C412連續退火爐機組節能研究

上海交通大學 俞 峰

C412連續退火爐機組節能研究

上海交通大學 俞 峰

中國面臨著巨大的節能減排壓力。冶金行業是耗能大戶，眾多的加熱爐、退火爐是重點用能設備之一。C412連續退火爐是2005年投產的生產線，原設計已考慮了大量節能技術，但近年來隨著節能管理工作的持續改進，也遇到了瓶頸。通過本次研究，尋找進一步節能的突破點和節能新思路。

節能，輻射管，煙氣余熱，換熱，余能回收

0 前言

寶鋼新日鐵汽車板有限公司（以下簡稱公司）是上海市耗能重點單位，同時列入了全國節能低碳行動計劃千家企業和上海市碳交易試點企業，面臨著巨大的節能減排壓力。公司有4座退火爐，其中C412連續退火爐機組（以下簡稱C412機組）是其中最大的一座。國內外退火爐煙氣余熱利用改造目前正在如火如荼地開展。母公司新日鐵樣板鍍鋅機組通過蓄熱式燃燒改造，煤氣單耗下降了30%。另一家母公司寶鋼股份已有多條退火爐實施了節能改造，正在對同類機組進行推廣。由于各退火爐工藝、設備差異、燃料差異、場地布局差異等，煙氣余熱利用改造需要因地制宜，采取最合適的改造方案。C412連續退火爐是日本新日鐵制鐵公司設計的2005年投產的生產線，主體設備為國外引進，原設計已考慮了大量節能技術，但近年來隨著節能管理工作的持續改進，也遇到了瓶頸。通過本次研究，尋找進一步節能的突破點和節能新思路。節能措施主要分為技術節能和管理節能。技術節能需資金投入，而且改造存在風險，但是節能效果顯著；管理節能通過日常管理措施進行節能，需日積月累，持續改進。兩者缺一不可，只有這樣才能使節能量最大化。

1 退火爐節能綜述

節能主要是新能源的替代或傳統能源的節約。節能技術主要分為節電與節氣。節電技術主要包括提高功率因素、變頻改造、高效電機、高效泵與風機、潤滑耐磨添加劑以及機械密封等，有的技術是直接節電，有的是通過提高效率或減少浪費和損耗間接節電。節氣技術主要包括熱轉熱送、低溫煙氣余熱回收、蓄熱式燃燒、高效燒嘴、高效換熱器等。C412機組設計時已采用大量變頻電機，由于投產時間已有8年，因此計劃部分電機采用高效電機進行替換。其它一些節能技術近年來也不斷在應用實踐。由于C412機組現狀和本身特點，本文將節能技術聚焦在煙氣余熱回收技術上。

連續退火機組的加熱方式有直接加熱和和間接加熱。其中間接加熱常使用輻射管(Radiative Tube)通過輻射換熱來加熱。采用輻射管加熱的爐子與采用傳統直接加熱的爐子在煙氣余熱利用技術上有很大不同。目前針對采用輻射管加熱的系統，燃燒后高低溫廢氣余熱利用的不同的爐子專業廠家有不同的設計，各有優缺點，主要節能措施有下列幾個方面：

（1）每一個輻射管增設換熱器，通過換熱器高溫煙氣對助燃空氣進行預熱，加熱后的助燃空氣再與燃氣進行預混燃燒。

（2）集氣室后的煙氣風管增設循環換熱器，對爐膛內預熱段的氮氫氣體進行預熱。

（3）增設余熱回收蒸汽汽包，通過高溫煙氣余熱產生蒸汽。

（4）產生熱水或過熱水。冷軋工藝漂洗段通常需要熱水，而過熱水作為載能工質，可以將熱量帶到其它需要的用能點進行進一步換熱利用。

（5）預熱工藝吹掃用空氣，漂洗后的帶鋼需熱風進行干燥。

（6）預熱低燃燒值的燃料。

（7）用廢氣加熱爐輥，爐輥預熱帶鋼。

（8）蓄熱式燃燒，單向或雙向換熱。

（9）低溫熱源，用于生活供熱。

煙氣排放溫度除了與現有加熱爐原設計硬件設置有關外，與爐況、工況密切相關。因此，節能方向包括管理節能與改造節能兩大塊。一方面，隨著節能工作的不斷推進，退火爐管理趨向專業化、精細化管理。管理節能包括燃料結構優化、燃燒狀態動態監測與調整、生產工藝優化、爐窯專業化管理等。另一方面，由于近幾年不斷的挖掘節能管理潛力，可進一步改進的余地越來越小，難以滿足國家、企業的節能要求。只有通過節能技術應用，對現有設備裝置進行節能改造，才能取得顯著的節能效果。在低溫煙氣余熱利用技術研究方面，目前國內外開展了不少研究，研究熱點包括薄壁輻射管的研究、高效換熱器研究、蓄熱式燃燒技術應用研究等。近年來政府大力推廣合同能源管理，通過合同能源管理模式，冶金企業開展了不少節能項目，在軋鋼加熱爐區域主要包括增設煙氣余熱汽包回收蒸汽、煙氣預熱過熱水。另外，工業低溫煙氣余熱用于民用供熱也是一大亮點，在歐洲有效果顯著的示范項目，寶鋼也開展了類似移動供熱項目，世博會上已進行了展示。

2 退火爐技術節能應用研究

2.1 現狀調研

經統計，C412機組最終排煙溫度算術平均溫度為293.5℃，最高374℃，高負荷情況下廢氣風機冷風閥打開，進行冷風摻混。因此在大負荷情況下實際煙氣排放溫度大于400℃。煤氣流量與排煙溫度關系見圖1。

機組不僅有煙氣余熱利用的潛力，還可以通過降低煙氣溫度，減少或杜絕冷風稀釋，降低排煙風機負荷，起到節電的效果。

C412機組最終煙氣溫度偏高，節能潛力較大，但具有非穩態的特點。煙氣污染物均大大低于排放。對于煤氣輻射管燃燒過程中污染物排放的研究，國內外研究表明助燃空氣的溫度越高，NOx的生成量越大[1]。因此，可以考慮提高一定助燃空氣溫度，NOx可以確保在可控范圍內。通過目前煙氣余熱利用趨勢和應用實踐，研究重點聚焦在增設蒸汽回收汽包、加強型輻射管換熱器、蓄熱式燃燒改造三個方案。其中加強型輻射管換熱器、蓄熱式燃燒改造兩個方案都是提高助燃空氣溫度，可以直接節約燃氣消耗。而增設蒸汽回收汽包是產生蒸汽，減少機組本蒸汽消耗，多余蒸汽可以回供總管網。2.2 增設蒸汽回收汽包的研究

（1）載能工質的確定

確認煙氣余熱后，首先需確定回收的載能工質。就C412機組而言，包括保護氣體、空氣、熱水、蒸汽。原則上首先是機組本身需求。其次是考慮能源利用效率，必須減少換熱或轉換環節。機組目前熱水過剩，過剩熱水已排放至酸軋機組回用，而且正面臨減排壓力，因此基本不考慮。熱空氣機組只用于熱風干燥，因此也沒有進一步需求，也不考慮。

以外，在能源審計中也有建議采用導熱油，利用煙氣余熱對導熱油進行加熱，熱導油作為載能工質再輸送到需要熱源的用戶點。蒸汽是C412機組除電、煤氣外第三大能源消耗，占機組耗能總量的7%。綜上所述，選擇蒸汽作為載能工質是第一選擇。

（2）廢氣風機適應性研究

廢氣風機現有2臺，能力為2400m3/min× 4.9kPa。廢氣風機全部為德國進口設備，如果因為節能改造需要對風機或馬達進行改造，改造投入將大幅增加，對項目經濟性、回報年限影響較大。研究主要是分析C412機組最大煤氣流量下，風機運行功率是否低于風機額定功率。經過理論計算，改造后廢氣風機實際消耗功率小于未改造前的功率。因此可以利用，不需要對風機馬達進行擴容改造。

（3）換熱器選型研究

熱管作為高效傳熱元件之一，近年來在各類工程中有著極為廣泛的應用，并結合實際應用中遇到的問題，不斷予以改進。目前熱管換熱器的設備制造工藝、換熱技術都有了巨大改進，已成為一種成熟的傳熱方式。與其它傳統的換熱形式相比較而言，有較為顯著的優點。包括：

1）由于C412機組煙氣已經過多道換熱，煙氣溫度已較低。鑒于熱管傳熱的特點，更適合較小換熱溫差時使用。

2）穩定性好，故障風險小。即使熱管發生局部腐蝕或穿孔，也不會影響整套裝置的運行。

3）熱管特有形式有利于強化換熱，蒸汽產出率在其他參數不變時，最終取決于換熱效率，熱管在這方面具有優勢。

4）與普通換熱器比內在構成并不復雜，檢修維護難度不高。

（4）增設余熱回收汽包方案研究

方案研究主要包括：

1）原有三個換熱器是否保留；

2）是否考慮旁通，如增設旁通如何確保無擾動切換；

3）改造部分現場布置研究。

在原有PHF換熱器、熱風干燥換熱器、熱漂洗換熱器三級利用中，PHF余熱回收能力最大，而且涉及工藝，必須予以保留；熱風干燥也是工藝必須的，即使是拆除了現有的換熱器，也還是另設換熱器對冷空氣進行預熱，換熱環節越少越有利于能源利用率，因此也予以保留。

改造方案有兩個，方案一是直接在煙道管路上增設余熱回收裝置，即串聯形式；方案二是除了增設余熱回收裝置以外，考慮旁通回路，及并聯模式。綜合比較了改造影響范圍、改造風險性/故障處理投資和占地面積后，確定采用方案二。

2.3 蓄熱式燃燒改造研究

實踐與理論證明, 在連續加熱爐上蓄熱燃燒技術對提高爐子的熱利用效率并無實質性改進,某些情況下甚至比采用其他節能措施的常規加熱爐還要遜色, 其核心原因是蓄熱式加熱爐高風溫是利用爐膛內有效熱量換取的, 而常規爐余熱回收是利用排放煙氣中余熱[2]。

針對低熱值燃氣，在某些鍛造爐、加熱爐上，蓄熱燃燒技術還是有一定生命力的。但是蓄熱燃燒技術應用于冷壓延退火爐上還有諸多需改進的地方,這項技術的應用也是有條件和局限性的, 在不同條件下, 常規燃燒有更多的優越性。

對爐溫的要求主要來自于不同鋼種的退火溫度要求、鋼板厚度和機組速度。C412機組生產的厚度能力最大差異近5倍，鋼板寬度最大差異近2倍，不同鋼種小時產量最大差30%[3]。

作為連續退火爐，C412機組生產的品種規格較多，工況變化較大，因此對爐子升降溫速度有著較高的要求。機組速度變化較大，而且各個區的爐溫分布也較離散。蓄熱式燃燒由于高溫煙氣預熱與燃燒的切換，具有一定的溫度慣性。在蓄熱式燃燒過程中，為了達到所要求的熱工參數，需要根據蓄熱體的蓄熱能力來確定換向時間。在換向過程中，爐溫與時間的關系曲線波動較大[4]。

從C412機組速度變化和爐溫控制分布看，即使是正常運行時工況變化也較大；而且按照工藝技術規范，對退火曲線有嚴格的要求。退火溫度代碼共36個。雖然集批生產有利于發揮機組產品同時節約能源，但是由于合同限制和過渡料需要，鋼種變化較多，經統計在1小時內有5個退火溫度，1個鋼卷最短只要3分鐘不到。從蓄熱式燃燒特點看，在爐況控制精度高和溫度變化的加熱爐上使用有一定的局限性。

2.4 加強型輻射管換熱器研究

C412機組使用的每一組燒嘴都設有獨立的余熱器，利用輻射管尾部排出的高溫廢氣對燒嘴助燃空氣進行預熱，提高助燃空氣顯熱，降低煙氣溫度，提高燃料利用率。

強化換熱效果，提高預熱后的主空氣溫度，最終提高輻射管溫度，從而直接減少主煤氣的需求量。國內許多學者開展了輻射管性能研究、高效換熱器研究[5]。多種插入物強化傳熱國內外做了大量研究[6]。

強化換熱的一種方式是增加換熱面，即增加換熱器長度。但是由于受爐膛尺寸、現有輻射管結構、助燃空氣和廢氣的功率限制，只能有限的增加換熱器長度。

如圖2所示，輻射管內高溫煙氣通過對流換熱和輻射換熱，將熱量傳遞給換熱器外管壁，B至B'溫度遞減；常溫空氣進入換熱器外管，在炙熱的外管內壁面通過對流換熱和輻射換熱進行熱量傳遞，A'至A溫度遞增；在內管內管壁內空氣進一步進行對流換熱和輻射換熱，B與A溫度相等無換熱，C至C'溫度遞減。

研究中，更換了兩組加強型換熱器，與現有換熱器進行了對比測試。加強型換熱器從理論計算可以節約7%煤氣，但實際檢測結果表明：效果未達到。主要原因是由于各燒嘴煤氣流量分配細微差異掩蓋了預熱效果提升。由于C412機組有331個燒嘴，各爐區各燒嘴之間燃燒調整十分困難，如果大面積推廣使用后，燃燒調整和壓力平衡更加難以控制，理論節能量更加無法確保。

3 退火爐管理節能研究

工序能耗是C412機組的核心指標之一，經過持續改進，原有管理措施只能保持用能水平在基準水平上維持，滿足不了進一步節能的要求，只能通過研究尋找新的管理措施，挖掘新的節能增量。

3.1 退火爐主煤氣熱值研究

燃氣的品質對燃氣消耗至關重要，如使用低品質燃氣，為了提供足夠的熱量，需要更多體積的燃氣，實際煙氣量也大幅提升，煙氣損失總量也隨之增加。C412機組在與日本樣板機組對標時，同口徑燃氣單耗有明顯差距，其中一個因素樣板機組使用純焦爐煤氣，而C412機組使用由高爐煤氣和焦爐煤氣混合而成的混合煤氣，兩者熱值相差2.5倍。

如果燃料熱值增加或減小，廢氣量隨著減小或增加，單耗將減小或增加，其變化幅度見表1[7]。

3.2 燃料結構經濟性研究

C412機組燃料成本是所有能源成本中占第二位。C412機組燃料成本核算采用關聯交易價，結合市場化機制，近年來煤氣單價進行了多次調整。公司利潤是公司生產經營出發點與目的，節能工作也要兼顧經濟性，否則本末倒置，失去了節能工作的意義。從燃料結構經濟性分析，也是提高焦爐煤氣比例有利于降低能源成本；從降低燃料單耗分析，提高焦爐煤氣比例提高混合煤氣熱值有利于節能。兩者結論恰好一致，即提高焦爐煤氣比例。目前通過公司正常流程，對能源技術規程和煤氣崗位規程進行了修訂，將混合煤氣標準由7537kJ/Nm3調整為8200kJ/Nm3，以達到節約煤氣和降低燃料成本的目的。

3.3 提高機組產能、穩定產品質量的研究

評價加熱爐的能源消耗水平一般使用單位合格產品的能源使用量。C412機組能耗評價指標包括工序能耗、卷能耗。工序能耗是用機組使用的電、蒸汽、煤氣、氫氣、氮氣除以機組出口產量。卷能耗是統計每卷鋼卷使用的耗能量，主要用來分析鋼種、規格對能耗的影響。

C412機組出口產量與機組生產穩定性密切相關，與機組小時產量、成材率等指標強相關。見圖3。

圖3 小時產量與煤氣消耗關系

表1 燃料熱值變化對單耗的影響

3.4 工藝一貫制改進研究

在管理節能舉措中，工藝節能潛力巨大，如果從全工序、全流程工藝設計、產品設計出發，改進各工序產品質量控制要求，一定也能獲得可觀的節能效果。

工藝節能也是重要的節能措施。C412機組煤氣消耗其中一個重要取決因素就是工藝上的退火溫度。高溫退火雖然有利于某些產品性能特性，但是高溫對設備維護、生產運行也帶來一定的弊端，如：爐輥易結瘤，帶鋼易產生小黑點或麻點缺陷；高溫時薄料已瓢曲，嚴重時容易造成斷帶。如果在產品工藝設計上使用低溫退火工藝，不僅有利于設備維護及生產操作，更主要是能減少煤氣消耗。由于冷壓延工藝中，影響產品性能質量的不僅包括本工序工藝，還要受到前工序工藝及產品性能的影響，因此必須推進工藝一貫制改進。

對于低溫退火公司曾經取得過一定進展，但是由于是需要全工序一貫制管理，因此進一步推動有一定難度。但是，首先針對已取得的成績，不能放棄。由于C412機組產品規程繁多，產品設計時應一定程度上考慮節能的因素，根據用戶不同的需求，在產品設計時考慮不同的工藝規范，從而達到工藝節能的目的。同時，在開展產品拓展研究時，要兼顧能源的影響，貫徹節能環保理念，從工藝設計上達到節能的目的。

4 總結與展望

在技術節能方面，對節能方案可行性、節能量、風險性、經濟性綜合進行研究后，認為增設蒸汽汽包是最佳選擇，并對增設蒸汽汽包進一步開展了可行性研究，初步確定了改造方案。C412機組增設蒸汽汽包回收煙氣余熱已列為2013年公司技改項目實施推進，通過增設蒸汽汽包回收蒸汽，預計可回收蒸汽16000t，節約1700t標準煤，年經濟效益400萬元。項目實施后最終煙氣排放溫度可以降低到160℃。

管理節能方面對影響C412機組能源消耗水平和能源利用率的各個因素進行了系統研究。通過煤氣熱值及經濟性研究，明確了優化燃料結構的方向。優化燃料結構提高焦爐煤氣比例，不僅減少排煙損失，而且能降低能源成本，提高機組小時產量，目前已開展第一階段工作，節能效果顯著。通過對機組產能、成材率與能耗的相關性分析，量化了影響因素，為C412機組生產運行指明了節能方面。通過理論分析以及卷能耗數據分析，認為一貫制工藝改進管理節能潛力巨大，已經取得的成果需保持，并進一步推動工藝節能、操作節能。

此外，計劃在煙氣系統上增設殘氧量在線監測系統。由于考慮爐內保護氣體氣氛和顆粒度管理，保護氣體放散量有1600Nm3/h，溫度在500℃左右，這部分熱量尚未有效利用。同類機組也無成功利用經驗，下一步計劃通過科研或合同能源管理，尋求余熱利用途徑。

[1]Tanaka R New progress of energy saving technologytowardthe21thcentury:Frontierof combustion＆heattransfertechnology.In: Proceedings of 11 th Inernation flame Research Foundation(IFRF)MembeasConference,The Netherlands,1995.

[2]呂以清,蓄熱式燃燒技術在軋鋼連續加熱爐應用的合理性與適用性(上)[J].,工業爐,2007,(01)

[3]何劍鋒,1800CAPL培訓教材[R].

[4]徐華,高溫空氣燃燒技術的研究[D],北京工業大學,2002.

[5]涂衛國.輻射管加熱技術綜述[J],工業爐, 2007(05).

[6]錢頌文,朱冬生,李慶領等.管式換熱器強化傳熱技術[M].北京:化工工業出版社,2003.

[7]姜正候,郭文博,燃氣燃燒與應用.[M].北京:中國建筑出版社,1988:4-14.

2013徐匯區“斜土·索廣·南洋（初）杯”OM環保系列賽舉行

2013徐匯區“斜土·索廣·南洋（初）杯”OM環保系列賽于2013年12月1日在南洋中學舉行。本次系列賽共設三個比賽項目，“低碳行動”廢棄物模型設計與平面制作項目要求青少年以豐富的想象力和創造力對廢棄物進行巧妙藝術的創作，使之成為具有藝術觀賞性的作品。“綠色科技創新論壇”上，參賽隊伍通過演講和論文答辯環節將科技創新推向高潮，現場氣氛緊張而熱烈。通過該項活動使同學們能夠結合生活實際，牢固樹立低碳生活的責任意識，把自己的低碳理念傳遞給社區和家庭。

（區經信委）

The Application Research of Energy Saving on C412 Continous Annealing Furnace

Yu Feng

Chinafacesenormouspressureonenergysaving.Metallurgicalindustryis energy-hungry,many of the furnace,annealing is the key energy equipment.C412 continuous annealing furnace was put into operation in 2005,and the original design was considered a large number of energy-saving technologies.In recent years,with the continuous improvement of energy management,also encountered a bottleneck.Through this research,looking for further energy saving and energy-saving breakthrough new ideas.

energy conservation,radiative Tube,flue gas heat,heat exchanging，waste heat recovery

俞峰，男，本科，高級工程師，寶鋼新日鐵汽車板有限公司從事能源管理，現就讀于上海交通大學。