田曉杰
摘要:高爐鼓風(fēng)脫濕項(xiàng)目是國家十二五鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)推薦的節(jié)能減排項(xiàng)目,可以降低高爐鼓風(fēng)機(jī)的電耗,降低焦比,穩(wěn)定鐵水質(zhì)量,提高高爐產(chǎn)量。目前國內(nèi)常用的脫濕鼓風(fēng)技術(shù)是吸附式和冷凍式脫濕鼓風(fēng)技術(shù),并且多選用機(jī)前冷凍式脫濕技術(shù),脫濕器出口含濕量約為10g/Nm3。選用脫濕鼓風(fēng)技術(shù),會(huì)給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞:高爐,脫濕鼓風(fēng),冷凍式脫濕技術(shù)
一、概述
近年來,噴煤、富氧和脫濕鼓風(fēng)已成為高爐節(jié)能降耗的重要手段。高爐鼓風(fēng)脫濕項(xiàng)目是國家十二五鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)推薦的節(jié)能減排項(xiàng)目,而且鼓風(fēng)濕度對(duì)高爐爐況的穩(wěn)定,能耗降低等都有重要影響。在中國大部分地區(qū),夏季天氣炎熱,濕度很大,對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)增加脫濕裝置對(duì)高爐穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)焦和降低鼓風(fēng)機(jī)能耗等方面有顯著效果,給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
高爐鼓風(fēng)濕分從風(fēng)口吹入爐內(nèi),在風(fēng)口前的高溫區(qū)進(jìn)行分解,該過程是吸熱反應(yīng),消耗了該區(qū)域的熱量,相應(yīng)的降低了風(fēng)口前的溫度。脫濕鼓風(fēng)既可以減少水分分解吸熱、提高風(fēng)口前的理論燃燒溫度,又可以降低焦比。穩(wěn)定鐵水質(zhì)量,高爐脫濕鼓風(fēng)已經(jīng)成為降低高爐燃料比的重要措施之一。
隨著高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展,高爐鼓風(fēng)就其含濕量而言,經(jīng)歷了一個(gè)從自然濕度鼓風(fēng)到加濕鼓風(fēng)又發(fā)展到現(xiàn)在的脫濕鼓風(fēng)的過程,其目的都是為了穩(wěn)定濕分,解決鼓風(fēng)中濕分的波動(dòng)問題。從冶煉節(jié)約焦炭,提高噴煤量的角度來看,現(xiàn)代高爐應(yīng)廣泛采用脫濕鼓風(fēng)(摘自《高爐設(shè)計(jì)——煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐》)。
根據(jù)相關(guān)資料,采用脫濕鼓風(fēng)有以下好處:
(1) 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)經(jīng)除濕后風(fēng)溫降低密度增大,可以降低鼓風(fēng)機(jī)的電耗,其節(jié)電率在5~10%?;蛟陲L(fēng)機(jī)功率不變的情況下,鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加5~10﹪;
(2) 可以降低焦比,節(jié)省煉鐵燃料,鼓風(fēng)含濕量每減少1g/m3,可降低焦比0.8~1kg/噸鐵左右;
(3) 鼓風(fēng)含濕量每減少1g/m3,風(fēng)溫提高,可以多噴1.5-2.5kg/噸鐵的煤粉,置換焦炭。
(4) 因爐況穩(wěn)定和焦比下降以及風(fēng)量增加等因素,鼓風(fēng)含濕量每減少1g/m3,可以增產(chǎn)0.5%~1.0%,高爐平均增產(chǎn)0.5%~1.0%左右 ;
(5) 對(duì)空氣再次過濾,有效保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)的葉片不被磨損,延長鼓風(fēng)機(jī)使用壽命等。
目前,國內(nèi)外較多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)安裝了高爐脫濕鼓風(fēng)裝置,比如寶鋼、武鋼、漣鋼、南鋼、寧波鋼鐵、萊鋼等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息以及對(duì)部分項(xiàng)目的回訪,該系統(tǒng)基本能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。
4、鼓風(fēng)濕分對(duì)高爐的影響
根據(jù)《高爐煉鐵工藝及計(jì)算》(成蘭伯著),鼓風(fēng)所帶入的濕分在風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生如下分解吸熱反應(yīng)。
H2O →H2 + 1/2 O2 ? -10.80MJ/m3H2O
上式中反應(yīng)消耗了風(fēng)口回旋區(qū)的熱量,使燃燒溫度降低,并導(dǎo)致焦比的升高。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,含濕量每增加1g/m3,理論燃燒溫度降低6.3 ℃(新日鐵經(jīng)驗(yàn)值)、7.6 ℃( 首鋼經(jīng)驗(yàn)值) ,焦比增加1kg/噸 。
濕分的分解吸熱可以通過風(fēng)溫得到補(bǔ)償。計(jì)算結(jié)果表明,鼓風(fēng)濕分增加1g/m3,分解吸熱相當(dāng)于降低9℃風(fēng)溫。但考慮到分解產(chǎn)生的H2在爐內(nèi)參加還原反應(yīng)又放出相當(dāng)于3℃風(fēng)溫的熱量,所以一般考慮補(bǔ)償6℃風(fēng)溫。鼓風(fēng)濕分對(duì)噴煤的影響也是很明顯的。因?yàn)闈穹衷斐娠L(fēng)口燃燒溫度降低,直接影響煤粉的燃燒,從而限制了噴煤量的提高。僅從保持理論燃燒溫度不變的角度考慮,根據(jù)新日鐵首鋼的經(jīng)驗(yàn)公式,濕分每增加1g/m3,煤比要降低2.23kg/噸。
Tt= 1524 + 0.84×Tf+ 60×Fo-2.7×W – 6.03×M
式中:W ——煤比,kg/噸;
M ——鼓風(fēng)濕分,g/m3。
綜上所述,高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)符合國家的節(jié)能產(chǎn)業(yè)政策、國家科學(xué)技術(shù)部提倡政策、生產(chǎn)力布局要求;項(xiàng)目節(jié)能效果明顯、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益巨大。
三、主要的脫濕方法
高爐鼓風(fēng)除濕的方法主要有兩種,既吸附法和冷卻法。
(一)吸附法:
以氯化鋰作吸附劑,即以氯化鋰與濕空氣充分接觸,吸附劑即可吸收空氣中的水份,隨后對(duì)吸附劑加熱脫水再聲,并以此循環(huán)連續(xù)使用,即吸附法。
以固態(tài)氯化鋰作吸附劑是稱為干式吸附法。
以液態(tài)氯化鋰作吸附劑是稱為濕式吸附法。
吸附法雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單,但是氯化鋰消耗量大,同時(shí)氯化鋰再生是耗電量大,氯化鋰本身又具有強(qiáng)烈的腐蝕性,對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求高,霧狀的氯化鋰有一部分會(huì)隨空氣一同被吸入高爐鼓風(fēng)機(jī),對(duì)高爐風(fēng)機(jī)的通流部分產(chǎn)生腐蝕,所以,吸附法很少被采用。
(二)冷凍法:
將濕空氣通過冷卻器冷卻,使空氣濕度降低到空氣壓力及所含濕量而相對(duì)應(yīng)的飽和溫度下,即將空氣中的水分凝結(jié)而析出,即冷凍除濕法。
冷凍除濕法又分為:機(jī)前冷凍除濕和機(jī)后冷凍除濕。即脫濕器設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè),就是機(jī)前冷凍除濕;脫濕器設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)側(cè),就是機(jī)后冷凍除濕。
高爐鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過加壓后,壓力一般在0.3~0.6MPa之間,溫度一般在160~300℃之間,在機(jī)后脫濕的換熱量大,脫濕器需要的換熱面積和冷卻水量大,設(shè)備投資費(fèi)用大,能耗高,并且空氣經(jīng)過需要降低30~40℃才能脫去空氣中的水分,進(jìn)入熱風(fēng)爐的風(fēng)溫就降低了30~40℃,影響高爐產(chǎn)量,所以機(jī)后脫濕也是不經(jīng)濟(jì)的。
四、關(guān)于脫濕器出口含濕量的選擇
目前國內(nèi)以寶鋼高爐為首的20幾座高爐采用了鼓風(fēng)機(jī)機(jī)前冷凍脫濕設(shè)備。脫濕器出口溫度毫無例外的均采用10℃(含濕量10g/Nm3)。寶鋼和日本的高爐脫濕鼓風(fēng),濕度均控制在8~12g/Nm3。原因如下:
1 高爐脫濕鼓風(fēng)是與高爐噴吹煤粉(以前曾噴重油)緊密聯(lián)系在一起。假如高爐不噴吹,全焦冶鐵,非但不能脫濕反而要加濕?,F(xiàn)在的高爐基本上均噴煤粉,脫濕與否以及脫多少完全由高爐爐況所決定,而絕對(duì)不能由脫濕設(shè)備自行決定。
2 高爐采用脫濕鼓風(fēng)的首要目的是穩(wěn)定鼓風(fēng)濕度,而并不要求鼓風(fēng)濕度越低越好。現(xiàn)代高爐煉鐵,特別是大型高爐爐況的穩(wěn)定極為重要。為此,入爐固定原料品質(zhì)的穩(wěn)定,建大型原料場(chǎng)及混勻設(shè)備花了很大的代價(jià)。鼓風(fēng)濕度的穩(wěn)定,以前被人們所忽略,但現(xiàn)在漸漸意識(shí)到穩(wěn)定鼓風(fēng)濕度可以花較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)濕度穩(wěn)定,對(duì)高爐冶煉十分有利,穩(wěn)定濕度是首要目標(biāo)。上世紀(jì)七十年代能源危機(jī)后出現(xiàn)的脫濕鼓風(fēng)正是在節(jié)能的條件下解決鼓風(fēng)濕度穩(wěn)定的有效新技術(shù)。
3 上世紀(jì)五、六十年代,以前蘇聯(lián)為首在高爐上采用了“加濕鼓風(fēng)”。通過加濕手段以達(dá)到穩(wěn)定高爐鼓風(fēng)的目的。當(dāng)時(shí)加濕鼓風(fēng)確實(shí)有效地穩(wěn)定了爐況增加了高爐的產(chǎn)量。加濕鼓風(fēng)對(duì)高爐帶來的好處是以多消耗能源為代價(jià)的,當(dāng)時(shí)焦碳便宜,這一技術(shù)也是可行的,國內(nèi)不少高爐也在用“加濕鼓風(fēng)”技術(shù)。七十年代能源危機(jī)爆發(fā)焦碳價(jià)猛漲,加濕鼓風(fēng)逐漸被脫濕鼓風(fēng)所取代。因此,不管是加濕鼓風(fēng)還是脫濕鼓風(fēng)均是以穩(wěn)定鼓風(fēng)含濕量為首要目的。
4 鼓風(fēng)濕度過低,將會(huì)引起高爐爐溫過高。如果高爐爐溫過高,在高爐側(cè)位往往是在風(fēng)中加濕(噴蒸汽)解決。所以鼓風(fēng)站脫濕過多,脫濕裝置的能耗將大幅度增加,反而造成能源浪費(fèi)。鼓風(fēng)溫度從10℃再降到4℃即對(duì)應(yīng)的鼓風(fēng)含濕量從10g/Nm3降到6.47g/Nm3,高爐的高效生產(chǎn)對(duì)濕度降到如此之低沒有要求,但脫濕系統(tǒng)會(huì)因此變復(fù)雜化。
5 寶鋼的高爐脫濕鼓風(fēng)從1985年9月投產(chǎn)到現(xiàn)在已經(jīng)24年,據(jù)了解,寶鋼的經(jīng)驗(yàn)只要求鼓風(fēng)濕度8~12g/Nm3就滿足高爐要求,而只是對(duì)鼓風(fēng)濕度波動(dòng)有嚴(yán)格要求(≤0.5g/Nm3)。同時(shí),鼓風(fēng)溫度從10℃繼續(xù)降到4℃,采用常規(guī)電制冷溴化鋰吸收式制冷機(jī)組是達(dá)不到的。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組最低出水溫度只能達(dá)到6℃,若要使空氣冷到4℃,必須另加螺桿或離心冷水機(jī)組,并且,空氣濕度從10℃降到4℃脫出濕份并不多。
綜上所述,脫濕脫到6.47g/Nm3綜合效益并不高。而且使系統(tǒng)變得復(fù)雜、設(shè)備增加,額外增加寶貴電能、增加“碳排放量”,甚至可能威脅風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。而且從日照氣象條件來看,若脫至6g/Nm3,脫濕裝置運(yùn)行時(shí)間也只增加五月這一個(gè)月。運(yùn)行時(shí)間增加有限,對(duì)整體經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)并不明顯。
故綜合考慮,選擇脫濕器出口含濕量選擇為最常見的10g/Nm3。
五、關(guān)于脫濕技術(shù)及方案的選擇
空氣的脫濕過程可以在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)行,也可以在鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)側(cè)進(jìn)行,即所謂的機(jī)前脫濕及機(jī)后脫濕。目前,機(jī)前冷凍除濕比較常用,原因如下:
1.鼓風(fēng)機(jī)節(jié)電:如果是機(jī)前脫濕,空氣密度增大,而且進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣中水蒸氣減少,在保持氧含量不變的情況下,風(fēng)機(jī)干空氣質(zhì)量流量、體積流量下降,可減少鼓風(fēng)機(jī)軸功率,從而節(jié)約鼓風(fēng)機(jī)電耗6~10%。
2.設(shè)備投資:目前,國內(nèi)的鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)出口的高壓高溫(0.3~0.6 MPa,溫度約180~280 ℃),選則機(jī)后脫濕,脫濕設(shè)備的承壓高,設(shè)備耐溫高,脫濕設(shè)備的設(shè)備投資高。
所以,目前國內(nèi)脫濕成熟的技術(shù)都是機(jī)前脫濕
脫濕方法:比較常用的有吸附式除濕技術(shù)和冷凍式脫濕技術(shù)。
吸附式除濕技術(shù)中,常用的是用氯化鋰做為吸附劑,吸附劑與濕空氣充分接觸,吸附劑吸收空氣的水分,再通過加熱吸附劑,讓吸附劑脫水再生,循環(huán)連續(xù)使用。吸附法對(duì)氯化鋰的消耗量大,同時(shí)氯化鋰具有較強(qiáng)的腐蝕性,所以對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求高,尤其是霧狀的氯化鋰隨空氣進(jìn)入高爐鼓風(fēng)機(jī)后,會(huì)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的流通部分產(chǎn)生腐蝕,所以吸附式的脫濕技術(shù)用的非常少,目前國內(nèi)成熟的技術(shù)還是冷凍式除濕技術(shù)。
冷凍式除濕系統(tǒng)的主要除濕設(shè)備就是冷凍機(jī),該工藝系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單,除濕能力大,可使?jié)窨諝獾暮瑵窳拷档?0g/Nm3。
目前,技術(shù)非常成熟的、國內(nèi)外已有多套運(yùn)行的高爐脫濕鼓風(fēng)裝置主要有電制冷脫濕以及蒸汽制冷脫濕兩種類型。
電制冷脫濕方案:主要流程是通過電制冷機(jī)組制取冷凍水,以供脫濕換熱器降低高爐鼓風(fēng)機(jī)吸入空氣的溫度,從而降低空氣含濕量。無冷水系統(tǒng)。電制冷脫濕方案的優(yōu)點(diǎn):相對(duì)于蒸汽制冷脫濕方案而言系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行效率高。缺點(diǎn):耗電較大,運(yùn)行成本高??諝庀到y(tǒng)流程:外界大氣進(jìn)入過濾器,出去灰塵后進(jìn)入脫濕器,高溫高濕空氣在脫濕換熱裝置內(nèi)進(jìn)行熱交換,降溫脫濕后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī),進(jìn)鼓風(fēng)機(jī)升壓后進(jìn)入熱風(fēng)爐、高爐。冷卻水系統(tǒng)流程:冷卻水由循環(huán)水泵房送至制冷機(jī)冷凝器側(cè),在冷凝器內(nèi)進(jìn)行熱交換后升溫再回到水泵房,經(jīng)水泵房冷卻塔降溫后循環(huán)使用。
蒸汽制冷脫濕方案:主要是是以低壓蒸汽為驅(qū)動(dòng)源,采用溴化鋰制冷機(jī)組制取冷凍水水。蒸汽制冷方案優(yōu)點(diǎn):運(yùn)行成本低,缺點(diǎn)是系統(tǒng)及維護(hù)較復(fù)雜。蒸汽制冷脫濕的空氣系統(tǒng)流程:同電制冷脫濕方案。冷水系統(tǒng)流程:從溴化鋰制冷機(jī)蒸發(fā)器側(cè)出來的溫度較低的冷卻水進(jìn)入脫濕換熱裝置與空氣進(jìn)行熱交換,空氣被低溫(約7℃)的冷水冷卻、降溫并脫去部分水份,冷卻水升溫(約12℃)后由冷卻水泵送回制冷機(jī)內(nèi),循環(huán)使用。冷卻水系統(tǒng)流程:冷卻水由循環(huán)水泵房送至制冷機(jī)冷凝器側(cè),在冷凝器內(nèi)進(jìn)行熱交換后升溫再回到水泵房,經(jīng)水泵房冷卻塔降溫后循環(huán)使用。
目前,脫濕技術(shù)非常成熟,常用方案有電制冷方案和蒸汽溴化鋰制冷方案,我們對(duì)兩種制冷方案做出如下對(duì)比,具體請(qǐng)見方案分析對(duì)比表,以2500m3高爐為例的兩方案均具有較好的盈利性。
序號(hào)方案
項(xiàng)目方案1方案21方案名稱電制冷直接冷卻蒸汽制冷間接冷卻方案配置及能介消耗2系統(tǒng)特點(diǎn)制冷劑R134a直接在蒸發(fā)器中冷卻空氣除濕,無冷水系統(tǒng),效率高,系統(tǒng)簡(jiǎn)單。蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)組制出冷水,冷水再送至表面換熱器中冷卻空氣除濕,
效率較高,系統(tǒng)稍復(fù)雜。3技術(shù)比較技術(shù)先進(jìn),設(shè)計(jì)合理,效率高在有余熱蒸汽可利用的場(chǎng)合下,
能源利用合理、運(yùn)行費(fèi)用省4設(shè)備占地略小略大,因增加了一套蒸汽系統(tǒng)5主要設(shè)備
配置鋁合金板翅式換熱器1套
制冷壓縮冷凝機(jī)組3×150萬kcal/h鋁合金板翅式換熱器1套
制冷壓縮冷凝機(jī)組2×220萬kcal/h6蒸汽耗量010000kg/h7電耗量~1200 kW300 kW8循環(huán)冷卻水耗量1200 m3/h1300 m3/h投資概(估)算9建筑工程費(fèi)~200萬元~200萬元10設(shè)備費(fèi)~1800萬元~2000萬元11安裝工程費(fèi)~250萬元~250萬元12工程建設(shè)及預(yù)備費(fèi)~300萬元~300萬元合計(jì)工程總靜態(tài)投資~2550萬元~2750萬元經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算節(jié)電降低鼓風(fēng)機(jī)軸功率1728kW×24h×30天×5月=622萬KW.h/年1728kW×24h×30天×5月=622萬KW.h/年脫濕系統(tǒng)耗電1200kW×24h×30天×5月=432萬KW.h/年300kW×24h×30天×5月=108萬KW.h/年綜合節(jié)約電耗622KW.h-432KW.h=190萬KW.h/年622KW.h-108KW.h=514萬KW.h/年年節(jié)電費(fèi)用190萬kw.h×0.72元/KW.h =136.8萬元514萬kw.h×0.72元/KW.h=370.8萬元節(jié)焦年減少焦炭耗量8g×0.6kg/t×2580m3×2.3×30天×5月=0.427萬噸/年8g×0.6kg/t×2580 m3×2.3×30天×5月=0.427萬噸/年年節(jié)焦效益0.427×2000元/t =854萬元0.427×2000元/t =854萬元耗蒸汽費(fèi)用021600t×120元/t =259.2萬元投資回收期估算2550/(854+136.8)=2.574年2750/(370.08+854-259.2)=2.85年
參考文獻(xiàn)
[1]陳道海,顧厚淳。鼓風(fēng)脫濕與高爐穩(wěn)定運(yùn)行[J].冶金動(dòng)力,2008,第1期,總第125期
[2]卜玉榮,姚玉明。高效節(jié)能型脫濕器用于高爐脫濕鼓風(fēng)前景分析[J].冶金動(dòng)力,2005,第6期,總第112期
[3]王筱留。高爐煉鐵的脫濕鼓風(fēng)[J].冶金動(dòng)力,2004,第1期,總第101期
[4]候惠剛。高爐脫濕鼓風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用分析[J].山西建筑,2003,3:第29卷,第3期
[5]楊東偉,郁鴻凌,管晨希,肖博鈞。高爐鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)的冷能分析及有效利用[J]上海理工大學(xué)學(xué)報(bào).2012,第34卷,第6期.
[6]王業(yè)飛。脫濕鼓風(fēng)在8號(hào)高爐的應(yīng)用 [J].南鋼科技與管理,2013第3期
[7]王珂,劉匯遠(yuǎn)。高爐鼓風(fēng)機(jī)機(jī)后脫濕工藝探討[J].冶金動(dòng)力,2012,第3期,總第151期
[8]胡志勇。高爐鼓風(fēng)機(jī)前脫濕技術(shù)[J].冶金動(dòng)力,2013,第7期,總第161期