1、20工業鍋爐2011年第3期（總第127期）20工業鍋爐2011年第3期（總第127期）文章編號:10048774( 2011)032003電弧爐余熱鍋爐設計楊彬，沈士興，王方榮，伍燕萍，呂巖巖（上海工業鍋爐研究所，上海 200071）摘 要：通過計算機模擬計算和經驗判斷，結合一臺100 t電弧爐余熱 鍋爐的設 計，在鍋爐 結構優化的同時有效解決了鍋爐面臨的積灰、水循環、適應性及熱膨脹等關鍵問題。關鍵詞：電弧爐；余熱鍋爐；鍋爐性能設計計算；煙氣余熱利用中圖分類號：TK229文獻標識碼：A第一作者：楊彬 （1982-）,河北唐山 人，工學碩士，畢業 于中科院工程熱物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)理研究所熱能工程 專業,現主要從事余 熱鍋爐的設計研發、A bstract By the computer smulation and experience judgment w ith a 100 t EAF waste

3、heat超細煤粉燃燒技術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以及傳熱傳質方面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工業鍋爐2011年第3期（總第127期）收稿日期:201102-23Academic Journal Eke ironic Pub is0引言近年來，隨著鋼鐵工業的發展，電弧爐煉鋼的鋼 產量不斷提高。據統計,2001年世界鋼總量為84 379. 7萬t其中電爐鋼產量 為29 587 9萬，t占 總產量的 35 07%。鋼鐵行業是耗能和污染大戶 ， 因此電弧爐煉鋼過程中的節能降耗一直備受關注。電弧爐冶煉生產過程中產生大量高溫含塵煙氣，溫.3度高達1 300

5、e,含塵量為 10 30 g/m,煙氣產生 量為500 1 200 m /（ h# t）,高溫煙氣的顯熱占總 能耗的20%以上。可見，回收高溫煙氣的余熱不僅 會給企業帶來巨大的經濟效益，同時對環境保護和 節約資源具有重要意義。電弧爐煉鋼余熱回收的方式通常有兩種：用于1 預熱廢鋼和余熱鍋爐。馬曉茜等通過計算，對兩種方式進行了比較，結果表明余熱鍋爐回收熱量約 為預熱廢鋼回收熱量的2 5倍,但預熱廢鋼可減少電耗，并能提高電爐效率。劉改娟等對100 t電弧爐的余熱回收進行了實踐2,用熱管余熱鍋爐替代了 原有的水冷煙道，改進后運行良好，收益顯著，但是燃燒沉降室仍存在水循環不足、熱膨脹受限等問題。徐啟明等

6、對電爐余熱回收系統進行了研究3,該電爐余熱鍋爐采用立式布置，鍋爐的各項指標達到設 計水平,但在運行中仍存在著煙氣外溢、蓄熱式沉降 室調溫及粉塵沉降效果不明顯等問題。針對電弧爐余熱鍋爐存在的上述問題，我所結合某用戶的實際運行情況，為其100 t電弧爐設計、 開發余熱鍋爐。該余熱鍋爐采用臥式布置、 水管立 式布置方式，并設置前置冷卻室，鍋爐整體采用全懸 吊結構，煙風阻力小，雖然耗鋼量較其他型式的余熱 鍋爐略大，但是該爐型能有效地解決煙氣外泄、受熱 面積灰、水循環可靠性、煙氣波動適應性以及熱膨脹 等關鍵問題。本文借助鍋爐設計軟件，依據多年設計經驗,合理設置計算中的參數，優化了鍋爐性能，并對該鍋爐的結

7、構、技術優勢及經濟效益進行了分 析。1余熱鍋爐設計計算1. 1余熱鍋爐設計條件煙氣量：正常工況150 000 m /h（標態）3最大工況 180 000 m /h（標態）煙氣溫度：平均溫度650 e 最高溫度850 e20工業鍋爐2011年第3期（總第127期）#研究與開發#電弧爐余熱鍋爐設計21#研究與開發#電弧爐余熱鍋爐設計21煙氣成分：CO2 20% CO 10%02 7% N263%粉塵成分:H2O 4. 38%揮發物6 96% CaO13 2%F&O3 52%FeO 1 15%A 2O3 5. 87%SO2 9.39%1. 2鍋爐主要技術參數鍋爐型式:臥式水管鍋爐蒸發量：正常

8、工況48 t/h最大工況 80 t/h蒸汽壓力:2. OMPa蒸汽溫度:215 e （飽和）3煙氣含塵量：8 5 g /m（標態）鍋爐給水溫度：104e排煙溫度:180 e鍋爐煙氣阻力：正常工況650 Pa最大工況930 Pa水循環方式：自然循環清灰方式：激波吹灰1. 3余熱鍋爐結構簡介該余熱鍋爐為單 汽包自然循環，由汽 包、水冷 壁、蒸發器、省煤器、水預加熱器等組成。鍋爐按煙 氣流動方向布置進口煙道、膜式水冷壁、蒸發系統、省煤器、水加熱器、出口煙道，在鍋爐兩側還布置激 波吹灰器、底部布置灰斗以及除灰機等設備。余熱 鍋爐系統見圖1。1. 4鍋爐的計算電弧爐余熱鍋爐通常沒有補燃系統。考慮到余 熱

9、鍋爐的布置型式多樣，故需在合理采用本體結構 型式的基礎上，進行計算和分析，以優化鍋爐性能及 本體結構。因此，需要不斷對鍋爐結構及受熱面布 置等進行修改、優化,以達到較好的能量梯度合理利 用。通過建立不同的工質流程圖以及汽水循環圖，針對電弧爐煙氣間歇性及波動性大、溫度高、含塵量 大的特點，利用計算機分別對余熱鍋爐在平均煙氣 工況以及最大工況下進行模擬計算。根據計算需要及爐型布置，分別建立煙氣流程 （如圖2所示）、汽水流程（如圖3所示）以及汽水循 環的計算模型。鍋爐在正常工況下的計算數據包括 進口煙溫、蒸發器I出口煙溫、蒸發器II出口煙溫、 蒸發器III出口煙溫、排煙溫度以及相應受熱面內的 平均煙

10、氣流速如圖1所示。由于煙氣含塵量較大，為了減小受熱面的磨損，選用煙氣的平均流速在7 8m/s建立數學模型后，按照鍋爐設計計算準則5進行計算 ，得出計算結果以及 Q- T曲線圖（如圖 4所示）,根據設計經驗，適當對換熱部件結構進行 調整,優化鍋爐設計。匚 £*1圖1余熱鍋爐系統圖鍋爐采用單鍋筒結構，通過下降管向蒸發系統 下集箱供水，蒸發系統產生的汽水混合物沿上升管 進入鍋筒，然后通過汽水分離裝置，飽和蒸汽通過蒸 汽管道進入系統中的蓄熱器。蒸發系統采用自然循 環的方式，蒸發器分為三級，一級為光管蒸發器，二 級和三級為螺旋翅片管蒸發器。省煤器及水加熱器 采用螺旋翅片管結構，用以吸收煙氣的熱

11、量，使排煙 溫度降低，提高鍋爐效率。1 號購-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欄呼Cl圈2煙代流程圖宵煤8松口2鶴木出口2余熱鍋爐設計特點及技術優勢2 1采用臥式布置，合理布置激波吹灰器，解決了 余熱鍋爐積灰的關鍵問題煙氣沖刷受熱面管束的形式可分為縱向沖刷和橫向沖刷兩種，縱向沖刷的優點是受熱面不易積灰,但傳熱效率較低；橫向沖刷對流傳熱系數約為縱向22工業鍋爐2011年第3期(總第127期)沖刷的兩倍，體積、金屬

12、耗量及占地面積小，因此選 用煙氣橫向沖刷受熱面管束的方式。考慮電弧爐煉 鋼中產生的高溫煙氣含塵量較大，因此余熱鍋爐采 用臥式布置、水管立式布置。在余熱鍋爐的適當位 置布置激波吹灰器，清除對流受熱面的積灰，這樣就 較好地解決了電弧爐余熱鍋爐受熱面積灰的關鍵問 題。0500010000 1)000 2CWOT 25000 30000 35000圖4正常工況下的Q-T圖2 2采用自然循環方式，水管立式布置，確保余熱 鍋爐水循環的可靠性余熱鍋爐的水循環方式分為自然循環、強制循環和復合循環三種。為了確保余熱鍋爐水循環安全 可靠，同時節約電能、減少耗能，受熱管路采用立式 布置、自然循環方式。由于入口煙氣量

13、和煙氣溫度 的波動較大，致使各受熱面的煙氣溫度、蒸發量及蒸 汽溫度也會有一定幅度的變化，除采用水管立式布 置，本余熱鍋爐采用集中下降管，進一步確保水循環 良好。2 3煙道前端布置冷卻室，采用水冷壁結構，能較 好地適應煙氣的變化特性由于余熱煙氣入口溫度較高、 波動性大、含塵量 較大，若高溫煙氣未經沉降和降溫，直接沖刷對流受 熱面，則會導致受熱面磨損、積灰、壁面溫度波動，甚 至會影響鍋爐的正常運行。為了解決上述問題，在煙道前端布置沉降冷卻室，冷卻室四周為膜式水冷 壁。冷卻室對高溫煙氣起到一定的吸熱和沉降作 用，減緩和穩定煙氣溫度及煙氣波動性，確保鍋爐安 全、可靠運行。24鍋爐整體采用全懸吊結構，有

14、效解決了熱膨脹 問題由于鍋爐各部分受熱不同、材料不同，所以熱膨脹方向及熱膨脹量也不同，產生的熱應力較大，引起 零部件變形，甚至使零部件損壞而導致鍋爐不能安 全運行。本余熱鍋爐采用全懸吊結構，鍋爐整體及受熱部件能自由向下膨脹位移，有效地解決了熱膨脹的問題。3 結論(1) 根據100 t電弧爐余熱的工藝參數和使用 要求，建立對流受熱面煙氣側、汽水側流程以及汽水 循環流程模型，利用鍋爐設計軟件，使電弧爐余熱鍋 爐得到設計優化，有效地解決了電弧爐余熱鍋爐面 臨的積灰、水循環、入口煙氣溫度波動適應性以及熱 膨脹等問題，確保鍋爐安全可靠運行。(2) 利用余熱鍋爐回收電弧爐煉鋼產生的高溫煙氣余熱，按鍋爐一年

15、運行290天預算，每年可產334 080、2 0 MPa的飽和蒸 汽相當于每年 節約 2 365標煤，從而大大降低了煉鋼企業的生產成本 ， 經濟效益顯著。(3) 高溫煙氣經余熱回收利用后，經過除塵，減 少了粉塵等的排放，節能的同時保護了環境，具有較 高的社會收益。參考文獻1 馬曉茜，陳伯杭.電弧爐煉鋼兩種余熱回收方式的比較J.工業爐，1998 24(2): 20- 252 劉改娟，李佩泉,孫群利,李國盛.100 t電爐煙氣余熱回 收實踐J 1冶金動力,2008( 5): 36- 393 徐啟明，孫振巍，黃曉梅，李海鳳.電爐煙氣除塵及余熱 回收系統的研發與應用J.環境污染與防治，2008 30(10).4 (蘇)古爾維奇，A. M.,(蘇)庫茲涅佐夫，H. B.鍋爐機 組熱力計算 標準方法(73版)M .北京:水利電力出版 社,19735 (蘇)C.N