电弧炉余热锅炉设计_杨彬

1、20工业锅炉2011年第3期（总第127期）20工业锅炉2011年第3期（总第127期）文章编号:10048774( 2011)032003电弧炉余热锅炉设计杨彬，沈士兴，王方荣，伍燕萍，吕岩岩（上海工业锅炉研究所，上海 200071）摘 要：通过计算机模拟计算和经验判断，结合一台100 t电弧炉余热 锅炉的设 计，在锅炉 结构优化的同时有效解决了锅炉面临的积灰、水循环、适应性及热膨胀等关键问题。关键词：电弧炉；余热锅炉；锅炉性能设计计算；烟气余热利用中图分类号：TK229文献标识码：A第一作者：杨彬 （1982-）,河北唐山 人，工学硕士，毕业 于中科院工程热物Design ofW aste

2、 Heat Boiler U sed forE lectric Arc Furnace ( EAF)YANG Bin SHEN Sh-xi ng WANG Fangron g, WU Yan-p ing LV Y anyan(Sha nghai In dustrial Bo iler Research I nstitute Sha nghai 200071, Ch in a)理研究所热能工程 专业,现主要从事余 热锅炉的设计研发、A bstract By the computer smulation and experience judgment w ith a 100 t EAF waste

3、heat超细煤粉燃烧技术bo iler design the structure of the bo iler w as optm ized and the problem s o f bo iler ou ling w ater cycle以及传热传质方面adaptation and thermal expanson andoher key issues wh ich existed n the boiler operation were 的研究solvedKeywords electric arc furnace ( EAF); waste h eat boiler; desgn calc

4、u lation of bo iler p erformance; utilization of flue gas waste heat20工业锅炉2011年第3期（总第127期）收稿日期:201102-23Academic Journal Eke ironic Pub is0引言近年来，随着钢铁工业的发展，电弧炉炼钢的钢 产量不断提高。据统计,2001年世界钢总量为84 379. 7万t其中电炉钢产量 为29 587 9万，t占 总产量的 35 07%。钢铁行业是耗能和污染大户 ， 因此电弧炉炼钢过程中的节能降耗一直备受关注。电弧炉冶炼生产过程中产生大量高温含尘烟气，温.3度高达1 300

5、e,含尘量为 10 30 g/m,烟气产生 量为500 1 200 m /（ h# t）,高温烟气的显热占总 能耗的20%以上。可见，回收高温烟气的余热不仅 会给企业带来巨大的经济效益，同时对环境保护和 节约资源具有重要意义。电弧炉炼钢余热回收的方式通常有两种：用于1 预热废钢和余热锅炉。马晓茜等通过计算，对两种方式进行了比较，结果表明余热锅炉回收热量约 为预热废钢回收热量的2 5倍,但预热废钢可减少电耗，并能提高电炉效率。刘改娟等对100 t电弧炉的余热回收进行了实践2,用热管余热锅炉替代了 原有的水冷烟道，改进后运行良好，收益显著，但是燃烧沉降室仍存在水循环不足、热膨胀受限等问题。徐启明等

6、对电炉余热回收系统进行了研究3,该电炉余热锅炉采用立式布置，锅炉的各项指标达到设 计水平,但在运行中仍存在着烟气外溢、蓄热式沉降 室调温及粉尘沉降效果不明显等问题。针对电弧炉余热锅炉存在的上述问题，我所结合某用户的实际运行情况，为其100 t电弧炉设计、 开发余热锅炉。该余热锅炉采用卧式布置、 水管立 式布置方式，并设置前置冷却室，锅炉整体采用全悬 吊结构，烟风阻力小，虽然耗钢量较其他型式的余热 锅炉略大，但是该炉型能有效地解决烟气外泄、受热 面积灰、水循环可靠性、烟气波动适应性以及热膨胀 等关键问题。本文借助锅炉设计软件，依据多年设计经验,合理设置计算中的参数，优化了锅炉性能，并对该锅炉的结

7、构、技术优势及经济效益进行了分 析。1余热锅炉设计计算1. 1余热锅炉设计条件烟气量：正常工况150 000 m /h（标态）3最大工况 180 000 m /h（标态）烟气温度：平均温度650 e 最高温度850 e20工业锅炉2011年第3期（总第127期）#研究与开发#电弧炉余热锅炉设计21#研究与开发#电弧炉余热锅炉设计21烟气成分：CO2 20% CO 10%02 7% N263%粉尘成分:H2O 4. 38%挥发物6 96% CaO13 2%F&O3 52%FeO 1 15%A 2O3 5. 87%SO2 9.39%1. 2锅炉主要技术参数锅炉型式:卧式水管锅炉蒸发量：正常

8、工况48 t/h最大工况 80 t/h蒸汽压力:2. OMPa蒸汽温度:215 e （饱和）3烟气含尘量：8 5 g /m（标态）锅炉给水温度：104e排烟温度:180 e锅炉烟气阻力：正常工况650 Pa最大工况930 Pa水循环方式：自然循环清灰方式：激波吹灰1. 3余热锅炉结构简介该余热锅炉为单 汽包自然循环，由汽 包、水冷 壁、蒸发器、省煤器、水预加热器等组成。锅炉按烟 气流动方向布置进口烟道、膜式水冷壁、蒸发系统、省煤器、水加热器、出口烟道，在锅炉两侧还布置激 波吹灰器、底部布置灰斗以及除灰机等设备。余热 锅炉系统见图1。1. 4锅炉的计算电弧炉余热锅炉通常没有补燃系统。考虑到余 热

9、锅炉的布置型式多样，故需在合理采用本体结构 型式的基础上，进行计算和分析，以优化锅炉性能及 本体结构。因此，需要不断对锅炉结构及受热面布 置等进行修改、优化,以达到较好的能量梯度合理利 用。通过建立不同的工质流程图以及汽水循环图，针对电弧炉烟气间歇性及波动性大、温度高、含尘量 大的特点，利用计算机分别对余热锅炉在平均烟气 工况以及最大工况下进行模拟计算。根据计算需要及炉型布置，分别建立烟气流程 （如图2所示）、汽水流程（如图3所示）以及汽水循 环的计算模型。锅炉在正常工况下的计算数据包括 进口烟温、蒸发器I出口烟温、蒸发器II出口烟温、 蒸发器III出口烟温、排烟温度以及相应受热面内的 平均烟

10、气流速如图1所示。由于烟气含尘量较大，为了减小受热面的磨损，选用烟气的平均流速在7 8m/s建立数学模型后，按照锅炉设计计算准则5进行计算 ，得出计算结果以及 Q- T曲线图（如图 4所示）,根据设计经验，适当对换热部件结构进行 调整,优化锅炉设计。匚 £*1图1余热锅炉系统图锅炉采用单锅筒结构，通过下降管向蒸发系统 下集箱供水，蒸发系统产生的汽水混合物沿上升管 进入锅筒，然后通过汽水分离装置，饱和蒸汽通过蒸 汽管道进入系统中的蓄热器。蒸发系统采用自然循 环的方式，蒸发器分为三级，一级为光管蒸发器，二 级和三级为螺旋翅片管蒸发器。省煤器及水加热器 采用螺旋翅片管结构，用以吸收烟气的热

11、量，使排烟 温度降低，提高锅炉效率。1 号购-24）13 China Academic Jaiimal R«cironic ?tihSc 器 LIE一 水"3m匚233 r常50 C冷650 Cf 7,|rrt/i f 5.5m.'sI栏呼Cl圈2烟代流程图宵煤8松口2鶴木出口2余热锅炉设计特点及技术优势2 1采用卧式布置，合理布置激波吹灰器，解决了 余热锅炉积灰的关键问题烟气冲刷受热面管束的形式可分为纵向冲刷和横向冲刷两种，纵向冲刷的优点是受热面不易积灰,但传热效率较低；横向冲刷对流传热系数约为纵向22工业锅炉2011年第3期(总第127期)冲刷的两倍，体积、金属

12、耗量及占地面积小，因此选 用烟气横向冲刷受热面管束的方式。考虑电弧炉炼 钢中产生的高温烟气含尘量较大，因此余热锅炉采 用卧式布置、水管立式布置。在余热锅炉的适当位 置布置激波吹灰器，清除对流受热面的积灰，这样就 较好地解决了电弧炉余热锅炉受热面积灰的关键问 题。0500010000 1)000 2CWOT 25000 30000 35000图4正常工况下的Q-T图2 2采用自然循环方式，水管立式布置，确保余热 锅炉水循环的可靠性余热锅炉的水循环方式分为自然循环、强制循环和复合循环三种。为了确保余热锅炉水循环安全 可靠，同时节约电能、减少耗能，受热管路采用立式 布置、自然循环方式。由于入口烟气量

13、和烟气温度 的波动较大，致使各受热面的烟气温度、蒸发量及蒸 汽温度也会有一定幅度的变化，除采用水管立式布 置，本余热锅炉采用集中下降管，进一步确保水循环 良好。2 3烟道前端布置冷却室，采用水冷壁结构，能较 好地适应烟气的变化特性由于余热烟气入口温度较高、 波动性大、含尘量 较大，若高温烟气未经沉降和降温，直接冲刷对流受 热面，则会导致受热面磨损、积灰、壁面温度波动，甚 至会影响锅炉的正常运行。为了解决上述问题，在烟道前端布置沉降冷却室，冷却室四周为膜式水冷 壁。冷却室对高温烟气起到一定的吸热和沉降作 用，减缓和稳定烟气温度及烟气波动性，确保锅炉安 全、可靠运行。24锅炉整体采用全悬吊结构，有

14、效解决了热膨胀 问题由于锅炉各部分受热不同、材料不同，所以热膨胀方向及热膨胀量也不同，产生的热应力较大，引起 零部件变形，甚至使零部件损坏而导致锅炉不能安 全运行。本余热锅炉采用全悬吊结构，锅炉整体及受热部件能自由向下膨胀位移，有效地解决了热膨胀的问题。3 结论(1) 根据100 t电弧炉余热的工艺参数和使用 要求，建立对流受热面烟气侧、汽水侧流程以及汽水 循环流程模型，利用锅炉设计软件，使电弧炉余热锅 炉得到设计优化，有效地解决了电弧炉余热锅炉面 临的积灰、水循环、入口烟气温度波动适应性以及热 膨胀等问题，确保锅炉安全可靠运行。(2) 利用余热锅炉回收电弧炉炼钢产生的高温烟气余热，按锅炉一年

15、运行290天预算，每年可产334 080、2 0 MPa的饱和蒸 汽相当于每年 节约 2 365标煤，从而大大降低了炼钢企业的生产成本 ， 经济效益显著。(3) 高温烟气经余热回收利用后，经过除尘，减 少了粉尘等的排放，节能的同时保护了环境，具有较 高的社会收益。参考文献1 马晓茜，陈伯杭.电弧炉炼钢两种余热回收方式的比较J.工业炉，1998 24(2): 20- 252 刘改娟，李佩泉,孙群利,李国盛.100 t电炉烟气余热回 收实践J 1冶金动力,2008( 5): 36- 393 徐启明，孙振巍，黄晓梅，李海凤.电炉烟气除尘及余热 回收系统的研发与应用J.环境污染与防治，2008 30(10).4 (苏)古尔维奇，A. M.,(苏)库兹涅佐夫，H. B.锅炉机 组热力计算 标准方法(73版)M .北京:水利电力出版 社,19735 (苏)C.N