【原创】焦炉烟气余热回收烟风系统分析
2022-09-22 14:39:00
【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。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。
1工程概述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。焦炉的生产情况见表1。1.1系统流程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、余热燃烧器定制、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燃烧器定制，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，依次进入燃烧器定制水预热器、锅筒和燃烧器定制蒸发器，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。1.2主要设备参数焦炉烟气余热回收系统主要设备是余热燃烧器定制和引风机，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，选用的余热燃烧器定制的参数见表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℃。2烟风流路分析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燃烧器定制、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→余热燃烧器定制→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；②全部烟气都被抽出地面，然后被排入烟囱；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，可以列出以下方程组：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！3实际运行情况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，进入燃烧器定制烟气量基本无变化，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燃烧器定制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，燃烧器定制蒸汽产量达到最大，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。4结束语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：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
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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。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。
1工程概述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。焦炉的生产情况见表1。1.1系统流程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、余热燃烧器定制、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燃烧器定制，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，依次进入燃烧器定制水预热器、锅筒和燃烧器定制蒸发器，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。1.2主要设备参数焦炉烟气余热回收系统主要设备是余热燃烧器定制和引风机，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，选用的余热燃烧器定制的参数见表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℃。2烟风流路分析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燃烧器定制、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→余热燃烧器定制→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；②全部烟气都被抽出地面，然后被排入烟囱；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，可以列出以下方程组：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！3实际运行情况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，进入燃烧器定制烟气量基本无变化，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燃烧器定制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，燃烧器定制蒸汽产量达到最大，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。4结束语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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