电炉余热发电烟道冷却系统改造

[摘 要]介绍了电炉余热发电旁路烟道改造前后的系统方案，通过对改造前后烟道冷却系统的冷却能力、烟气温度的对比和分析，说明电炉烟道冷却系统改造的可行性。

[关键词]电炉烟道 汽化冷却 喷雾冷却 电炉烟气

中图分类号：X757 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0110-02

目前，电炉余热发电在国内多家钢厂已经设计建设。而电炉的烟道冷却系统改造是电炉余热发电中非常重要的一部分。电炉余热发电项目建成后，正常发电时，烟气经汽化冷却烟道、余热锅炉，烟温降至150℃左右直接进入机力风冷机后一次烟道。项目改造后余热锅炉未投运前以及发电系统发生故障时，则烟气不再经余热锅炉，而改道经汽化冷却烟道、旁路烟道进入机力风冷机前一次烟道。因此，旁路烟道的改造及冷却能力对整个电炉炼钢系统的安全至关重要。

1、烟道改造前后冷却能力对比

图1.1和图1.2分别为某钢厂改造前后1#电炉的烟道。可以看出，改造前后烟道的走向和长度基本一致，只是为了余热发电的需求，把原来的水冷烟道用汽化冷却烟道和旁路烟道（即图中的喷雾冷却塔）代替。

当烟气走旁路时，汽化冷却烟道产生的蒸汽进入大气压式冷凝器冷凝成水回收使用。汽化冷却烟道运行压力为0.1MPa、运行温度100℃ 。当烟气走旁路时，喷雾冷却塔即启动第一组喷咀向喷雾冷却塔内表面喷水雾，以保持喷雾冷却塔内表面温度不超过100℃。大致上可以认为，改造后的烟道内表面的温度为100℃，这比改造前水冷烟道内表面温度提高了约60℃。这对烟气散热是不利的，因为它减少了烟气和烟道壁面间的散热温差。当然随着烟气温度升高，这种不利因素的影响变小。改造后的烟道截面尺寸加大，从而增大了烟气的散热面积，这对烟气散热又是有利的。综上所述，我们把改造前后烟道的相关参数列成下表，如表1.1所示

可以看出，汽化冷却烟道加上喷雾冷却塔的总散热面积比改造前水冷烟道增大约27%。当烟气温度为800℃时，由于壁面温度升高60℃而造成的传热温差降低只有约8%，此时改造后烟道总散热能力将增大约15%。而当烟气温度为200℃时，由于壁面温度升高60℃而造成的传热温差将降低38%，此时改造后的烟道散热能力将降低20%。这充分说明改造后机力风冷机前的烟温变化将更平缓一些。当然，上面的分析只是定性的、粗略的，下面我们将考虑多方面因素的进行详细计算。

2、改造前后烟气温度对比计算结果

通过在线测量仪测量两段完整的电炉炼钢期间烟气温度，得到温度曲线。通过对汽化冷却烟道、水冷烟道及喷雾冷却系统的计算，计算管道与烟气的换热量、金属壁温，以及烟气的温度降，从而对改造后的机力风冷器进口温度曲线进行对比。

下面简单介绍汽化冷却烟道及水冷烟道降温的计算过程：

①灰污热阻查换热器设计手册。

②烟气侧对流换热采用外略平板的模型计算，根据以及，计算平均换热系数。

③金属导热热阻，根据计算。

④空气侧自然对流换热，根据格拉晓夫数以及努塞尔数计算换热系数。

⑤将上述各热阻相加，计算得总热阻以及总换热系数，根据ф=kF△t计算换热量，并计算管壁温度，烟气的温度降。

通过上述计算，得到改造前后沉降室、机力风冷机进口温度计算曲线如图2.1（1#炉）所示，图中均有四条曲线，简要介绍如下：

1. 沉降室出口温度为实际测量值，温度范围为100～900℃。

2. 水冷烟道出口温度（单壁管道改造前后不改动，散热忽略不计，近似认为机力风冷机进口温度）为理论计算值（与实测值基本吻合）。在温度较低时，由于温差小，对流换热为主，降温幅度较小。在温度较高是，温差大，同时伴有辐射换热，降温幅度明显增大，烟气温度最大可降低250℃左右。

3. 汽化冷却烟道出口温度的计算方法与水冷烟道类似。

4. 喷雾冷却塔出口温度为烟气经过汽化冷却烟道和喷雾冷却后温度，是理论计算值。低温段，采用汽化冷却烟道，基本可以将烟气冷却到450℃以下，喷雾未投运，该曲线与汽化冷却烟道出口曲线重合。高温段，烟气在450℃～650℃之间，需启动喷雾冷却系统，降低到450℃左右。喷雾冷却所占比例很小，开启的时间也很短，仅仅作为超温的保护措施。

从图上可以看出，水冷烟道与汽化冷却烟道的冷却能力差别不大；低温段（喷雾冷却系统未投运），汽化冷却烟道出口温度比水冷烟道出口温度稍高；高温段，烟气经过汽化冷却烟道以及喷雾冷却系统冷却后，进入机力风冷机的温度比改造前低。

由以上叙述可知，改造后，机力风冷机之前旁路烟道走向和长度基本不变，直径增大，散热面积增大，烟气停留时间变长，散热能力增强。在一个炼钢周期中，低温段降温能力减弱，高温段降温能力增强，相对于改造前，机力风冷机进口温度范围变小，变化趋于缓和，更有利于设备安全经济运行。

3、正常发电系统操作

余热电站正常运行时，烟气经过汽化冷却烟道、余热锅炉，直接进入机力风冷机后的一次烟道，与二次风混合进入布袋除尘器。汽化冷却烟道与余热锅炉操作由电站运营部门负责。一二次风阀以及布袋除尘器操作不变，根据炼钢过程中不同阶段改变一二次烟气阀门开度进行正常调节，由钢厂负责运行。

4、旁路烟道系统操作

电站未投运前或发电系统发生故障，旁路烟道需独立运行，则烟气不再经余热锅炉，而改道经汽化冷却烟道、喷雾冷却塔进入机力风冷机，与二次风混合进入布袋除尘器。汽化冷却烟道运行以及喷雾水量控制由电站运营部门负责。机力风冷机、一二次风阀以及布袋除尘器操作不变，根据炼钢过程中不同阶段，改变机力风冷机冷却能力与一二次烟气阀门开度，来保证布袋除尘器进口温度在规定范围内，此操作由钢厂负责。

5、结论

项目建设后，在锅炉未投产前，旁路烟道需要独立运行，恰逢刚厂调整炼钢工艺，含碳量增加，烟气出口温度明显升高，沉降室出口瞬时高温最高达到1400℃左右，通过旁路烟道后实施冷却降温后，布袋除尘器进口温度未超温，未发生烧布袋的情形。实践证明，旁路烟道的设计、控制机冷却能力完全能够满足要求，电炉炼钢冷却系统的有机保障，值得在电炉余热发电行业进行推广应用。