冶炼烟气制酸转化工序余热的回收再利用

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冶炼烟气制酸转化工序余热的回收再利用

某冶炼厂原有一系列、二系列制酸系统是利用冶炼工段的闪速炉和转炉烟气，经余热锅炉和电收尘，再经净化、转化和吸收工序进行制酸。烟气转化后的多余热量通过SO3冷却后排入大气，烟气中的余热不但没有回收加以利用，反而还消耗大量能源，既增加了生产成本，又浪费了能源。
另一方面，该企业原有的冶炼工艺过程需消耗大量的低压蒸汽，厂区的蒸汽90%由燃煤锅炉提供，在能源供应十分紧缺的今天，对低温烟气的余热回收及利用显得极为重要。
在众多形式的余热锅炉中，热管技术在低温烟气余热回收中的应用显示出其显著的特点和优势。
一、热管特点
1、热管简介及工作原理
热管是一种具有特高导热性能的新颖传热元件。热管起源于二十世纪六十年代的美国，1967年一根不锈钢——水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，热管理论一经提出就得到了各国科学家的高度重视，并展开了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。热管技术开始主要用于航天航空领域，我国自二十世纪70年代开始对热管进行研究，自80年代以来相继开发了热管气－气换热器、热管气－水换热器、热管余热锅炉、热管蒸汽发生器、热管热风炉等各类热管产品，使得热管在建材工业、冶金工业、化工及石油化工、动力工程、纺织工业、玻璃工业、电子电器工程等领域内得到广泛的应用。

图1 热管结构

热管结构如图1所示。由管壳、封头、吸液芯、工质等组成。管内有工质，工质被吸附在多孔的毛细吸液芯内，一般为气、液两相共存，并处于饱和状态。对应于某一个环境温度，管内有一个与之相应的饱和蒸汽压力。热管与外部热源相接触的一端，称为蒸发段；与被加热体相接触的一端，称为冷凝段。热管从外部热源吸热，蒸发段吸液芯中工质蒸发，局部空间的蒸汽压力升高，管子两端形成压差，蒸汽在压差作用下被驱送到冷凝段，其热量通过热管表面传输给被热体，热管内工质冷凝后又返回蒸发段，形成一个闭式循环，包括三个过程：
吸热段液相工质吸热蒸发；
被蒸发的工质在放热段放热冷凝；
冷凝的工质又返回吸热段再蒸发。
因热管的热力循环是在一个封闭的管内实现的，对外界环境而言，热管自高温热源处吸收热量，在低温段放出热量。热管仅是热量传输的工具，工质则是热量传输的载体，驱动工质循环的动力是管两端的温差。
2、热管的优点
1）超强的导热性：导热速度快、强度大、效率高，导热速度可达到音速。
2）良好的等温性：良好的等温性使热管在很小的温差下，传递很大的热通量，传热阻力小。
3）热流密度可变性：热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。
4）安全可靠性：不存在管内超压，不怕干烧。液体工质汽化后，热管的内压不随温度的变化而变化。
5）环境的适应性：不受环境的限制，热管可根据环境的需要而单独设计。
6）应用领域广。超导热管形状具有更大的灵活性，更广泛的应用领域，能适应各种恶劣的工作环境
3、热管系统的基本特点
1）热量从高温介质转移到低温介质，完全由热管元件完成，低温介质被间接加热。
2）系统中热管元件间相互独立，单根或数根热管失效不影响整个装置的运行。
3）由于热管的单向导热性，热量的传输只能由受热段传至放热段。
4）热管外壁采用高频焊翅片，强化传热，传热效率高，热侧阻力小，设备结构紧凑。
5）热量的传输过程不需要任何外界动力，运行管理简单。
6）热侧换热面积可调，可以在一定范围内调节换热管管壁温度，有效防止低温露点腐蚀。
二、热管余热锅炉（热管蒸发器）
热管式余热锅炉（热管蒸发器）是由若干组热管联箱同其外壳组装而成。其中每组热管联箱又由若干根热管组成的，为增大传热面积，其加热外表面一般都焊有若干片高频焊环形翅片，各热管之间彼此独立，构成各自独立封闭传热系统，其典型结构如图2所示。

图2 热管余热锅炉结构示意图（分体式）

由于上述结构的特点，使其具有以下优点：
1）热管由于外壁带有螺旋翅片，增加了传热面积，单根传热强度大（相对光管）；
2）工作介质玄幻是依靠地球重力和压差作用，无需外加动力，无机械运行部件，增加了设备的可靠性，也极大的减少了运行费用。
3）由于其冷、热两端热阻方便可调，便于控制管壁温度，从而有效地解决了设备的露点腐蚀。
4）根据工艺要求，可以进行顺、逆流混合布置，适应较宽的温度范围。
5）热交换系统由众多热管组装而成，各热管之间相互独立，一根或几根热管损坏或失效不影响整个系统的安全运行，只是余热锅炉整体效率会略有降低而已。
6）由于采用上升管、下降管连接汽包结构，使设备水侧能承受较高的压力范围。
7）外壳为钢板连续焊制，设有密封检查门，便于设备清灰。
三、热管余热锅炉（热管蒸发器）的应用
1、烟气参数
该企业原有制酸系统转化烟气参数见表1所示：

表1 制酸系统转化烟气参数

从表1可以看出来转化烟气具有以下特点：
1）烟气温度低；
2）几乎不含尘、不含水；
3）SO3浓度高；
4）烟气连续但波动量大；
5）烟气可利用的温差小。
2、热管余热锅炉参数
为了充分回收一系列、二系列制酸系统的中、低温烟气余热，共设置3台热管余热锅炉，取代原系统中的热交换器、SO3冷却器和SO3冷却风机，在满足制酸工艺要求的同时，利用烟气余热生产饱和蒸汽。
热管余热锅炉技术参数见表2。

表2 热管余热锅炉技术参数

四、改造后节能效益
自3台热管余热锅炉正式投运至今，均达到设计的额定产汽量，可产1.27MPa饱和蒸汽180000吨/年，，可节约标煤20300吨/年，同时可节约电耗1383000KW.h/年，相当于节约标煤526吨/年。
热管余热锅炉投产后可减少烟气排放量290×104Nm3/年，减少烟尘排放量868吨/年，减少SO2排放量303吨/年，在很大程度上减少了污染物的排放，改善了厂区环境。

内容来源：烟气余热利用