张劼
广西柳钢环保股份有限公司 广西柳州 545001
摘 要：本文介绍了一种利用焦炉烟气余热制备热水的工艺方案，通过利用原有的煤调湿烟道换热器，采用热媒软水/自来水表面式热交换工艺生产热水，可以有效降低投资成本，同时避免了在烟气换热过程中换热设备结垢的问题，在很大程度上提高了换热效率，具有良好的经济效益。
关键词：焦炉烟道废气；余热利用；热媒软水；表面式换热器；热水生产；
一、引言
焦炉烟气作为钢铁厂焦炉产物，不仅产生量大，更是一种良好高效的热源，可用于余热发电、热交换加热等，属于二次能源。柳钢焦炉烟道废气温度约为210℃，不加以利用直接处理排放会造成大量的烟气余热浪费。目前，广西柳州市热水市场需求量高，主要热水使用对象为医院、学校、酒店及部分生活小区，具有良好的市场前景和预估效益，由于热水生产成本低，可以通过热交换等方式利用烟气中的余热，若将烟气余热用于热水制备，可以生产大量热水。
二、热水制备工艺流程
目前柳州市热水市场的需求热水温度应在85～95℃之间，考虑设备简易型及产量等要求热水制备工艺可以选择热交换式，利用烟气余热加热自来水生产热水，考虑到利用自来水进行换热过程中换热器内部结垢、热交换效率及热水生产成本等因素，拟采用热媒软水/自来水表面式热交换工艺，其工艺流程如图2-1所示:
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图2-1热媒软水/自来水表面式热交换工艺流程简图
如图2-1所示，温度在210℃的焦炉烟气通过煤调湿换热器，与循环热媒软水（85℃）发生热交换，吸热后的热媒软水（150℃）通过保温管道输送至表面换热器与自来水（20℃）进行热交换，生产出温度在95℃左右的热水，进入到热水箱中储存。热水由保温配送车辆装车运输至各热水供需单位，而换热后的热媒软水经过少量的补充后循环至煤调湿换热器中进行循环使用。
热媒软水/自来水表面式热交换工艺具有以下优点：
①焦炉现场环境复杂，空间狭窄，利用焦化厂现有的废旧煤调湿设备，无需对焦炉烟道现场进行大规模改造，减少了烟气换热锅炉的投入支出，大大降低了投资费用；
②采用热媒软水作为换热介质与烟道废气进行热交换，有效解决了水介质结垢问题，降低了换热设备维护保养费用，提高运行时间和周期；
③通过煤调湿换热器的热媒软水温度达到150℃，热效率高，同时，采用同种介质进行热交换，可以很大程度避免热能损失。
三、设备选型
换热器设备是整个工艺的关键，其换热效率、运转率很大程度上影响着热水产量，目前柳钢焦化厂共有5座焦化炉，其中#2、#5配备煤调湿换热器设备，因此，选择#2、#5焦炉烟气作为余热制热水的热源，很大程度的节约了投资费用。为了保证热水供应的连续性，工艺设置了两套热媒软水/自来水换热系统共同使用，保证在一套检修的情况下另一套仍然可以有额定50%的热水生产能力，同时，为了减缓热媒软水/自来水换热器结垢的速度，可以在换热器之前设置一个自来水预热器，出口温度控制在50℃左右，该预热器可以离线检修，热水生产热力系统如图3-1所示：
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图3-1
（1）热媒软水/自来水换热器选择
换热器一般表面式（间壁式）水/水换热系数K=1000-2000W/ m2·℃，根据设计换热器热媒水进口150℃，出口85℃，自来水进口20℃，出口95℃，平均温差55℃，按照24h运作年产40万吨热水进行选择，热水生产量为45.6t/h，则：
换热面积M1=45.6×1000×（95-20）/1000/55=62m2，
参考市场上常用表面式换热器设备，可以选取2×50m2的换热器，换热效率在60%。
（2）预热器选择
自来水进口20℃，出口50℃，平均温差30℃，按照热水生产量45.6t/h，则：
换热面积M2=45.6×1000×（50-20）/1000/35=39m2
参考市场上预热器设备，可以选取1×50m2的预热器。
四、热力核算
根据煤调湿换热器设备性能考虑，可以优先利用#2、#5焦炉换热器生产热水，其中热媒软水/自来水表面式换热器热效率为60%，
根据资料，#2焦炉烟气量约120000m3/h，烟道煤调湿换热器外观尺寸为4000×3000×2500mm，与烟气呈逆流布置，换热器受热面积5790m2，由25×2.5mm蛇形钢管组成。换热器设计入口烟温值为210℃，出口烟温值为130℃，热媒循环软水入口水温约85℃，出口水温约150℃，煤调湿换热器换热效率为70%，热媒循环软水流量控制在35t/h。
( 1) 烟气放热量
Q y = V y × C × ( t1 － t2 ) =3.264×106Kcal/h
其中式中：
Q y——烟气放热量，K cal/h;
V y ——标准状况下烟气体积流量，120000 m3 /h;
C ——烟气定压比热容，按平均温度查烟气特性表取 0.34Kcal/( m3·℃ ) ;
ty1 ——换热器入口烟气温度，测量值 210 ℃ ;
ty2———换热器出口烟气温度，设计值 130 ℃。
(2)换热器换热量
煤调湿换热器：Q1=70%×Q y=2.2848×106Kcal/h
表面式换热器：Q2=60%×Q1=1.3708×106Kcal/h
(3)生产热媒软水量
G = Q1/( I c1 － I g1 ) = 34618kg /h
其中式中，G———生产热水量，kg /h;
I c1———热媒软水出水温度 150 ℃下的热焓，取151Kcal/kg;
I g1———热媒软水入水温度 85 ℃下的热焓，取85Kcal/kg。
(4)生产热水量
G = Q/( I cs － I gs ) = 18278kg /h
其中式中，G———生产热水量，kg /h;
I cs———出水温度 95 ℃下的热焓，取95Kcal/kg;
I gs———入水温度 20 ℃下的热焓，取20Kcal/kg。
因此，当煤调湿换热器换热效率在70%，表面式换热器换热效率取60％时，理论上可以生产热水约18.2t/h，按照年7000h计算可以生产127946t热水，#2、#5焦炉烟气余热制热水热力核算数据如表4-1所示：
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五、结束语
利用烟道废气余热制热水是一种常用的余热利用手段，钢铁行业在进行炼铁、焦化、炼钢等过程中，均会产生一定的热力放散，大部分热源会随着烟气排放、污水处理等设施流失，一方面造成环境影响，另一方面产生热力浪费的情况，根据目前柳钢焦化厂#2、#5焦炉烟气余热情况估算热水产量可达40万吨，若能进一步开发其余3座焦炉烟气余热，可以继续扩大热水产量，在保证热力充分利用的前提下产生可观的经济效益，具有很大的市场开发潜力。
参考文献
[1] 孙兰义.换热器工艺设计[M].北京：中国石化出版社有限公司.2015.3.1
[2] 李银河,王志成,张述明,王鑫国.利用高炉热风炉烟气余热生产热水实践[J]. 河北冶金，2012,02:81-82.
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