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【原创】焦炉烟气余热回收烟风系统分析 作者：徐正 曾阳 （辽宁盛焓工程技术有限公司） 袁本雄 胡中平 汪银 邵胜平 （铜陵泰富特种材料有限公司） 摘 要 增设焦炉烟气余热回收系统后，烟气流程为既有串联又有并联的复杂开路系统。研究该系统的特点，通过理论计算和工程实例分析，优化余热回收系统设备选取，取消主烟道插板，消除余热回收系统对焦炉安全生产的隐患。
关键词 串联 并联 开路系统 主烟道
焦炉烟气余热回收国内较为普遍的是焦炉节能方式[1]。在目前已经实施的焦炉烟气余热回收项目中，均在取烟口和烟囱之间的主烟道上设有切断阀（以插板形式为主），用于将主烟道和烟囱隔开。但是主烟道切断阀有时会引起安全生产事故，因此如何能使余热回收系统不影响焦炉正常排烟、生产，是决定余热回收系统实际运行效果的重要因素。
某企业焦炉是两座并联的4.3m捣固焦炉，采用焦炉煤气为燃料，燃烧产生的烟气经过各自的主烟道进入共用的烟囱排出，排烟温度约270～290℃，烟气显热占焦炉总热支出约17%，能源浪费比较大。因此该企业于2017年投资建设了焦炉烟气余热回收系统，利用焦炉烟气余热生产低压饱和蒸汽，并入公司的蒸汽管网为化产工序提供热源。 焦炉烟气余热系统包括取烟口、取烟翻板阀、焦炉总烟道插板阀、取烟道、余热锅炉、 风机、回烟道、回烟翻板阀、旁通烟道及翻板阀等部分。整个系统布置在焦炉烟囱附近的空地上，便于取烟和回烟。2座焦炉的总烟道上分别开口，将烟气从地下烟道引出，经过各自的取烟翻板阀、取烟道汇总进入余热锅炉，经过放热后温度降低至170℃左右，被风机送入回烟道，经过回烟翻板阀进入烟囱。给水利用干熄焦除氧水，经过减压阀后，依次进入锅炉水预热器、锅筒和锅炉蒸发器，变成汽水混合物，重新进入锅筒进行汽水分离，然后通过管道经干熄焦控制室屋顶进入厂区蒸汽管网。系统流程如图1所示。 焦炉烟气余热回收系统主要设备是余热锅炉和引风机，焦炉烟气量对这两个主要设备都是最重要的参数。取焦炉烟气产量为136000Nm3/h，温度为280℃。在此条件条件下，选用的余热锅炉的参数见表2，选用的引风机型号为Y4-73 11№22D，额定流量140000Nm3/h，额定压头3500Pa，额定转速960rpm，工作温度150℃。 焦炉烟气余热回收系统将烟气从地下烟道抽出，然后在地面烟道上汇总进入余热锅炉、风机，再经过回风烟道送入烟囱检修孔进入烟囱，焦炉原主烟道保持不变，仅仅增设一个插板阀。这样，焦炉、焦炉主烟道、余热回收烟道、烟囱就构成了两端开源中间有串联也有并联的复杂流路，如图2所示。 当主烟道增设的插板完全关闭时，烟气只有地上烟道→余热锅炉→风机→烟囱这一条通道，风机的压头和流量足够大就能将烟气全部排出，否则焦炉就要降低热负荷或者停止加热。当主烟道增设的插板不完全关闭或者完全打开时，随着风机转速的变化，烟气在这个流路中流动的分布也会变化，基本上会形成三种状态： ①一部分烟气被抽出地面，同时剩余的烟气继续在主烟道中流动，最终两股烟气在烟囱中汇合； ③除了全部烟气被抽出地面外，同时还有一部分烟气在主烟道中倒流，也被抽出地面，然后一起被排入烟囱。这个流动规律就是文章主要讨论的问题。 首先要了解串并联流路的特点。流体串并联流路的特点，与电路串并联特点类似，具体说就是：串联流路各点流量相同，总阻力损失等于各阻力损失之和；并联流路各支路阻力损失相等，总流量等于各支路流量之和。设P1为1处的总压强（焦炉总烟道吸力，数值为负），ξ余热是余热回收支路的综合阻力系数，ξ主是主烟道支路的综合阻力系数（插板全部放下后其值是无穷大，插板全部提起后其值接近0），V烟是烟气总流量，V余热是余热回收支路的烟气流量，V主是主烟道支路的烟气流量（可能为正，可能为负，从焦炉向烟囱方向流动为正），ρ主是主烟道支路烟气平均密度，ρ余热是余热回收支路烟气平均密度，υ主是主烟道支路烟气平均流速，υ余热是余热回收支路烟气平均流速。那么根据串并联流路的特点， 在方程组中，V主、V余热、P1为待求参数，υ主、υ余热可通过V主和V余热求得，V总、ρ主、ρ余热、ζ主、ζ余热、P风机为已知参数。
烟气余热系统正常运行各参数为：环境温度10℃，总烟道烟气平均温度270℃，焦炉烟气量136000Nm3/h，ξ余热12.66，总烟道翻板开启角度72°，回风进烟囱温度168℃。当风机频率分别为20、40、50Hz时，调整插板插下深度（焦炉烟道净高3000mm，插板插下深度用相对插入深度表示，即实际插入深度与烟道净高度的百分比值），各待求参数计算结果见表3、表4和表5。 ​表3的计算结果说明：当风机的抽力和风量都不足时，插板相对插入深度不到50%以前抽出的烟气量和总烟道上的负压变化不大，焦炉可以正常生产；插板插下深度超过50%后虽然抽出烟气量会增加，但是总烟道负压会急剧减少，直到变成正压，这种情况会使焦炉无法补充空气而导致灭火。 表4的计算结果表明，当风机的抽力和风量正好匹配的时，无论相对插入深度如何变化，抽出的烟气量和总烟道负压都基本不变，也就是说有无插板都能抽出全部烟气且不影响焦炉正常生产。 表5的计算结果表明，当风机的抽力和风量都很大时，主烟道上会发生烟气的倒流，当相对插入深度小于50%时，主烟道上倒流的烟气量基本不变，负压也基本不变；当插板相对插入深度超过50%时，倒流烟气量会减少直至为0，同时主烟道负压会快速增加，焦炉容易串漏，影响正常生产。 综上所述，当插板相对插入深度不超50%时，插板对焦炉正常生产基本没有影响，只是抽出的烟气量会发生变化；但是插板插下深度超过50%时，如果风机的风量和风压不匹配，会对焦炉生产造成严重影响，甚至会导致焦炉停产！焦炉主烟道插板阀是大型阀门，开关都需要比较长的时间，当发生故障或者风机跳停或者全厂停电时，完全关闭的插板阀就成为了极大的焦炉安全事故隐患！ 2017年9月25日，总烟道翻板开度约54°左右，提高风机频率至20、30、40和49Hz，余热支路烟气量由46000Nm3/h提高到144000Nm3/h；烟气入口温度约260℃，蒸汽产量从3.8t/h提高到8t/h；蒸汽压力从0.56MPa提高到0.7MPa；焦炉总烟道负压的读数从-450Pa逐步降低到-380Pa。在提高风机频率的同时，还依次将插板向下插入0.5m、1m、1.5m、2m，对应的相对插入深度为16.7%、33%、50%、67%。插板放下过程中，进入锅炉烟气量基本无变化，焦炉烟道吸力与不放插板相比也基本无变化。2017年10月16日，将总烟道翻板开度增加到72°时，总烟道负压增加到约-580Pa左右。调试过程中无法测量焦炉总烟道的烟气流量和流动方向，但是当风机频率持续增加而锅炉蒸汽产量不随之增加的时候，可以判断焦炉烟气已经提供了全部的热量，被全部被抽出，并开始倒流。现场实测风机频率40Hz左右，锅炉蒸汽产量达到最大，再提高风机频率蒸汽产量也保持在该值不增加。正式投产后，该系统的插板阀一直处于完全开启状态，保证蒸汽产量的同时，焦炉生产一直不受影响。在2018年发生了2次风机跳停，2019年因上烟气脱硫脱硝系统而多次停机开机，均未影响焦炉正常生产。 通过文章前面的论述与实践，笔者认为只要风机的风量和压头足够大，那么就可以取消插板阀的设计，既能保证抽出全部烟气，又消除了影响焦炉生产安全的危险因素，唯一不足是增大风机耗电量和烟气处理量，然而与焦炉安全生产相比这些不足的地方是完全可以接受的。
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作者联系方式
作者：徐正（1971，高级工程师，大学本科）
单位：辽宁盛焓工程技术有限公司
地址：辽宁省鞍山市千山区通海大道407号
手机：13904129855
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发表于 2020-4-1 11:55:14
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