鋼鐵行業高溫煙氣余熱利用的研究與實踐

彭起

（中冶南方工程技術有限公司冷軋事業部，湖北武漢430223）

熱電

鋼鐵行業高溫煙氣余熱利用的研究與實踐

彭起

（中冶南方工程技術有限公司冷軋事業部，湖北武漢430223）

介紹某鋼鐵廠硅鋼連續退火生產線中高溫煙氣余熱利用系統，將冷軋生產線工業爐產生的廢氣余熱用于帶鋼干燥過程，減少了高溫煙氣排放，同時節約了蒸汽等能源耗量。詳細分析了該系統設備選型及運行參數選擇方法，并結合實際介紹了該系統在運行控制及操作維護等方面的經驗和技巧。

鋼鐵；節能；高溫煙氣；余熱利用；高溫水

1 引言

冶金企業從原料、燒結到煉鐵、煉鋼以及軋鋼的生產過程中產生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣，同時在各工序之間存在著含有可利用能量的中間產品和成品。充分回收和利用這些能量，是企業現代化程度的標志之一[1]。本文將介紹某鋼鐵廠軋鋼生產中工業爐設備產生的高溫煙氣余熱利用系統。

2 設計選型

2.1 工程簡介

該工程為某鋼鐵廠硅鋼連續退火生產線，其中連續加熱和均熱爐是鋼鐵企業中耗能較多的設備，其熱效率一般只有20%～30%，約有70%～80%的熱量散失，在這些散失的熱量中，被煙氣帶走的熱損失約占30%～35%。本工程在設計中采用一套余熱利用系統回收退火爐余熱，用于供1#熱風干燥器使用，以替代以往所使用的蒸汽。

由于本工程中熱源（PH/NOP排煙系統）與用戶端（熱風干燥器）之間距離較長，大概100 m，若在熱源處直接將空氣加熱后輸送到用戶點會產生較大的熱損失。根據實際情況，本系統采用高溫水為熱媒，首先通過氣-水換熱器將循環水加熱至100℃以上的高溫水，再由高溫水通過水-氣換熱器將空氣加熱至指定溫度。

本套高溫煙氣余熱利用系統（以后簡稱系統）所需設備有：循環水泵（1用1備）；自動穩壓裝置，包括穩壓罐，加壓水泵，脫鹽水箱等；熱源端氣-水換熱器；用戶端水-氣換熱器；相關管道、管件、閥門等。考慮到高溫水輸送過程中可能發生溶氧腐蝕，各類管材、管件材質不應低于不銹鋼SUS304。

本工程中熱源端及用戶端參數如下：

熱源端（PH/NOP排煙系統）：

煙氣溫度Ty1=350℃;煙氣流量Fy=13000 m3/h

用戶端（熱風干燥系統）：

空氣最低溫度Tk1=5℃;空氣流量Fk=18000 m3/h;空氣出口溫度Tk2=120℃

系統流程簡圖見圖1。

圖1高溫煙氣余熱利用系統流程簡圖

2.2 設計計算

2.2.1系統所需熱量與煙氣出口溫度

在本工程中，根據工藝專業的要求，熱風干燥器選用風機的風量Fk=18000 m3/h。取空氣參數如下：

空氣密度：ρk=1.229 kg/m3（5℃）

空氣比熱容：Cρk=（1.009+1.026）/2=1.0175 kJ/ kg·K(5～120℃算術平均值)

因此系統所需理論熱量：

代入數值計算得：Q=719 kW

取高溫煙氣參數如下：

煙氣密度：ρy=0.475 kg/m3（450℃）

煙氣比熱容：Cρy=1.066 kJ/kg·K(450℃)

在不考慮潛熱換熱的情況下,高溫煙氣出口溫度：

代入數值計算得：Ty2=56℃。

2.2.2供、回水溫度

高溫水系統的供水溫度是一個十分重要的參數，供水溫度取高些可以獲得較大的供、回水溫差，減少高溫水循環量，降低一次投資；同時，還由于提高了與被加熱介質間的溫差，可以增加換熱系數從而減少傳熱面積。但是提高供水溫度也有不利的方面，比如必須提高系統的穩壓值以防止水氣化，這對設計、施工和管理的技術水平要求較高；同時，將高溫高壓的熱水引入內部系統及散熱器存在對人員造成燙傷的危險。根據暖通行業規范和經驗，必須控制供水溫度不超過150℃[2]。

綜合考慮，本系統將供水溫度設定為150℃，回水溫度設定為100℃，供回水溫差50℃。

2.2.3水泵流量及揚程計算

水泵流量可通過下面的公式計算∶

其中：G——水泵流量，m3/h；

Tg——供水溫度，150℃；

Th——回水溫度，100℃；

Cps——水比熱容，4.23 kJ/kg·K（取平均溫度125℃）；

ρ——水密度，948 kg/m3（取平均溫度125℃）。代入數值計算得：G=13 m3/h。

流量取值：15 m3/h（14.2 t/h）（考慮20%的裕量）。

查《高溫水供暖管網管徑計算表》，選取管徑為DN100,可得相應流量下比摩阻R=41.644 Pa/m，流速ν=0.535 m/s，動壓頭hd=137.209 Pa。

本系統中管道總長度l≈240 m，結合本系統實際情況，局部阻力系數之和Σξ≈300，系統阻力損失P=l×R+Σξ×hd≈52 kPa，取值60 kPa（考慮20%裕量）；

系統最大高差為5 m左右，取6 m（考慮20%裕量）；

綜上所述，水泵額定流量和揚程分別為15 m3/ h、12 m。

2.2.4穩壓裝置計算

穩壓裝置的作用是為高溫水循環系統提供足夠的壓力，使高溫水沸點升高，不至于氣化。穩壓裝置的首要選型參數是系統所需壓力。為保持150℃高溫水不汽化，查《飽和水與干飽和蒸汽表》可得，需維持系統壓力不低于0.47 MPa。因此穩壓裝置所提供

的壓力必須大于0.57 MPa（取100 kPa的安全附加壓力）。

穩壓裝置的另一個重要選型參數是系統膨脹水量，膨脹水量可由下列公式計算：

其中：ΔL——膨脹水量，m3；

Ly——爐子端高溫煙氣換熱器容水量，m3；Lg——管道容水量，m3；

Lk——用戶端水-空氣換熱器容水量，m3；

ρtg——供水密度，916.93 kg/m3（取最高溫度150℃）；

ρtc——初始水密度，999.9 kg/m3（初始水溫度5℃）

Ly、Lk為換熱器廠家返回的數據，分別為0.7 m3與1.2 m3。

管道容水量Lg=πr2×240=2.4 m3（r為管道半徑，取57 mm）。

代入數值，得ΔL=0.35 m3。

根據以上所計算得到的數據，穩壓裝置調節水量需大于0.35 m3。

穩壓裝置中的脫鹽水箱主要起到儲存脫鹽水用于水量補充和調節的作用，考慮到設備布置問題，選擇水箱容積1 m3。

穩壓裝置中的加壓水泵兼具向系統加壓和向整個管網系統充水的作用。由于脫鹽水箱容積較小，因此選取加壓水泵時不易選擇流量過大的，否則在工作時會使脫鹽水箱水位快速下降至保護水位之下，導致水泵頻繁啟-停，不利于系統的穩定工作。

2.3 小結

通過上述計算，已經把本系統的重要設計參數和設備參數選定。需要特別指出的是，本系統在用戶端采用高溫水和蒸汽聯合換熱的形式，即在高溫水能完全保證用戶要求的情況下盡量只使用高溫水，而在高溫水不能滿足用戶要求或者系統檢修的時候，為了保證生產，可以使用蒸汽加熱。

另外，作為系統的重要設備之一，穩壓罐應選取氮氣為填充氣體，主要考慮到氮氣的惰性，不會對罐內膠囊產生腐蝕，有利于延長穩壓罐的使用壽命，增強系統的穩定性。

3 管道系統施工及操作控制

3.1 管道施工

本系統中需要使用的閥門類型有：截止閥、止回閥，自動排氣閥、電磁閥、反沖洗過濾器及金屬波紋管補償器。閥門材質全部為不銹鋼SUS304以上。

系統管道內充滿水，隨著溫度的增加，水的氣容率會逐漸降低并在管道內不斷釋出少量氣體。氣體的存在不僅會對管道和設備造成一定腐蝕，還會導致水泵運行過程中噪聲加大，因此需要在管路中最高點及立管處設置自動排氣閥。管道在架設過程中需要設置不小于千分之三的坡度，且坡度增加方向應跟管內流體流向相同，以保證管內水、氣同流。

電磁閥用于控制穩壓罐超高壓排水和脫鹽水箱低水位補水。反沖洗過濾器應盡量安裝在水泵入口管路上，有利于保護水泵，同時設置旁通管路，便于以后運行中的檢修工作。

為了保證整個系統壓力平穩且不至于出現負壓段，系統穩壓點應設置于水泵入口。因此穩壓裝置（包括穩壓管、脫鹽水箱、加壓泵、電控柜的廠家成套供貨設備）最好同系統循環水泵布置在一起，為了方便排水，本系統將穩壓裝置同循環水泵布置在同一基礎之上并在周圍設置一圈排水溝。

3.2 系統控制及操作維護

3.2.1 循環系統控制

循環系統的控制主要在于對循環水泵的流量控制及管網蒸汽的流量控制。

在本系統中，設置了多個溫度、壓力及流量測點，其中遠傳進PLC控制柜的測點分別為：循環水泵出口壓力、流量測點、煙氣余熱換熱器出口溫度測點及定壓點后壓力測點。在系統運行過程中，可以通過變頻電機控制水泵流量，同時記錄下不同流量對應的煙氣余熱換熱器出口溫度，最終選取最高的出口溫度對應的流量為工作流量，使系統處于最優工作狀態。定壓點后的壓力測點設置低壓報警系統，以保證系統正常工作時處于設定壓力之上，防止由于穩壓裝置的失效造成高溫水氣化，損傷設備。系統中還設置了較多的就地溫度、壓力測點，可以幫助用戶檢測系統中多個點的工作狀態，從而更全面的觀察整個系統運行中的各種連鎖變化。

本系統在用戶端設置蒸汽流量自動控制系統，根據換熱器出口熱風溫度反饋來控制蒸汽流量，當高溫水提供熱量發生變化時，可以自動調節蒸汽供給量來保證用戶需求。

3.2.2 穩壓裝置控制

穩壓裝置的主要控制有壓力控制和水位控制，其中：

壓力控制系統設置包含：

低壓啟泵點——0.55 MPa

高壓停泵點——0.6 MPa

過低壓報警——0.5 MPa

過高壓排水——0.65 MPa

水位控制系統設置包含：

(1)高水位溢流閉閥、(2)低水位補水開閥、(3)過低水位報警停泵。

穩壓裝置中設置兩個電磁閥，一個作為壓力控制系統的電磁排水閥，一個作為水位控制系統的電磁補水閥。當系統處于充水階段時，加壓水泵開啟，此時電磁補水閥開啟，通過穩壓罐與管網連通補水；當脫鹽水箱水位低于設定水位時，系統報警同時加壓泵停止工作；當脫鹽水箱水位高于設定水位時，電磁補水閥關閉同時通過溢流口將過多的水排出。而系統處于正常工作階段時，當穩壓罐壓力低于0.5 MPa，系統報警，此時應迅速檢測穩壓罐是否發生故障，例如膠囊破裂等問題，并及時關閉循環水系統；當穩壓罐壓力低于0.55 MPa（尚未低于0.5 MPa），加壓水泵開啟，向膠囊中充水，使膠囊膨脹增加壓力；當壓力達到0.6 MPa時（尚未高于0.65 MPa），加壓泵停止運行；當系統循環水溫度升高體積膨脹，導致穩壓罐壓力高于0.65 MPa時，系統報警，電磁排水閥自動打開排水泄壓。

3.2.3系統操作維護

(1)系統運行之前需檢查穩壓罐上壓力表顯示值，保證充氮壓力處于廠家設定值之上，并將電控箱過低壓報警及低壓啟泵點設定在0.05 MPa（初始低壓狀態），嚴禁在氮氣壓力不足狀態下工作，否則會導致膠囊過分膨脹破裂；

(2)將加壓水泵設定為手動狀態，并開啟水泵，對系統進行補水；

(3)保持觀察穩壓罐壓力表壓力值，當壓力值開始持續上升時，說明膠囊已經開始充水膨脹，管道內已經充滿水，此時將加壓水泵設定為自動狀態，關閉兩個換熱器進、出口的閥門，開啟循環水泵及反沖洗閥門，清洗管道；

(4)運行一段時間，觀察反沖過濾器清洗水，如清澈無明顯雜質，關閉反沖過濾器，開啟換熱器進、出口閥門，系統進入正常循環狀態；

(5)觀察氮氣儲罐壓力表數值，當數值高于0.5 MPa時，將電控箱低低壓報警及低壓開泵數值分別設定為正常使用的數值：0.5 MPa、0.55 MPa；

(6)觀察電控箱儀表顯示正常后，系統進入正常使用狀態（自動控制）；

(7)定期觀察穩壓罐壓力表數值，低于廠家設定值后，必須馬上補充氮氣。

3.3 小結

高溫水循環管道必須保證坡度，坡度增加方向設置為與流體運行方向相同,保證水、氣同向，自動排氣閥應靈活設置在各立管及管道最高點處。高溫水循環系統由于初始水溫較低，而工作水溫較高，這種加大的溫差必然會造成管道比較大的線性膨脹，在較長的直管段上需設置補償器。管道在鋪設過程中，每隔一段最好在供、回水管上設置排水點，以便在檢修階段快速排空管網中的水。管網在不運行階段應該充水保養，防止空氣進入管道后對管道和設備造成腐蝕。

4 結語

本文介紹了某鋼廠高溫煙氣余熱利用系統的應用，對系統的設計選型、操作維護均有詳細的描述。在煙氣出口溫度的計算上，沒有考慮煙氣換熱的潛熱換熱量，有關文獻中的數據表明，當煙氣溫度降到100℃以下時，會產生相當大的潛熱換熱量。因此在進行余熱利用系統的設計時，要盡量將高溫煙氣的溫度降至100℃以下，從而提高余熱利用的熱效率。

目前本余熱利用系統在該鋼廠運行正常，供、回水溫度與設計值基本一致。使用高溫水作為熱源的熱風干燥系統基本上沒有再使用蒸汽熱源，僅此一個系統的應用，每年就可為鋼廠節約蒸汽近7000 t左右，可見余熱利用在鋼鐵行業節能減排的發展上可以做出巨大貢獻。

[1]趙欽新，王宇峰，王學斌等.我國余熱利用現狀與技術發展[J].工業鍋爐，2009（5）∶8-14.

[2]榮秀惠，肖蘭生等.實用供暖工程設計[M].北京∶中國建筑出版社，1987.

[3]趙欽新，王善武.工業鍋爐技術創新與發展思路探討[J].工業鍋爐，2009（1）∶1-12.

Research and Practice in Waste Heat Utilization in the Steel Industry

PENG Qi
(Cold Rolling Dept.of WISDRI Engineering&Technology Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430223,China)

The waste heat recovery system for the high-temperature flue gas from the continuous annealing line of a silicon steel rolling mill was introduced.Waste heat in the exhaust gas from the industrial furnace of the cold rolling line was recovered and used in strip drying,to reduce fume emission and save energy(such as steam)consumption.Selection of equipment type and operation parameters of the system were analyzed in detail;and experiences and knowhow in operational control and maintenance of the system were introduced based on actual practice.

iron and steel;energy conservation;high temperature flue gas;waste heat utilization;hot water

TK115

B

1006-6764（2014）05-0038-04

2013-12-23

彭起(1984-)，男，碩士研究生，工程師，現從事暖通設計工作。