1 前言
八十年代以来,国内新建了一批6000kVA～16500kVA硅铁电炉。均采用半封闭式烟罩,设置干法布袋除尘器净化装置。其烟气净化系统见图1。本文就工程设计中应该考虑的各种因素进行探讨。
图1 硅铁电炉烟气除尘系统
1—电炉;2—罩子;3—烟道;4—冷却器;5—布袋过滤器;6—风机;7—调节阀;8—排气口。
2 排烟罩的设计
电炉烟气捕集效果的好坏在一定程度上取决于烟罩的结构形式。硅铁电炉采用半封闭式矮烟罩代替高烟罩,以减少排烟量,防止炉内烟气外逸,可改善工人操作环境。此种烟罩的排烟量约为理论炉气量的50~60倍,一般设计成六角形罩,根据工艺需要采用水冷骨架整体结构,便于设备检修,在衬有耐火材料的六角形罩六个侧面中的三个侧面装设加料门,加料门在一般情况下不开启,只是在加料或捣炉操作时开启一个侧面,以减少野风进入。
采用矮烟罩比高烟罩的排烟量少50%,烟气温度约400℃~700℃,当罩内烟气温度大于500℃时,烟罩的材质应为耐热钢,特别是烟罩侧面中的加料门结构的设计要防止变形,开启灵活,并提高其密封性。
3 放散烟囱的设计
3.1 烟气呈放散状态下的最佳排烟温度选择半封闭电炉的烟气呈放散状态下的最佳排烟温度(不同于烟气净化系统投入运行的排烟温度)应当选取400℃为宜,此烟气温度下的电炉料面温度是最佳的,此温度既保证了充分利用烟气的物理热来加热物料,也利于电极焙烧,又防止了硅石破碎而恶化炉料透气性的现象发生。
3.2 最佳烟温下放散烟气量的确定
当还原剂的配比为50%焦炭、50%煤时,烟气温度为400℃,正常条件的排烟量为每t产品60000Nm3,刺火条件的排烟量为每t产品120000Nm3。
3.3 烟气通过放散烟囱的气速选取
设计计算应按刺火条件下的烟气量作为计算依据,其气速一般先取7~13m/s,同时以正常烟气量进行核算,经综合比较来确定其放散烟囱的通径。
3.4 烟气通过烟囱的温度降
当烟气温度400℃~500℃时,烟气通过烟囱的每米温度降,金属衬砖烟囱一般为2~2.5℃,金属烟囱为3~4℃。
3.5 烟囱扩张式出口的设计
为了减小烟气排入大气时的出口动压损失,应减小排出口的速度。烟囱出口气速以不小于4m/s为宜,一般将烟囱出口设计成扩张式的,以提高烟囱的抽力。
3.6 放散烟囱的阀门
放散烟囱阀门的设计,要求操作灵活,密封性好,适于多尘条件。当烟气净化系统中的袋式除尘器进口烟温过高时,烟囱阀门自动开启,放散烟气。
4 烟气管道的设计
4.1 排烟管道的烟气流速
合理选取管道中的烟气流速是保证系统正常运行的重要因素,流速过低,造成管道内积灰,堵塞管道,流速过高,阻力增加,磨损管壁,严重时出现漏风,影响捕集效果。管道的流速范围一般选取为16~26m/s。低速为正常条件,高速为刺火条件。
4.2 管道的伸缩节
伸缩节应设计成柔性的结构,使管道热变形时引起的推力最小,以简化支架设计。
4.3 烟气管道材质的选择
对于通过550℃烟气的金属管道选材,宜选用低合金高强度钢,输送低于250℃烟气的管道选材可用低碳钢或锅炉钢板。
4.4 管道清灰装置
当水平管道过长时,应考虑管道清灰装置在管道附近有压缩空气气源时,可采用在水平管道末端设置喷吹管清除管内的积灰。
5 烟气冷却器的选择及设计
5.1 冷却器的选择
半封闭电炉和敞口电炉通常采用袋式除尘器净化。按过滤材质的要求,过滤前必须将烟气冷却,为了把烟气温度降低到250℃以下,需要借助冷却器来冷却烟气温度。
近年来,国内一般采用空气冷却的U型管式冷却方式来冷却电炉烟气,如西北铁合金厂12500kVA的硅铁电炉采用了U型管式冷却器降温。
5.2 U型管式空气冷却器的设计
U型管式空气冷却器是以高温烟气与冷空气通过自然辐射进行热交换,使烟气达到降温的一种冷却装置。该冷却器制作简单,操作维护方便,但耗费钢材较多。
(1)管式空气冷却器的排数根据烟气在管内的流速来决定;冷却管内烟气的平均流速一般选取范围是20~26m/s。集合管内烟气流速一般选取10~20m/s,低速为正常条件;高速为刺火条件;
(2)空气冷却器每根管的长度根据传热系数所决定的传热面积来确定;
(3)空气冷却器的高度由结构的稳定性确定;最佳高度以不高于17m为宜;
(4)冷却器的管径选取范围一般为500~1100mm,壁厚为5mm;
(5)设计空气冷却器的关键因素是正确确定其传热系数,由于影响传热系数的因素很多,如烟气的温度、比热、导热系数、管壁的
热阻、管壁尘垢的热阻、锈垢的热阻等,特别是管壁上尘垢和锈垢的热阻很难正确确定,因此应在理论计算的基础上,根据相似的设
备加以修正,一般传热系数波动范围是k=13.92~20.88W/m2·K。
(6)平行并列的冷却管束应将其中若干冷却管的出口处设计带有两位切断阀门的结构,其作用是保证在烟气量变化的情况下,冷却管内的烟气流速近于恒定,以防止冷却管内积灰而降低冷却效果;
(7)平行并列管在冷却器的进出口联箱上应错列式布置,有利于提高传热效率,又便于安装施焊;
(8)当冷却器处理的烟温为550℃时,冷却器应设计成两段式的。即高温段与低温段。高温段冷却管材料宜选用Corten钢,低温段冷却管材料可选用低碳钢。
6 袋式除尘器的设计
根据硅铁粉尘轻且细的特点,如果在风机前加一台预除尘器把粗颗粒粉尘分离出来,风机磨损问题可以解决。国外对硅铁电炉烟气的净化,一般采用压入式的袋式除尘器较多,而国内采用吸入式的袋式除尘器较多。
6.1 对于大型袋式除尘器的单元滤室的划分
经技术经济分析,认为单元滤室袋数一般为140~160条袋子为宜。这样可使除尘器结构轻巧耗钢量低,而且又保证了适宜的反吹风量,使袋式除尘器在清灰与非清灰气布比波动较小,稳定净化系统的运行,保护滤袋,延长其使用寿命。
6.2 袋式除尘器的清灰方式
目前在硅铁电炉烟气过滤中使用脉冲清灰过滤器的情况越来越多,北京铁合金厂两台6000kVA的硅锰电炉烟气净化均采用了大型低压脉冲清灰除尘器。其特点是:这种负压下运行的高气布比脉冲清灰过滤器,过滤面积比大气反吹布袋除尘器所需要的过滤面积要减少65~75%,占地面积少,投资省。
6.3 滤袋材质
袋滤式除尘器的工作特性除与除尘器的结构形式有关外,在很大程度上取决于滤布的性质。目前国外使用比较普遍的还是玻璃纤维,允许使用温度可达250~280℃,但玻璃纤维强度较低,允许滤速一般不超过0·5m/min,为了提高玻璃纤维的抗折性,一般要进行硅油和石墨处理,使用这种处理后的除尘布袋,加上合理的反吹制度,布袋的寿命可达5~6a之久。
近几年来,国内外开发了一种新型材料,即在玻璃纤维的基础体上,在内侧覆了一层微孔的聚四氟乙烯薄膜,国内已有厂家生产这种微孔薄膜覆合滤料,这是一种理想的过滤材料。它具有聚四氟乙烯所固有的性能,极佳的化学稳定性,表面极其光滑,摩擦系数低,耐高低温,耐酸耐碱性好,不会老化,长久耐用,而且这种滤料具有多微孔性,透气性和憎水性。它具有过滤效率高,运行阻力低,过滤速度大,适用范围广,运行费用低,使用寿命长等优点。
7 反吹制度
布袋的使用寿命除了取决于布袋材质外,反吹制度也有重大影响,对反吹的基本要求是保持除尘布袋在工作转为反吹,或由反吹转为工作时气流平稳,不要使布袋骤涨骤缩,以避免滤袋在状态转化时出现“阵发性”的变形,为达到保护除尘滤袋的目的,挪威埃肯公司的除尘器设计了主风阀和反吹阀以外还加了一个小型充气阀,即当清灰完毕,转入重新工作以前,当布袋还处于收缩状态时打开小型充气阀使袋内外压差为零,然后打开主风阀使布袋重新工作,这样使布袋在缩涨之间有了一个缓冲的时间,有利于延长布袋寿命。
8 阀门的设计与应用问题
负压反吹布袋除尘器中的三通换向阀替代了除尘器排风管道和反吹管道分别设有排风阀和反吹风阀,该阀门内设两阀板可分别关闭排风口和反吹风口。此阀整体密封性好,动作灵活可靠,在同一台除尘器中阀门可减少一半,也减少了控制点,降低了除尘器的成本。
9 主排烟风机控制
大型硅铁电炉的烟气净化系统,其主排烟风机的驱动电机容量是很大的,因此对主排烟风机的合理控制十分重要。一般对其主排烟风机控制与调节,可选用液力偶合器调节风机转速来实现风机经济的运行。
10 结束语
(1)提高收烟率与减小系统排烟量;
(2)提高收烟率与电炉操作检修;
(3)排烟方式与系统安全;
(4)净化工艺设计与厂房结构、车间布置;
(5)净化工艺设计与节能要求。