钛渣炉烟气余热循环利用装置设计

钛渣炉烟气余热循环利用装置设计

李东文 ,吴青山,杨树明

 (西安工商学院 信息与工程学院  710032)

摘 要随着对节能减排的需求越来越突出,"十二五"期间对余热再利用行业支持的力度增大,其市场前景也将越来越广泛。钛渣炉的高温烟尘中一般富含腐蚀性气体、飞灰等污染物,如直接排放,不但污染了环境,而且很容易导致能源的损失。本论文主要提出了钛渣炉高温烟气余热的回收方案,从技术角度提出烟气余热回收装置的设计及热交换器需要考虑的问题,设计了U形管式换热器装置。

关键词余热利用；高温烟气；换热器

1 引言

日本、欧盟、美国等工业国家均重视对企业烟气余热的循环使用,都将循环装置的开发、制造与推广应用工作置于优先的地位,这正是烟气余热技术快速开发与应用的动因。

国内余热利用技术虽然进展得很快,但同国外先进的余热利用技术相比还是存在着相当的差距,其主要原因大致在于以下方面。

(1)生产工艺产生的余热无法有效地足量地利用,资源效能低下。

(2)对己经利用的热能,无法进行合理的使用。因为气温的降低,以及季节性供暖不均匀和热量供给不平衡,导致利用的蒸汽、热风和热水等能源部分放散,能源使用率逐渐降低。

(3)余热循环处理的技术研究落后,回收的热量较低或者不平衡,不能适应热用户的需要,造成大量热量损失。

(4)一些产生余热资源的企业规模较小,技术装备发展滞后,生产能力低下,再加上对余热设施投入较高,严重影响了企业余热回收使用的积极性。

随着我国对高耗能企业的节能减排要求更加严格,钛渣行业正淘汰装机容量较小的钛渣炉,形势已经非常严峻。这对于很多装机容量小的钛渣炉企业的持续生存带来很大危机。目前国内钛渣炉行业大部分企业生产,都是采用直接将烟气净化后排出,有的企业甚至对没有完全净化的烟气直接排入大气。没有将废烟气加以综合利用,这样不仅造成热量损失严重,而且对环境的污染非常严重。因此很有必要开发烟气余热利用系统,对钛渣炉生产过程中产生的高温烟气加以利用。若能二次利用从钛渣炉排出的800—130000C的高温烟气,则一方面能够降低冶金公司对高温烟尘的降温处理设备费用和消耗的能量,另一方面也能够充分利用高温烟尘的热能对原料进行加热处理,提高原料的温度,从而减少冶炼时所需的电能。

2烟气成分及温度

高钛渣是含有TiO2数量更多的一类富钛料,同时也是制造钛白、海绵钛和电焊丝等的原材料。目前全球高钛渣的设计年产能约为250吨以下。但随着中国钛白粉产业和海羊钛产业的蓬勃发展,为了减少高钛渣的成本,环保、减少能耗、使用大容量的密封电炉熔炼高钛渣已势在必行。不过目前在中国还不能使用密封电炉熔炼高钛渣。封闭电炉熔炼钛渣要解决的关键技术问题是：怎样使冶炼运行顺利、炉况好、生产指标好。因此开展了封闭电炉熔炼钛渣的探索性工业实验。

钛精矿是一种复合型的固溶体,还原工艺是繁杂的物理步骤,所发生的重要化学反应包括:

(1)FeO Ti02+C=Fe+Ti02+CO (温度为6800C时开始反应)

(2)3FeO Ti02+4C=3Fe+Ti3O5+4CO (温度为8090C时开始反应)

(3)2FeO Ti02+3C=2Fe+Ti203+3CO (温度为8580C时开始反应)

(4)FeO Ti02+2C=Fe+TiO+2CO (温度为11130C时开始反应)

由以上反应式,可得到将钛铁矿的浓缩物用碳质还原剂在电炉内经过高热还原熔炼,铁的氧化物被选择性还原成各种金属铁钛氧化物,富集于渣炉内生成铁钛渣的方法,是主要富钛料制备途径之一,可制钛渣的Ti02大于百分之七十五,并且含有少量铁、铝、镁、硅、锰和钒的金属氧化物等有害元素,炉气温度可以达到10000C左右,高温烟气完全可以进行余热利用后再排放。

3余热循环利用方案设计

换热器种类较多,一般按照其操作方式可分为:直接接触式换热器、储能式换热器和间壁式换热器三大部分,间壁式换热器又可分为列管型和板壳式换热器二种类型,而列管型换热器又因其高的安全性和广泛的适应性,在漫长的操作过程中累积了大量宝贵的经验知识。因此,根据本次设计的是高温烟气与水的热交换的基础上,采用间壁式的列管式换热器比较合适。

列管式换热器共有四种以下的结构类型。

(1)固定管板式换热器:该种构造简便、紧凑、费用低廉,每根换热管均可分别清理和替换,在构造规格基本相同的条件下,与浮头式和U字形管式换热器比较,换热体积较大。固化管板式换热器的处理较麻烦,应对地热扩展能力差,选择了固化管板式换热器适合于对流换热介质较洁净,水压不高,对流换热介质温度变化不大的工作场所。

(2)浮头式换热器:因为管束的热膨胀力不受壳体的限制,再加上可拆解抽取管束,检修更换换真空管、清洗管束污垢较简单,所以,浮头式换热器使用得最普遍。

(3)U形管型换热器:是管壳型换热器的一种,它主要由管板、壳、管束等零件所构成。在相同口径情况下,U形管换热器的换热体积较大

;其构造简洁、紧凑、密封性能较高,保养容易、清洁简单、在高温、高压情况下,金属损耗最少、费用最低;而U形管换热器也只是一个管板,温补偿特性好、承压能力较强,更适合于在高温、高压的工况下运行。

(4)填料函型换热器:这种换热器二管板中的一块与法兰体采用螺钉紧固相连,另一块则类似于浮头,与壳体间隙部分则采用填料封闭,可作少量的移动。该装置的主要优点是构造比较简洁,且设计、制作、保养、清洗比较简单,但在填料封口时容易产生漏气。而填料函型换热器则适合于在压强和水温都很高、而非可燃、也不易挥发的介质中。

根据以上间壁式换热器的四种不同的结构比较,决定采用间壁式的U形管式换热器作为本次余热利用装置的热交换器。

4余热循环利用装置结构设计及换热计算

U形管式换热器结构如图1所示，U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。管程采用双管程，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗。

1 出水口，2 烟气出口，3 U形水管，4 换热器外壳，5 进水口，6 烟气进口

图1 U形换热管换热器

换热器经常与腐蚀性介质接触，为了保护金属部受腐蚀，选择耐腐蚀的金属或非金属材料。本换热器主要部件材料选择如表1.

表1 换热器主要部件材料选择

本项目烟气参数如下：

高温烟气的进口温度 ≈1100℃

高温烟气的出口温度 ≈400℃

高温烟气的工作压力 ≈0.8Mpa

进水口水温 ≈25ºC

出水口水温要求 ≈65ºC

水压 ≈0.5 MPa 

水流量 ≈120/h

在U形管换热系统中高温烟气通过辐射、对流的换热方式，将热量传给管壁，而管壁经传导、对流的热交换方式将热量传给冷却水管内的水，其换热量Q按下式计算:

                                           (1)

式中: — U形水冷管传热系数，单位为

— U形水冷管传热面积，单位为

在U形水冷管中：                               (2)

（其中：—密排U形水管外径 单位，—围壁所用管子数量，—换热器长度，单位）

换热面积可以近似为：                         (3)

（其中：—U形管围成的内径， 单位，—换热装置长度，单位）

—对数平均温差，单位为

                                 (4)

（其中：—烟道进口处管内外流体温差，单位，—烟道出口处管内外流体温差，单位）

在25000KVA钛渣炉中，U形管水冷烟道直径为1.5米，进口热量58X106,出口热量30X106,传热系数48，烟气进口温度1100，出口温度400，冷却水进口温度25，出口温度65。将以上参数代入公式计算。

       根据公式（4）得：

      将计算出的数据和已知条件带入公式（1）中

      将以上值带入公式（3）得所需烟道长度

         ，故需要将烟气从1100冷却到400，需要40.7米U形换热器。

设密排管的直径为，则烟道需要78根管子进行密排，即，将前面计算得得数值和以上数据带入公式（2）中，得

  ，故需要将烟气从1100冷却到400，需要22.6米密排管式烟道。

冷却水量可用如下计算公式进行计算：

式中 —烟气换热量，

      —水的比热，

       —水的出口温度，

       —水的进口温度，

=166.7X103=166.7/h

通过以上计算，可知冷却水量达到166.7/h，大于要求的120/h水量，满足预热水量的要求。

5余热循环利用装置使用效果及前景

经理论计算及现场验证,一台钛渣炉的高温烟气每小时能将166立方的常温冷水通过热交换,将水温升到650C,可以作为洗漱、暖气等生活用水。既将高温烟气进行了冷却又将冷水温度提高到一定温度,供人们使用,节约了大量的能源。高温烟气除了能对水进行预热外,还能对炉料、矿石等预热,预热方式一般采用热交换方式。

目前余热再利用技术在实际运用中还具有比较大的困难,其主要因素是:锅炉的烟气温度过低时,如果采用传统的换热器,处于尾部的受热面就会出现工质和烟气之间传热温差变小的现象,这就需要布置更多的管路,使得烟气流阻、能源消耗、动力消耗、初期投资变大等。随着预热利用技术的更加成熟,人们对预热的利用更加充分和合理。