铁合金矿热炉集烟罩辐射换热技术的应用作 者：刘 星［择要］冶金行业属于高耗能企业，随着生产工艺的改进和节能技术的开发, 冶金矿热炉传统的余热回收利用技术没有真正实现完全达到节能利用的效果。实践证明,在冶金矿热炉生产中固体产生大量的显热，除了传统的对流换热技术进行对于热量回收利用外，还可以利用辐射换热技术对于集烟罩内显热进行利用，两者可以同是时进行，辐射换热技术利用可以提高冶金矿热电炉整体余热利用。可广泛推广及其应用。关键词：集烟罩 辐射换热器 设计 施工1、引言辐射换热技术应用效果往往是依赖和决定于冶金矿热炉集烟罩的密封和烟罩内部产生的显热，因结构形式、安装、设计及布置等等都会影响辐射热效率，影响矿热炉集烟罩内部显热产生的因素有原材料、矿热电炉冶炼技术工艺及电炉生产负荷功率大小等等。集烟罩是靠水冷壁的作用进行冷却，降低烟罩表面温度，保护烟罩周围设备及舒适的工作环境。它的制造工艺简单，使用寿命短，更换频繁，矿热炉集烟罩辐射换热技术应用后，辐射换热器完全可以代替原有的集烟罩水冷壁，辐射换热器的制造工艺按照压力容器标准执行，所以与集烟罩水冷壁相比使用寿命不长，安全可靠，平时维护成本底，从企业长远发展方向来看经济合理。2、辐射换热技术的特点及使用范围2.1、辐射换热器特点2.1.1、辐射换热器的设计及施工工艺简单，易于掌握，模块化拼装，电炉正常生产的情况下可以装拆，便于平时设备的维护，降低维护量及生产成本，具有推广价值。2.1.2、辐射换热器是利用插销及局部短距离焊接固定在集烟罩骨架梁上，具有可靠的整体性、稳定性及安全性，并且有良好的密封性。2.1.3、辐射换热器是在集烟罩内部，不占用外部空间地里位置，不影响电炉设备的使用及外部美观。2.1.4、换热器结构组成为：钢板+30mm～50mm保温棉+80mm耐热混泥土+换热器，这种制作工艺隔热、保温效果好，工作环境温度低，给企业生产人员的稳定垫定了基础。2.2、辐射换热技术使用范围本方案应用很广泛，可覆盖的行业有：冶金行业、化工行业、玻璃行业、炉渣余热、水泥行业、钢铁行业、纸行业、砖行业、陶瓷等等行业：其中冶金行业包括工业硅电炉、硅锰电炉、高碳铬铁电炉、硅铁电炉、电石炉、黄磷炉、炼铁高炉。3、设计与施工 3.1、设计对于辐射换热技术的设计使用范围很广泛，要根据不同的行业、规模及容量等选择不同的设计思路及方案，以16500kva工业硅电炉为案例，按照以下步骤进行：3.1.1、收集现场资料,了解工业硅电炉生产的产品规格、冶炼技术工艺、原材料的配比、工业硅电炉的实际容量、正常生产时负荷、超负荷情况、电炉的运行周期、出铁情况、辐射换热器与原设备配合及预留、了解集烟罩内部每位置的温度变化情况及相关注意的其他事项。3.1.2、计算集烟罩内辐射换热器面积3.1.2.1、集烟罩是由12块固定炉壁、3块小炉门、3块大炉门、烟罩骨架、烟罩顶盖及其他附件组合而成。炉壁为2400mm×2000mm；大炉门2000mm×1500mm；小炉门800mm×1000mm，顶盖为Ø10000mm的圆，辐射换热器尺寸确定要考虑空间及装配位置。3.1.2.2、计算12块固定炉壁上的辐射换热器的面积：固定炉壁上的辐射换热器由上集箱、下集箱、换热管、鳍片、浇筑料、保温棉换热器底板及其他附件组成，换热器底板采用δ=12mm，保温棉δ=40mm，浇筑料δ=80mm，上下集箱φ133mmx10mm,换热管φ45mmx3.5mm，换热管道长度为1740mm。每根换热管面积：3.14×Ø45 mm×1.74 mm=0.25m²。换热器面积：0.25m²×22×12=66 m²。3.1.2.1、烟罩顶盖辐射换热器形状各异，有方形、扇形、异形等等,如下列图（2）、图（3）、图（4）。换热器组成由换热管、鳍片、浇筑料、保温棉换热器底板及其他附件组成，换热器底板采用δ=12mm，保温棉δ=40mm，浇筑料δ=80mm，换热管φ45mmx3.5mm，与炉壁换热器相比较缺少上、下集箱，在循环方式上有所不同，炉壁采用自然循环，顶盖换热器采用强制循环方式。经过详细计算得出集烟罩炉顶盖换热器面积为48m²。3.1.2.2、工业硅电炉在正常运行下，排烟温度450℃，对流换热锅炉出口温度150℃，烟气流量80000 Nm³/h，根据冶炼工艺的不同有所变化。3.1.2.3、矿热炉烟气化学成份：CO2（3.55％）、H2O（1.11％ ）、N2（76.57％ ）、O2（18.76％）、CO（0.01％），粉尘含量8g/Nm³～10g/Nm3.1.2.3、工业硅3吨原料(其中：油胶0.7吨、木片0.35吨、煤0.6吨)冶炼1吨产品，平均每个小时产1.375吨硅，硅石（二氧化硅）从入料开始就进行吸热（6437.2KJ/kg），升温进入还原状态，在高温的情况下，首先还原成一氧化硅（SiO），而后还原成硅（Si），还原温度1800℃，高于时释放热量，将发生下如反应，SiO2+C= SiO+CO。一氧化碳在高温的情况下是以气体状态存在，炉内反应过程所产生的气体顺利向炉面逸出，与氧气进行燃烧释放大量热。3.1.2.4、电炉集烟罩内辐射热量的计算热辐射是热量传递的一种方式，在工业硅生产中有大量的辐射热成在，利用价值高，热量换算时要考虑辐射效率、辐射热源、热量损失、能量守恒等因素。① 电炉生产过程中产生的辐射热量：Q=Qd+Qdj+ Qmt+Qyj+Qmc+（Q△2一Q△1） =59400000 kJ/h+2508000 kJ/h+24177450 KJ/ h+38220875KJ/ h+5775000 KJ/ h+6859050 kJ/h =136940375 kJ/hQ： 电炉在正常生产时所产生的总辐射热；Qd：每个小时消耗电所产生的热量 59400000 kJ/h；1度电=3600000J=3600kJ, 3600kJⅹ16500(电量消耗16500kw/h)=59400000 kJ/h。Qdj：每个小时消耗碳素电极产生的热量：2508000 kJ/h；碳素电极消耗量80kg/h，发热量为7500KCal /kg。31350KJ/kgⅹ80kg/h=2508000 kJ/h。Qmt：每个小时消耗煤产生的热量：24177450 kJ/h；标煤的发热量7000Kcal/kg1.375ⅹ600kg/hⅹ29306KJ/kg=24177450 KJ/ h。Qyj ：每个小时消耗油胶产生的热量： 38220875kJ/h 工业硅冶炼电炉所用的油胶热值为9500Kcal/kg (39710KJ/kg)1.375ⅹ700kg/hⅹ39710KJ/kg=38220875 KJ/ h。Qmc：每个小时消耗木片产生的热量:5775000kJ/h木材的热值是12000kJ/kg1.375ⅹ350kg/hⅹ12000KJ/kg=5775000 KJ/ h。Q△2-△1: 每个小时硅石产生的热量：6859050 kJ/hQ△1总吸热量：=6437.2KJ/kgⅹ3000kg(3吨原材料冶炼出1吨硅) ⅹ1.375=26553450KJ/hQ△2释放总热量生产1吨工业硅产品，产生2700 Nm³一氧化碳气体，当一氧化碳气体逸出料面时与二氧化碳气体燃烧释放热：1.375吨/h（每个小时产量）ⅹ2700 Nm³ⅹ9000 kJ/N m³（一氧化碳热值）=33412500 kJ /h。每个小时硅石产生可利用的热量：Q△2一Q△1=33412500 kJ /h—26553450KJ/h=6859050 KJ/h② 每个小时可利用辐射热量:Q1=Qⅹ12% =136940375 kJ/hⅹ12% =16432845 kJ/h 工业硅冶炼过程中热损失8%（烟罩、炉门、炉壳等散热），50%原材料只还原不产生灰发，出铁带走5%热量。对流换热利用25%热量。③ 辐射换热器每小时产生蒸汽量(2.45MPa ，400℃)QZQ＝Q1.η/(hsh-hfw)＝16432845×70%/（3239-105）＝3670(kg/h)如果发电每小时可发电：3756÷6.5＝578KW.h● 每小时矿热炉可利用辐射热量Q1，KJ/h；● 换热器效率η, 70%；● 换热器出口过热蒸汽焓hsh，KJ/Kg，2.45MPa、400℃蒸汽焓值3239KJ/Kg；●换热器入口给水焓hfw，KJ/Kg，2.5MPa、25℃给水焓值105KJ/Kg；从上表可知，如果企业将辐射换热器产的蒸汽来发电，每年可向企业供电457.78万度，按工业硅企业电价0.4元/度，扣除设备的维护成本后，每年可创造毛利140.1104万元。3.2、施工 3.2.1、换热器的制作在工厂进行，按照锅炉规范要求将换热器模板化制作成后进行试拼，然后分组编号，保温隔热的浇筑耐火泥在安装现在制作。3.2.2、换热器采用木箱保护运输，连接螺栓及附件设专箱存放，运送工地待用。 3.2.3、换热器安装前做好保温及隔热材料，集烟罩骨架做好沉重及水压实验，合格后方可进行安装。3.2.4、换热器装时，定位和稳定性全靠集烟罩骨架定位。因此，安装时要注意密封效果，换热器与骨架之间的螺栓联接及短距离的焊接，集烟罩顶盖换热器之间需做绝缘，并做绝缘实验，满足安装、设计技术要求。3.2.5、安装完后，并做水压实验（设计压力的1.6倍），稳压20分钟后不渗漏合格。3.2.4、施工措施 为保证换热器的安装及使用不影响电炉正常生产，对整体密封、配装及绝缘施工时采取以下几点措施： 3.2.4.1、在施工过程中应有周密的施工组织，严格的操作工艺流程，详细掌握测量资料及施工情况，集中指挥，互相配合。 3.2.4.2、每块换热器上升、下降管、顶盖换热器之间联接焊接结束后，应立即清理。3.2.4.2、换热器安装完毕后对于接缝处进行密封性检查，是否达到设计要求，烟罩与炉壳及楼层台平采用焊机做绝缘实现，检查顶盖换热器与电炉升降系统之间间隙与密封，应满足工业硅电炉冶炼工艺技术要求。结束语 集烟罩辐射换热技术的应用，在铁合金矿热炉中不会对电炉产生任何负面影响，易拼易拆，更换方便，适应性强，并能提高电炉的使用周期和产量。整套装置余热利用率高、节能降耗效果显著、无三废和热源污染，解决了铁合金矿热炉余热吸收、收集、能量转换、安全运行等技术问题。余热利用价值高，节能效果好，技术先进，有利于企业节能减排和产业升级，为企业创造更多的经济效益。是铁合金行业中值得广泛推广。参 考 文 献1. 中华人民共和国行业标准JB/DQ1060G—1982 . 2. 《工业锅炉设计计算方法》编委会 编—中国标准出版社。3.《传热学》 杨世铭 编 北京：高等教育出版社，1980