、冷卻效果差等安全隱患,為企業(yè)實現(xiàn)了降本增效、綠色生產(chǎn)目標(biāo)。