HNG系列热管散热器是北京首钢设计院和我公司共同开发的高新技术产品。其主要用于高炉荒煤气干法除尘工艺的荒煤气降温。可将荒煤气温度由350℃降到200℃,保证布袋除尘器的许用温度。是钢铁企业余热回收及相变调温的可靠产品。
热管降温器在高炉布袋除尘系统中的应用研究
天津华能集团能源设备有限公司 (301900)
摘要:本文介绍在炼铁高炉荒煤气布袋除尘系统中,降低荒煤气温度来满足布袋除尘器的许用温度的一项技术。该技术采用热管做传热元件,并用水做降温介质,利用水的相变吸收荒煤气的热量。
关键词:热管散热器 高炉煤气 相变降温
1.前言
高炉煤气除尘净化在炼铁生产中有重要的作用,每吨生铁产出煤气约1600--2000 m3,是钢铁厂重要的二次能源。因为含尘量高必须净化,使含尘6-12g/m3除尘到10mg/m3以下才能使用。目前炼铁高炉的煤气除尘工艺分为干式和湿式两大类。高炉煤气的干法与湿法相比,不仅能合理利用煤气显热,提高煤气热效率,增加TRT发电量,而且系统基本不用水、电、从根本上解决了二次水污染及污泥处理问题。因而在国内500 m3以下高炉大多应用干法除尘工艺,自从2004年首秦1号(1200 m3)高炉干法除尘工艺成功运行后,我国大高炉开始采用该技术。
高炉干法除尘采用布袋除尘技术,分为反吹风布袋除尘和低压脉冲布袋除尘两种工艺。这两种工艺国内都有应用事例。但两种干法除尘工艺均需煤气降温。高炉正常工作时煤气进入布袋前温度150—220℃,这一温度满足布袋许用温度(布袋许用工作温度小于220℃),当高炉操作不正常时,煤气进入布袋前温度达300℃左右,特别在高炉故障时,瞬时温度高达550℃左右,远远超出了布袋所能承受的温度,造成布袋烧损,严重影响布袋除尘器的可靠运行。因此,高炉布除尘煤气降温问题亟待解决。本文通过首秦2号高炉(2000 m3)干法除尘项目的实例,介绍一种新型降温装置,它成功解决干法除尘中的煤气降温技术问题。
2.首秦2号高炉(2000 m3)布袋除尘技术
2.1干法除尘范围
干法除尘的范围是从重力除尘器出口到净煤气管网入口,包括:干法除尘工艺设备、土建结构、电气自动化检测控制等。
2.2工艺流程
来自重力除尘器的荒煤气(含尘6-10g/m3)经过总管进入多箱体低压脉冲布袋除尘过滤净化,净煤气含尘量约5 mg/m3(经实测含尘量为1-2 mg/m3),经箱体支管汇入净煤气主管输出。管网按干式煤气设计,进入高炉煤气柜前设喷水降温。
箱体列式布置,共设14个箱体,生产时可全部投入或部分使用,以完成高炉煤气全部净化。滤布积灰定时由脉冲阀启动高压气体向滤袋内喷射,使滤袋急遽膨胀、抖动而掉落。灰斗中的干灰每天定时排放,采用气力排灰输送方法各箱体的灰输送至一个大灰仓储存,每天集中由罐车装车运出。(见工艺流程图)
2.3工艺条件
(1) 高 炉 容 积:2000m3
(2) 煤 气 发 生量:400000Nm3/h
(3) 煤 气 压 力:0.2—0.25MPa
(4) 布袋入口煤气温度:120—220℃
(5) 荒 煤气 含尘 量:8—12g/m3
(6) 净 煤气 含尘 量:5mg/m3
3.3降温系统
布袋除尘器工作温度要求120—220℃,瞬时允许到260℃。因此温度调节和控制十分重要。本设计在布袋除尘入口前荒煤气主管道上并联一套热管降温器。正常生产时煤气温度在规定范围内,可以直接进入布袋,当高炉生产出现温度过高时,煤气经过换热降温使布袋入口煤气温度降至200℃左右。
4.热管降温器的工作原理
热管降温器是一种气――液换热装置,它主要通过传热元件——热管将荒煤气热量传递给软水,软水由液态相变为气态,带走荒煤气的热量,从而保证进入布袋室的荒煤气控制在一定的温度范围内。
正常情况下(来自重力除尘器的高炉煤气温度低于220℃),热管降温器的各种阀门处于关闭状态,来自重力除尘的高炉煤气直接进入布袋除尘器;当通过重力除尘器后荒煤气温度大于220℃的时候,程序会自动把换热器管道上的蝶阀打开,高温煤气通过热管散热器,将煤气温度降至200℃左右,然后进入布袋除尘器进行除尘。
5.热管降温器的结构
热管降温器由热管散热器、汽包、上升管、下降管等组成。热管散热器是相变式热管降温装置的主要设备,它为直立圆筒结构,由外筒体、内筒体和热管三部分构成(首秦2号高炉两台并联)。热管径向斜置焊接在热管散热器的内筒体壁上,插入内筒体的是光管,内筒体外侧热管段镍基钎焊有纵翅片。工作时荒煤气走热管散热器外筒体与内筒体之间的夹套,软水走热管散热器内筒体里面,并和汽包自然循环,产生饱和蒸汽排向大气。
6.技术要点
6.2.1 换热效果说明
本设备采用热管散热器应用热管作传热元件具有极高的传热性能;气——液换热,一侧是具有一定流速的荒煤气另一侧是软水相变为蒸汽,换热时对流换热系数为40—60W/m2.℃。260—300℃的高炉煤气经过热管散热器,温度降至200 ℃左右。同时产生0.2MPa的饱和蒸汽,排向大气。
6.2.2 应急降温效果
正常情况下,热管散热器的各种阀门处于关闭状态,来自重力除尘的高炉煤气直接进入布袋除尘器,热管降温器不工作,处于冷态。当通过重力除尘器后荒煤气温度大于220℃的时候,程序会自动把换热器管道上的蝶阀打开,高温煤气通过热管散热器。这时高温煤气与冷态设备内的低温水进行换热。换热温差大,瞬时可将550℃的煤气降至200℃左右,实现应急降温,保证布袋除尘器稳定运行。
6.2.3 设备运行及使用寿命分析
应用于该工段的换热设备在设计上需考虑三个方面的问题。一是设备冲刷问题;二是热应力造成设备损坏问题;三是积灰问题。
热管降温器(外筒体、内筒体两台并联)工作时荒煤气走热外筒体与内筒体之间的夹套,煤气通过热管降温器流速为8m/s,流速较低;煤气侧热管镍基钎焊有纵翅片,镍基合金厚度≥0.05mm,硬度HRC≥56。因此合理的解决煤气对设备的冲刷问题。
热管散热器的热管单支点焊接在内筒体壁上,其热涨冷缩变形不受约束,避免了应力破坏;外筒体与内件也没有约束点。因此热管降温器不存在热应力造成设备损坏问题。
热管具有单管作业性能,有一根热管(即使部分热管)损坏不会造成换热的煤气和水混淆,对换热的影响也不大。因此可保证设备长周期稳定运行。
7.运行费用及占地
热管降温器利用水的汽化相变吸收煤气的热量(水的汽化潜热2499KJ/Kg),运行时只需消耗少量软水。首秦2号高炉(2000m2)配套的热管降温器工作时每小时只消耗14吨的软水。没有其他消耗。
热管降温器换热效果好、体积非常小,占地也非常少。首秦2号高炉(2000m2)配套的设备占地36m2。
8.与列管式降温器的比较
列管式降温器结构是上下管板固定列管管束,煤气走列管内,靠风冷和喷水降温。其设备存在以下技术不足:
(1) 管板固定管束,存在严重的热应力造成设备损坏问题。
(2) 煤气与低温的空气或低温的水换热,管内煤气达到露点。不可避免的造成管内积灰。
(3) 管外喷水降温存在两个问题:一是水喷在管壁上很容易形成水垢;二是北方冬季冰冻问题无法解决。
热管式降温器与列管式降温器的比较表
名 称
应力损失
积 灰
换热效果
应急降温
运行费用
使用问题
体积
热管式
无
轻
好
较强
低
无
小
列管式
有
严 重
一般
一般
高
水垢、冰冻
庞大
9.实际运行数据
见微机运行参数照片
10.结论
热管降温器已在首秦1号高炉(1200 m2)、2号高炉(2000 m2)等干法除尘系统中应用, 降温效果良好, 没有发生布袋因高温烧损而引起高炉荒煤气放散的现象, 提高了干法布袋除尘器的可靠性。
典型用户
首钢集团秦皇岛钢铁公司
济南钢铁股份有限公司
秦皇岛首秦公司
河北首钢迁安钢铁有限公司
太原钢铁有限公司
首钢京唐联合钢铁有限公司
