燒結(jié)球團(tuán)冷卻鏈篦機(jī)高溫回水余熱循環(huán)應(yīng)用與研究

衡旭文,何鐵牛

(太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司 代縣礦業(yè)有限公司,山西 太原 034207)

0 前言

代縣礦業(yè)有限公司是太鋼不銹鋼燒結(jié)球團(tuán)原料基地,2009 年建成了年產(chǎn)200 萬(wàn)t 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)線,其中鏈篦機(jī)型號(hào)為B4.5×46 m,寬度4.5 m、長(zhǎng)度46 m。運(yùn)行幾年來(lái),鏈篦機(jī)空心上托輥軸一直使用新水冷卻,冷卻前新水溫度為8～12 ℃,冷卻后回水溫度冬季為57～67 ℃,因新水中含碳酸鈣、碳酸鎂和碳酸鐵等較多,所以冷卻后的空心上托輥軸結(jié)垢嚴(yán)重導(dǎo)致空心軸堵塞,而且這部分熱能未得到合理使用。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色生產(chǎn),準(zhǔn)備將鏈篦機(jī)冷卻后高溫回水送到鍋爐房,經(jīng)汽水熱交換器加溫后送至各崗位取暖,改善作業(yè)區(qū)人員工作環(huán)境、降低生產(chǎn)成本和供水熱能。同時(shí)將鍋爐房經(jīng)處理軟化水送到鏈篦機(jī),提高鏈篦機(jī)冷卻水的質(zhì)量,減少鏈篦機(jī)空心上托輥軸的結(jié)垢量,使鏈篦機(jī)冷卻高溫回水得到充分應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和余熱利用等目標(biāo)。

1 改進(jìn)前鏈篦機(jī)高溫冷卻水排放現(xiàn)狀

鏈篦機(jī)是代縣礦業(yè)200 萬(wàn)t/a 球團(tuán)生產(chǎn)線的核心設(shè)備,鏈篦機(jī)生產(chǎn)能力Q 為200～300 t/h,運(yùn)輸速度V為1.14～3.43 m/min,球團(tuán)礦在鏈篦機(jī)內(nèi)停留時(shí)間為34～45 min、堆積厚度為200 mm、堆積密度為2.2 t/m3,篦床加熱面積為207 m2,鏈篦機(jī)是運(yùn)輸直徑φ8～16 mm 球團(tuán)礦并且加熱生球的設(shè)備,其中分四個(gè)加熱階段,一是鼓干加熱段,加熱生球的溫度為0～80 ℃;二是抽干加熱段,加熱鐵球溫度為80～280 ℃;三是環(huán)冷機(jī)余熱利用加熱一段,加熱鐵球的溫度為280～780 ℃;四是環(huán)冷機(jī)余熱利用加熱二段,加熱鐵球的最終溫度為780～1 180 ℃;物料由鏈篦機(jī)內(nèi)部空心托輥軸(共62 根)支撐且由鏈板輸送到回轉(zhuǎn)窯加熱,為防止空心托輥軸和水冷梁(共四根)受熱變形,必須在其中間注入新水冷卻,其中新水溫度冷卻軸前為8～12 ℃,冷卻軸后為57～67℃,冷卻后水溫升高了49～55 ℃,新水用量為80～120 m3/h,如果這部分新水熱能不回收,余熱就會(huì)浪費(fèi),不利于降本增效。

充分利用該熱水,將冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁后的高溫回水回收至鍋爐房,經(jīng)鍋爐房軟化處理設(shè)備、熱交換器和電鍋爐加熱后將高溫回水,冬天送至各崗位取暖,降低取暖成本和供水熱能。同時(shí)將鍋爐房經(jīng)軟水處理器處理后的低溫回水送到冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁管道,改善冷卻鏈篦機(jī)水的質(zhì)量、減少空心托輥軸的結(jié)垢量。使冷卻鏈篦機(jī)后的回水余熱充分利用,達(dá)到節(jié)能減排效果,也解決過(guò)濾、焙燒、原料、精選等作業(yè)區(qū)和球團(tuán)廠辦公區(qū)冬季取暖問(wèn)題。

原來(lái)四個(gè)作業(yè)區(qū)及辦公區(qū)安裝兩臺(tái)10 t 鍋爐SHX35-1.6-M10 供暖,每年耗煤1.8 萬(wàn)t,且未配套環(huán)保設(shè)備。鍋爐操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗煤多、成本高、熱效率低,同時(shí)嚴(yán)重污染環(huán)境,現(xiàn)已停止運(yùn)行。

2 鏈篦機(jī)冷卻后高溫回水余熱回收利用研究與改進(jìn)措施

2.1 冷卻水軟化處理研究

鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁結(jié)垢的主要原因是冷卻水中存在Ca2+、Mg2+,冷卻水軟化用鈉離子交換除去冷卻水中的Ca2+、Mg2+,使硬水變成軟水,防止鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁結(jié)垢。當(dāng)使用循環(huán)水冷卻時(shí),水進(jìn)入空心托輥軸及水冷梁前,須進(jìn)行水軟化處理,筆者設(shè)計(jì)應(yīng)用鈉離子交換及再生處理技術(shù)。

應(yīng)用原來(lái)固定床動(dòng)態(tài)鈉離子軟化水處理交換的關(guān)鍵技術(shù),運(yùn)行中的離子交換劑層固定在一個(gè)交換器中,再生時(shí)也在交換器內(nèi)進(jìn)行。固定床運(yùn)行時(shí),當(dāng)水流從上至下通過(guò)交換劑層時(shí),冷卻水中的Ca2+、Mg2+與交換劑中的Na+進(jìn)行交換反應(yīng),其冷卻水軟化反應(yīng)過(guò)程如下:

2RNa(有效樹(shù)脂)+Ca2+(Mg2+)(硬水)→R2Ca(R2Mg)(失效樹(shù)脂)+2Na+(軟水)

當(dāng)冷卻水接觸上層交換劑失效后,繼續(xù)進(jìn)入冷卻水與下層交換劑進(jìn)行離子交換,因此交換工作層不斷下移,整個(gè)交換劑層分為三個(gè)區(qū)域,如圖1 所示。上部已經(jīng)失效的交換劑層,交換劑層已呈Ca2+、Mg2+型,失去了繼續(xù)軟化的能力,冷卻水通過(guò)這一層時(shí)不再發(fā)生變化,這一層稱為失效層(也叫飽和層)、中間層為工作層(也叫交換層),冷卻水通過(guò)這一層時(shí),水中的Ca2+、Mg2+與交換劑中的Na+進(jìn)行交換反應(yīng),因此在這層交換劑中有Ca2+、Mg2+與Na+,最下部的交換劑尚未交換反應(yīng),基本是Na+,隨著離子交換器運(yùn)行,失效層區(qū)域不斷增加,工作層不斷下移,未交換區(qū)域隨之減少。當(dāng)工作層下移至接近交換層底部時(shí),出水中將因Ca2+、Mg2+穿透而出現(xiàn)硬度,因此為了保證出水品質(zhì)合格,工作層下移至接近交換層底部之前,應(yīng)再生交換層。

圖1 軟化水處理過(guò)程

2.2 固定床鈉離子交換再生過(guò)程研究

當(dāng)固定床Na+鈉離子交換劑失效后,為了恢復(fù)其軟化能力,必須用Na+鈉離子再生劑進(jìn)行再生,常用的再生劑為食鹽(NaCl)溶液。其Na+鈉離子再生反應(yīng)過(guò)程如下:

2Na+(鹽水)+R2Ca(R2Mg)(失效樹(shù)脂)→Ca2+(Mg2+)(廢液排放)+2RNa(有效樹(shù)脂)

再生是冷卻水軟化離子交換器一個(gè)重要的環(huán)節(jié),在生產(chǎn)中須重視。

2.3 設(shè)計(jì)原則

(1)充分利用冷卻鏈蓖機(jī)空心托輥軸前新水溫度為8～12 ℃,冷卻后回水(冬季實(shí)測(cè))57～67 ℃,利用冷卻軸后的回水余熱來(lái)加熱取暖。(2)冬天辦公區(qū)、班組休息區(qū)等場(chǎng)所設(shè)計(jì)室內(nèi)平均溫度18 ℃、生產(chǎn)廠房10 ℃。

2.4 水加熱需要熱量計(jì)算

(1)每小時(shí)回水回收熱量應(yīng)根據(jù)水進(jìn)、出溫度等按式(1)確定:

式中Q—加熱1 kg 水需要熱量,kcal/h 或kW·h;

C—比熱容,J/(kg·℃),水的比熱容為4.2×1 000 J/(kg·℃);

M—加熱水重量,kg;

T1—水加熱前的溫度,℃;

T2—水加熱后溫度,℃;

R—換熱效率,常數(shù)或系數(shù)。

(2)每小時(shí)節(jié)省標(biāo)煤量應(yīng)根據(jù)標(biāo)煤發(fā)熱值及燃燒效率等按式(2)確定:

式中Mh—每小時(shí)省煤量,kg/h;

Qh—每小時(shí)回收熱量,kW·h;

Qf—煤燃燒發(fā)熱值(計(jì)算),kcal/kg;

Rμ—鍋爐煤不完全燃燒效率,%。

2.5 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

(1)冷卻鏈蓖機(jī)空心托輥軸用水量M=80～120 m3/h,新水冷卻前溫度為8～12 ℃,冷卻軸后出水溫度57～67 ℃,新水冷卻了鏈蓖機(jī)空心托輥軸,水溫上升了52 ℃左右;

(2)把100 m3循環(huán)水從10 ℃加熱到62 ℃,需要熱量5 200 000 kcal(備注:計(jì)算方法1×100×1 000×(62-10)大卡=5 200 000 kcal),因此冷卻軸后余熱利用節(jié)省能量為742.9 kg 標(biāo)煤/h(備注:計(jì)算方法1×100×1 000×(62-10﹚÷7 000=742.9 kg 標(biāo)煤/h),每小時(shí)節(jié)省煤量0.742 9 t/h;每年可節(jié)省煤6 038.9 t(備注:計(jì)算方法0.742 9 t/h×365 d×24 h/d× 92.8% (鏈篦機(jī)平均作業(yè)率92.8%)=6 038.9 t;1 kg 標(biāo)煤發(fā)熱=7 000 大卡熱量=7 000 kcal,1 cal=4.18 焦耳﹚。

(3)冬季室外溫度-5～-13 ℃;

(4)蒸汽壓力0.4 MPa,蒸汽溫度142 ℃,取暖后回水溫度為8～12 ℃(平均為10 ℃);

(5)工房、辦公區(qū)設(shè)計(jì)取暖溫度為18 ℃,廠房為10 ℃;

2.6 鍋爐房原設(shè)備現(xiàn)狀

(1)鍋爐房原安裝SHX35-1.6-M10 臥式快裝蒸汽鍋爐1 臺(tái)、DZL4T/H 臥式快裝蒸汽鍋爐1 臺(tái),因無(wú)環(huán)保配套設(shè)備,造成燃煤鍋爐嚴(yán)重污染環(huán)境,已停止運(yùn)行。

(2)鍋爐房原安裝35 t/h,Na+鈉離子軟水交換器1 臺(tái),20 t/h Na+鈉離子軟水交換器1 臺(tái),現(xiàn)已改造應(yīng)用軟化冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁的循環(huán)水。

2.7 鏈篦機(jī)冷卻后高溫回水余熱應(yīng)用內(nèi)容

(1)新水由鍋爐房經(jīng)過(guò)Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)軟化后,提供給冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁合格的軟化水,經(jīng)離心水泵送至鏈篦機(jī)冷卻儲(chǔ)水池。

(2)冬天崗位取暖,在鏈篦機(jī)尾部設(shè)置水箱,收集冷卻鏈篦機(jī)后兩側(cè)回水,溫度為57～67 ℃,經(jīng)φ219×6 管自流到鍋爐房回水池,先經(jīng)Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)軟化后,再經(jīng)循環(huán)泵送至電鍋爐和熱交換器加熱,當(dāng)循環(huán)水加熱到溫度85～95 ℃后再送至各崗位取暖。熱水經(jīng)取暖變涼后,溫度為8～12℃,再回收用來(lái)冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸及水冷梁,如此循環(huán)往復(fù)。

2.8 工業(yè)鍋爐房新增設(shè)備

(1)電(加熱)鍋爐1 臺(tái),型號(hào)LEHMAN300-0.7/0.7-2.55,加熱水流量Q為83.76 t/h,換熱量Q為2.76 MW,加熱冷卻鏈篦機(jī)的循環(huán)水;(2)循環(huán)泵2 臺(tái)(一用一備),型號(hào)KOL125/185-30/2,泵水流量Q為150 m3/h,揚(yáng)程H為44 m,驅(qū)動(dòng)功率N為30 kW;(3)軟化水泵1 臺(tái),型號(hào)IS100-65-200,流量Q為89 m3/h,揚(yáng)程H為39 m,驅(qū)動(dòng)功率N為18.5 kW;(4)電交換器1 臺(tái),壓力補(bǔ)償器1 臺(tái),Na+鈉離子軟水交換系統(tǒng)1 套。

3 改進(jìn)后效益

3.1 企業(yè)效益

應(yīng)用冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸后高溫回水來(lái)進(jìn)行預(yù)熱給員工取暖,改進(jìn)后供熱面積增加3 000 m2,即發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),又節(jié)能降耗。球團(tuán)廠各作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、車間廠房,由原燃煤鍋爐蒸汽取暖改為冷卻鏈篦機(jī)后高溫回水余熱再用電鍋爐加熱取暖,改進(jìn)后系統(tǒng)投入使用以來(lái),運(yùn)行正常,降本增效明顯。

3.2 節(jié)煤量計(jì)算

(1)冷卻鏈篦機(jī)空心托輥耗軸水量Q為100 m3/h,冷卻軸后循環(huán)水溫度為57～67 ℃;

(2)把流量Q為100 m3/h 新水溫度從8～12 ℃加熱到取暖85～95 ℃,計(jì)算耗煤量:

把100 m3/h 新水由8～12 ℃(平均為10 ℃)加熱至85～95 ℃(平均為90 ℃),需要標(biāo)煤L1=100×1 000×(90-10﹚÷7 000=1 143 kg/h=1.143 t/h(備注:1 kg 標(biāo)煤發(fā)熱量為7 000 kcal,1 cal=4.18 焦耳﹚;

(3)把流量Q為100 m3/h 回水溫度從57～67℃加熱到取暖85～95 ℃,計(jì)算耗煤量:

把100 m3/h 回水溫度從57～67 ℃(平均為62℃)加熱至取暖85～95 ℃(平均為90 ℃),需要標(biāo)煤L2=100×1 000 ×(90-62﹚÷7 000=400 kg/h=0.400 t/h。

(4)回水代替新水取暖每小時(shí)節(jié)煤量:

用冷卻鏈篦機(jī)回水溫度從57～67 ℃(平均為62 ℃),代替新水8～12 ℃(平均為10 ℃),加熱到取暖溫度85～95 ℃(平均為90 ℃),每小時(shí)節(jié)煤量:J=L1-L2=1.143-0.400=0.743 t/h;

(5)每年取暖期節(jié)煤量:0.743 t/h×24 h/d×180 d(每年采暖期180 d/a)=3 209.8 t。

3.3 效益計(jì)算

(1)工程總投資:100 萬(wàn)元;(2)一個(gè)取暖期耗資:900 元∕t×3 209.8t÷10 000=288.9 萬(wàn)元,標(biāo)煤平均價(jià)格為900 元/t;(3)投資回收期:100 萬(wàn)元÷288.9 萬(wàn)元=0.346。

4 結(jié)語(yǔ)

本文敘述了冷卻鏈篦機(jī)空心托輥軸后高溫回水余熱循環(huán)利用與研究,解決了原來(lái)燃煤鍋爐蒸汽取暖,造成能耗高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、空心托輥軸結(jié)垢嚴(yán)重等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了冷卻鏈篦機(jī)回水的壓力、流量、溫度等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo),充分應(yīng)用了冷卻鏈篦機(jī)后高溫回水的余熱,每年降低取暖成本288.9 萬(wàn)元,節(jié)煤3 209.8 t/a,并且消除了空心軸和水冷梁結(jié)垢嚴(yán)重、冷卻效果差等安全隱患,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了降本增效、綠色生產(chǎn)目標(biāo)。