烟道换热系统在活性焦烟气净化工艺烟气降温上的应用

刘振利

(中冶北方工程技术有限公司,辽宁 大连 116600)

0 引言

2019年，生态环境部、发展改革委、工业和信息化部、财政部、交通运输部等五部委联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，针对钢铁行业超低排放改造工作方案中明确了有组织排放控制的具体指标：烧结机头烟气、球团焙烧烟气在基准含氧量16%条件下，颗粒物、SO2、NOx排放浓度分别不得超过10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3。根据超低排放标准要求，出口超净烟气污染物浓度的指标是在基准含氧量16%条件下计算的，如果烟气中氧含量超过16%，需要折氧。在折氧的条件下，污染物浓度则要求的更低，对烟气净化工艺提出了更高的要求。因此，应严格控制原烟气中的氧含量。

活性焦烟气净化技术作为实现烟气超低排放的主要工艺技术，可有效的除去烟气中的二氧化硫、氮氧化物、二噁英、重金属等多种污染物。活性焦烟气净化技术需要控制进入吸附系统的烟气温度在130℃左右。当原烟气温度超过130℃时，需要采用有效的烟气降温手段，使烟气温度控制在130℃以下。烟道换热系统可以在不增加原烟气氧含量的条件下，有效的降低原烟气的温度，在活性焦烟气净化工艺中得到越来越广泛的应用。

1 烟气降温技术应用

1.1 兑冷风降温形式

兑冷风作为早期活性焦烟气净化系统的主要降温方式，简单方便，不占用场地空间，是比较理想的一种降温方式。但是兑冷风会增加烟气净化系统处理的烟气量，增加系统的能耗。在超低排放的大背景下，活性焦烟气净化系统需要在原基础上增加吸附单元以实现超低排放的目标。若系统再采用兑冷风的方式，则需要额外增加吸附单元，对工程投资、运行费用都产生不利的影响[1]。

1.2 喷水降温形式

喷水降温措施能降低烟气温度，但喷水降温对后期管道的腐蚀是显而易见的，且喷水降温增加了烟气的湿度，对后续烟气的吸附及系统产生废水量都具有很大的影响[1]。

1.3 烟道换热形式

烟道换热系统采用气水换热方式，采用水与原烟气进行换热。换热水在管层，原烟气在壳层，水气不直接接触，不增加原烟气的含水量，不增加吸附单元的处理烟气量，不增加原烟气中的氧含量，可有效的降低原烟气的温度。

2 烟道换热系统工艺技术

2.1 烟道换热系统的组成

目前在工业应用上，烟道换热系统根据换热水侧吸热后的状态不同，主要有两种形式。一种形式为水吸热后以高温热水的形态进行循环利用；一种形式为余热锅炉相变形式，水吸热后产生一部分低压蒸汽与一部分热水的形式。主要对第一种形式的烟道换热系统进行论述。

烟道换热系统主要由烟气水换热系统、热媒水补水系统、热媒水换热系统等部分组成。烧结烟气活性焦烟气净化系统烟道换热系统主要工艺流程图如图1所示。

图1 烟道换热系统流程图

2.2 烟气水换热系统

烟气水换热系统是烟道换热系统的核心。本系统的功能是将原烟气降低到适合温度后进入后续活性焦脱硫塔内。在原烟气—热媒水换热系统中，根据原烟气量以及原烟气的温度差来确认热媒水的内循环量。见公式(1)。

Q2=Q1ρ1C1(t1-t2)/[ρC(T2-T1)]

(1)

式中:Q1为原烟气流量，Nm3/h；Q2为热媒水内循环量，m3/h；ρ1为原烟气的密度，kg/Nm3；ρ为水的密度，kg/m3；C1为原烟气的比热容，kJ/(kg·K)；C为水的比热容，kJ/(kg·K)；t1为原烟气初始温度，℃；t2为原烟气控制温度，℃；T1为热媒水循环初温，℃；T2为热媒水循环终温，℃。

由式(1)中可知，影响热媒水的内循环量的主要因素有原烟气的流量、原烟气的温度降以及热媒水的换热温差。

——原烟气系统：原烟气是指未净化的烧结、球团等烟气。原烟气中的硫、氮、粉尘等污染物浓度较大，不同来源的原烟气中的水含量也不尽相同。其中原烟气中粉尘、粉尘的性质以及含水量对烟道换热系统的换热效率及运行工况有较大影响。某钢厂活性焦烟气净化系统烟道换热系统运行前、运行一段时间后，换热器表面积灰情况见图2。

图2 某钢厂烟道换热系统运行前后对比图

如图2所示，在烟道换热系统中，烟气在换热器本体的翅片内完成换热过程。若原烟气中的粉尘浓度较大，则会在翅片间聚集，使翅片与翅片发生连桥，进而堵塞换热器。原烟气中的含水量以及粉尘粘黏性对粉尘的聚集有很大的影响，含水量越大、粉尘越具有粘黏性，对换热器的换热效果影响越大。因此，应该严格控制原烟气中的粉尘含量和含水量。根据工程实践，原烟气中水含量9%～11%(体积比)，粉尘含量≤80mg/Nm3条件下，通过定期检修清理，换热器表面积灰现象可以得到有效控制。

——热媒水系统：为避免结垢影响正常生产，热媒水系统采用软水或除盐水与原烟气进行间接换热，换热后的高温软水或除盐水进入热媒水系统实现热量的转移。

热媒水的温度与热媒水换热温差是热媒水系统的关键因素。其中，热媒水的温度设定是影响烟气侧结露与否的关键因素，热媒水的温度过低，会使烟气在管壁处或气流狭小处发生结露现象，导致换热器发生腐蚀现象；热媒水换热温差不仅影响烟气侧的运行，对下游热媒水换热器的换热面积及循环冷却水的用量都有很大的影响。

根据工程实践，热媒水的温差以15℃～30℃为宜。

2.3 热媒水补水系统

热媒水补水系统的主要作用是向热媒水系统内补充新鲜的软水或除盐水，以补充系统泄露或排污所损失的水量。热媒水循环系统主要包括定压补水系统、循环水泵、水箱等。

定压补水系统的功能是稳定循环水的工作压力，保证系统内的热水不汽化，补充系统失水。定压补水系统常用定压补水泵及水箱控制补水的方式。

2.4 热媒水换热系统

热媒水换热系统采用水—水换热器，采用冷却水将热媒水系统内循环使用的软化水或除盐水冷却的一种换热系统。热媒水换热系统根据冷却水的换热温度不同，分为余热利用冷却系统和循环水冷却系统。

余热利用冷却系统是将工艺冷水与热媒水进行间接换热的系统，通过余热利用冷却系统，可将工艺冷水加热到80℃以下，用于生活或生产使用。该系统可有效的利用烟气的余热，是一种节能环保的有效手段。

循环水冷却系统是将循环水与热媒水进行间接换热，换热后的高温循环水通过冷却水塔冷却后循环使用。循环水冷却系统是当余热利用冷却系统产生的热水无法综合利用时的一种降温手段，因为受冷却水塔降温幅度的影响，循环水的水温一般以33℃～43℃温度范围为宜。循环水水量计算公式如下：

Q3=kQ2(T2-T1)/(T4-T3)

(2)

式中：k为系数；Q2为热媒水内循环量，Nm3/h；Q3为循环冷却水流量，m3/h；T1为热媒水循环初温，℃；T2为热媒水循环终温，℃；T3为循环水初温，℃；T4为循环水终温，℃。

由式(2)可知，循环冷却水流量主要与循环冷却水的温差有关。

3 结语

——应合理的控制原烟气中的含水量和粉尘含量，避免粉尘堵塞烟气水换热器。

——热媒水系统应采用软水或除盐水作为内循环水，避免结垢现象的发生；应合理控制热媒水的温度和温降。

——热媒水换热系统可根据现场对高温水的应用情况，合理选择工艺流程。

——烟道换热系统在不增加原烟气的含水量、不增加吸附单元的处理烟气量、不增加原烟气中的氧含量的条件下，可有效的降低原烟气的温度，在活性焦烟气净化技术烟气降温中的应用将越来越广泛。