81MVA密闭式电石炉水冷烟道设计与换热计算

81MVA密闭式电石炉水冷烟道设计与换热计算

阮祥志

中冶南方工程技术有限公司湖北省武汉市430223

摘要：本文以某工程81MVA密闭式电石炉炉气参数为依据，对输送高温炉气的水冷烟道进行了结构设计和分析，并给出了冷却水系统设计方案，最后通过对水冷烟道的传热方法和机理进行分析和研究，对水冷烟道每个回路的换热过程进行了编程计算，最终得出该水冷烟道每段及每一回路所需的冷却水量，为工程设计和实施提供了理论依据和指导意见。

Designandheattransfercalculationofwatercooledfluein81MVAclosedcalciumcarbidefurnace

RuanXiang-zhi

（WISDRIEngineeringandResearchIncorporationLimited）

Abstract：Inthispaper，basedonthegasparametersofa81MVAclosedtypeelectricstonefurnace，thestructuredesignandanalysisofthewatercooledfluefortransportinghightemperaturefurnacegasarecarriedout，andthedesignschemeofthecoolingwatersystemisgiven.Finally，theheattransfermethodandmechanismofthewatercooledflueareanalyzedandstudied，andtheheattransferineachloopofthewatercooledflueisoverheated.Theprogramisprogrammedandcalculated.Thewatercoolingwaterrequiredforeachsectionandeachloopofthewatercooledflueisfinallyobtained，whichprovidesatheoreticalbasisandguidanceforthedesignandimplementationoftheproject.

1.前言

电石工业作为氯碱行业的上游产业，在经济社会不断发展的当下，市场需求量逐年增大。我国电石生产装置基本上是三相连续式圆型电炉，但多数为中、小型半密闭和开放式电石炉，炉气中大量CO和高温余热都不能得到有效的回收利用，造成资源的浪费[1]。而国家对环保标准的提高和行业发展的要求，使越来越多的密闭式电石炉投入生产运行[2-3]。2014年国家对新建电石生产装置炉气余热处理方式设置了准入规定[4]：电石炉炉气必须100%回收和综合利用，鼓励用于生产高附加值的化工产品；技术成熟的情况下，新建和改扩建电石生产装置必须对显热和余热进行回收利用。

在密闭电石炉生产过程中副产大量的炉气，炉气温度正常工况约600~800℃，极端工况约1100℃，且烟气中粉尘含量较高，普通的钢材无法直接输送。所以考虑采用水冷烟道将电石生产时炉内产生的炉气经济安全的导入后续余热回收系统。

本文主要探讨适用于电石炉炉气的水冷烟道结构设计以及换热计算和分析。

2烟气参数

本文所采研究81MVA电石炉炉气参数如下：

额定烟尘流量：30000Nm3/h；

烟尘进口温度：600℃~800℃；

极端工况温度：1100℃；

烟尘出口温度：~500℃；

烟尘含尘浓度：~8g/m3；

冷却水供水温度：32℃；

冷却水回水温度（正常工况）：42℃；

电石炉尾气的主要特征：因电石生产间歇出炉、检修、停电等因素，所以尾气量波动而不平稳；温度波动不稳定，当电石炉出现喷、蹋料时，瞬间最高时可达1100℃以上；尾气含有微量焦油，具有粘、轻、细不易捕集的特点[5]。

3水冷烟道结构设计

一般密排管结构的水冷烟道主要用于烟气温度较高（一般达到1200℃以上）且需要承压的场合，对于温度较低的矿热炉（一般不超过800℃）一般考虑使用成本较低的套管结构水冷烟道。

水冷烟道出口通过焊接与余热利用系统连接，进口与电石炉炉气出口相接，连接方式为滑套密封连接形式，电石炉烟气出口设有可拆卸式的密封接口，隔热方式为耐材隔热。详细结构如下图所示。

图3.1烟道与炉口密封结构图

水冷烟道结构特点：

（1）为了方便水冷烟道的运输和吊装，本烟道共分为三段。并在各段上设置膨胀节和支吊架。

（2）烟道通过一段垂直段与炉口相接，并尽量减小水冷烟道占用炉体正上方的空间，垂直段尽可能的短，但同时需考虑该段水冷烟道的布置和支吊架的布置空间。

（3）整个烟道的分段不仅需要考虑烟道的支吊架分布和吊装等问题，还需要充分考虑水流分配问题，使得整个烟道的冷却负荷比较均匀且不存在冷却死角，提高水冷烟道的安全性和适用寿命。

4水冷烟道系统设计

水冷烟道冷却系统采用软水闭式循环系统，循环冷却系统采用强制循环。靠近炉口的两段烟道存在接收极端工况高温敷设的可能，考虑设置双回路冷却系统；第三段离炉口较远，出现极端高温时，前两段能通过辐射换热快速的将炉气温度降至正常水平，所以考虑设置单回路冷却系统。

根据上述烟道分段要求，该水冷烟道的冷却水系统共分为14个冷却子回路各子回路的冷却水进、出水管道分别汇总至冷却水供、回水总管。

5水冷烟道传热计算

该水冷烟道内的烟气温度为600~800℃，且水冷烟道内壁温度较低且为光滑壁面，所以烟道传热以辐射为主，对流所占比例很小，一般≤5%。

根据本烟道为轴对称的圆柱形，其传热计算按照二维模型即可，传热计算的过程主要利用了能量守恒的原理，即烟气在每一段烟道内释放的热量等于该段烟道冷却水带走的热量。

（1）水冷烟道换热量计算

套管式水冷烟道是由圆形钢管构成的烟道内胆以及由钢板焊制的密集排列于圆形钢管外壁的水冷通道组成，各通道之间采用连续焊接而成，烟道内胆公称直径DN1000，详见下图。

图4.1水冷烟道截面图

6小结

本文以81MVA电石炉炉气为研究对象，对配套的水冷烟道进行了结构设计和水系统设计，在给定的烟道布置和分段情况下对水冷烟道的换热机理和传热方法进行了分析，并给出了换热计算计算过程。最后，通过编程计算，得出了该水冷烟道各冷却回路所需的冷却水量，为工程设计和施工提供了理论依据。

参考文献：

[1]国强，邱淑玲．电石炉烟气回收利用的技术方案[J]．聚氯乙烯，2005（9）：42-44．

[2]熊谟远，岳洪亮．电石生产加工与产品开发利用及污.染防治整改新技术新工艺实用手册[M]．北京：化学工业出版社，2005．

[3]徐彦龙．浅析降低电石生产能耗的影响因素[J]．煤化工，2000，28（3）：41—44．

[4]中国国家标准化管理委员会．电石行业准入条件（2104年修订）[Z]．2014—02—11．

[5]胡宋娇．内蒙古伊东东兴化工电石炉气后处理[J]．《建筑工程技术与设计》．2015（18）.