熱軋加熱爐余熱利用的實(shí)踐

劉全利

寶鋼不銹鋼有限公司熱軋廠

1 概述

寶鋼不銹鋼有限公司的碳鋼與不銹鋼全流程冶煉工藝，存在著豐富的余熱余能資源，自不銹鋼工程建設(shè)以來(lái)，以擴(kuò)大回收與高效利用并行為指導(dǎo)思想，堅(jiān)持技術(shù)與管理并重、綜合利用多樣化的策略,著力對(duì)標(biāo)行業(yè)先進(jìn)，依托科研攻關(guān),探索低品位余熱回收和高價(jià)值利用途徑,并不遺余力地開展深層次余能回收挖潛工作，為公司余能余熱回收利用持續(xù)提升提供了保障。[1]

公司熱軋廠共有三座相同爐型的加熱爐，以天然氣為燃料，用于碳鋼和不銹鋼板坯的軋前加熱，出爐板坯溫度范圍為1070～1260℃，最高爐氣溫度為1320℃。依照余熱梯級(jí)回收利用原理，在高溫余熱（煙氣溫度高于1000℃）利用方面采用了汽化冷卻和乏氣回收技術(shù)，在中溫余熱（煙氣溫度高于700℃）利用方面設(shè)置了熱回收段和空氣余熱器，在低溫余熱（煙氣溫度大約300～500℃）利用方面通過余熱鍋爐系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽。根據(jù)加熱爐余熱熱源性質(zhì)不同， 采用梯級(jí)回收工序，最大限度地回收加熱爐余熱。[2]以下將對(duì)近年來(lái)圍繞熱軋加熱爐所采取的余熱回收措施逐一進(jìn)行介紹。

2 汽化冷卻

圖1 加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)示意圖

熱軋加熱爐冷卻構(gòu)件的冷卻, 主要有水冷卻和汽化冷卻兩種方式。水冷卻是利用水的溫升吸收熱量, 汽化冷卻主要是利用水變成蒸汽時(shí)吸收的大量汽化潛熱使冷卻構(gòu)件得以冷卻。在吸收同樣熱量的情況下, 汽化冷卻系統(tǒng)的給水量?jī)H為水冷卻系統(tǒng)的1/ 60 左右, 具有顯著的節(jié)水效果。同時(shí)汽化冷卻系統(tǒng)的縱爐底管滑道溫度比水冷卻系統(tǒng)要高得多, 這對(duì)于減輕鋼料黑印, 改善鋼料加熱溫度的均勻性有一定好處。因此, 汽化冷卻在一定程度上提高了加熱爐的鋼料質(zhì)量。由于加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)具有節(jié)能及減輕鋼料黑印等優(yōu)點(diǎn), 深受廣大用戶歡迎, 目前國(guó)內(nèi)大部分軋鋼加熱爐已采用汽化冷卻技術(shù)。[3]

熱軋廠三座加熱爐由中冶賽迪公司設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮汽化冷卻技術(shù)，單座加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)示意圖見圖1，整體系統(tǒng)由水梁立柱系統(tǒng)、循環(huán)回路系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、排汽系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、爐內(nèi)加熱系統(tǒng)、取樣冷卻系統(tǒng)等組成。每座步進(jìn)梁式加熱梁及立柱總的平均熱負(fù)荷約為49 455 MJ/h，最大熱負(fù)荷79 898 MJ/h，可產(chǎn)生壓力為1.25～1.57 MPa的飽和蒸汽16～25 t/h，產(chǎn)生的蒸汽一部分在車間內(nèi)部使用，其余蒸汽并入公司蒸汽管網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配使用。為保證水循環(huán)的可靠及穩(wěn)定，防止冷卻構(gòu)件超溫等現(xiàn)象發(fā)生，加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)方式，每座汽化冷卻裝置的循環(huán)水流量為940 m3/h。

3 乏氣回收

由于熱軋廠加熱爐均配置汽化冷卻系統(tǒng)，汽包裝有自動(dòng)放散閥，汽包工作壓力為1.25 ～ 1.57 MPa，當(dāng)汽包運(yùn)行壓力超過設(shè)定壓力后，放散閥自動(dòng)調(diào)節(jié)開口度通過放散調(diào)整系統(tǒng)壓力，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。每臺(tái)加熱爐通過放散管每小時(shí)約有1～6 t低壓高溫蒸汽（以下簡(jiǎn)稱乏汽）在廠房頂部排放。公司內(nèi)部生活樓職工浴室原使用蒸汽加熱的方式供應(yīng)熱水，并且存在大量浪費(fèi)的現(xiàn)象。為將放散乏汽充分回收，在汽化冷卻系統(tǒng)放散管附近選址建造不銹鋼儲(chǔ)水箱，將放散蒸汽引入安裝在儲(chǔ)水箱內(nèi)的高效換熱器，通過放散蒸汽對(duì)水箱內(nèi)的生活水進(jìn)行加熱。水箱內(nèi)生活水換熱后升溫變成高溫生活水，高溫生活水供生活樓使用具有可行性。不銹鋼公司針對(duì)該可行性，于2012年啟動(dòng)乏氣回收項(xiàng)目，該項(xiàng)目實(shí)施按合同能源管理模式進(jìn)行，2013年1月底建設(shè)完工，經(jīng)1個(gè)月試運(yùn)行，整個(gè)乏汽回收系統(tǒng)（見圖2）運(yùn)行穩(wěn)定，乏汽回收和利用達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期，對(duì)汽化冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒有任何影響，順利通過功能考核[4]。

乏氣回收合同能源管理項(xiàng)目新增設(shè)備（電動(dòng)頭閥門、儀表等）消耗功率為4 kW/h，可回收顯熱總量平均約為1 620萬(wàn)kJ/h，充分利用該部分顯熱相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.7t/h，減排二氧化碳約1.96 t/h，機(jī)組按年運(yùn)行7 200 h計(jì)，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5 040 t，減排二氧化碳 14 112 t。

4 熱回收段

中冶賽迪公司在熱軋廠加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)已考慮通過較長(zhǎng)的熱回收段來(lái)充分利用中溫?zé)煔獾挠酂?。我廠加熱爐為五段式結(jié)構(gòu)，分別為熱回收段、預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段，其中熱回收段不供熱。設(shè)計(jì)時(shí)爐頂有一些局部的壓下和起伏，其中熱回收段上部爐膛高度和供熱段相比有適度壓下，對(duì)煙氣進(jìn)行“扼流”。在熱回收段，煙氣溫度通常在900℃以下，鋼坯獲得的熱量以對(duì)流傳熱為主，爐膛高度降低后，煙氣流速增加，使綜合給熱系數(shù)顯著提高。同時(shí)，爐膛高度降低，煙氣對(duì)鋼坯表面的吸附作用更加明顯，也有利于熱交換[5]。

熱軋廠加熱爐有效爐長(zhǎng)41.7 m，其中熱回收段11.7 m，較長(zhǎng)的熱回收段設(shè)置可充分回收煙氣熱量，降低煙氣溫度，減少煙氣帶走的熱損失，利用好余熱資源。經(jīng)測(cè)算，在700～850℃的溫度范圍內(nèi)，熱回收段長(zhǎng)度每增加1 m，排煙溫度降低12～25℃。當(dāng)然，爐長(zhǎng)增加后，爐體散熱損失及水梁立柱冷卻帶走的熱量也相應(yīng)增加，但這些損失與煙氣余熱回收帶來(lái)的收益相比要小得多。

5 助燃空氣預(yù)熱

圖3 煙道內(nèi)的換熱器

加熱爐煙氣帶走熱量一般占燃料供給熱量的30%以上，回收高溫?zé)煔獾挠酂嵊脕?lái)預(yù)熱助燃空氣是普遍的做法。我廠加熱爐為下排煙，在兩側(cè)煙道內(nèi)各設(shè)置一臺(tái)換熱器（見圖3）來(lái)預(yù)熱助燃空氣。換熱器被吊掛在煙道內(nèi)，空氣從換熱管內(nèi)流通，而煙氣從換熱管外流通。換熱管規(guī)格為￠54×3 mm，迎煙氣面的前三排換熱管的材質(zhì)為310S，并在此三排換熱管上都設(shè)置了膨脹補(bǔ)償器，使其能自由膨脹補(bǔ)償。其余換熱管的材質(zhì)依次為321、10#碳素鋼管。換熱器入口煙氣溫度為650～800℃，換熱器出口煙氣溫度為350～400℃，預(yù)熱后的熱風(fēng)溫度為380～420℃。根據(jù)加熱爐熱平衡測(cè)試結(jié)果，空氣帶入物理熱量為35.75×106 kJ/h，占總熱量投入的11.99%。

6 余熱鍋爐

熱軋廠每臺(tái)加熱爐平均煙氣量85000 Nm3/h，經(jīng)換熱器換熱后平均煙溫達(dá)350℃，高溫?zé)煔獾目偀犰蔬_(dá)135*106 kJ/h。以往這些熱量直接排放到大氣，一方面浪費(fèi)大量的二次能源，另一方面也對(duì)大氣造成熱污染。2013年，寶鋼不銹鋼公司啟動(dòng)余熱鍋爐項(xiàng)目，將煙氣通過煙道引入余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽，排煙溫度降至160℃左右，既可以降低熱軋工序能耗，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，也可減少對(duì)大氣的熱污染，具有較好的社會(huì)效益。

本項(xiàng)目采用傳統(tǒng)實(shí)用的節(jié)能技術(shù)，即在煙道中安裝余熱鍋爐回收煙氣余熱，產(chǎn)生蒸汽，其余熱回收情況見圖4和圖5。加熱爐所配余熱鍋爐為自然循環(huán)水管鍋爐，鍋爐立式布置，主要受熱面為螺旋翅片管結(jié)構(gòu)，翅片材料根據(jù)受熱面所處位置的煙溫不同，分別選用不銹鋼和碳鋼，鍋爐受熱面主要包括蒸發(fā)受熱面和省煤器，沿?zé)煔饬飨蛞来尾贾茫诲仩t采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行堆垛即可完成，這樣即可大幅降低安裝工作量和安裝周期，又很好的保證了設(shè)備質(zhì)量。

圖4 改造前加熱爐煙氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況

圖5 改造后加熱爐煙氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況

按兩套加熱爐余熱鍋爐平均產(chǎn)量計(jì)算，每小時(shí)生產(chǎn)1.8 MPa，300℃過熱蒸汽，合計(jì)平均產(chǎn)汽量為20.4 t/h，用電設(shè)備為鍋爐補(bǔ)水泵、鍋爐給水泵、引風(fēng)機(jī)等，總用電負(fù)荷為240 kW，消耗軟水量約22 t/h，年作業(yè)時(shí)間7200h，蒸汽按120元/t，電價(jià)按0.61元/kWh，軟水按10元/t 計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益約為1500萬(wàn)元，折標(biāo)煤1.8萬(wàn)t，年減少溫室氣體CO2排放量約4.49 萬(wàn)t[6]。

7 結(jié)論

以擴(kuò)大回收與高效利用并行為指導(dǎo)思想，堅(jiān)持技術(shù)與管理并重、綜合利用多樣化的策略，寶鋼不銹鋼公司熱軋加熱爐從設(shè)計(jì)開始至近年來(lái)開展了一些項(xiàng)目，在余熱回收利用上開展了系列實(shí)踐活動(dòng)。依照余熱梯級(jí)回收利用原理，對(duì)于高能位的余熱在經(jīng)濟(jì)合算的條件下盡量多回收熱量, 通過汽化冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽及通過乏氣回收產(chǎn)生活用熱水，并盡可能將其反饋于本爐內(nèi), 或用來(lái)預(yù)熱原料, 或用來(lái)加熱助燃空氣,以提高本爐的熱效率,達(dá)到直接節(jié)能的目的，經(jīng)一次利用后的低溫余熱,則用余熱鍋爐系統(tǒng)再次回收和利用。

[1]金 周.寶鋼不銹鋼公司余熱余能利用探索與實(shí)踐.上海節(jié)能，2014 ，（11）：36-39.

[2]武紹井，李承武，劉世水.余熱梯級(jí)回收技術(shù)在線棒材加熱爐上的應(yīng)用.工業(yè)爐，2014 36（2）：44-46.

[3]李元章.軋鋼加熱爐汽化冷卻余熱的合理利用技術(shù).冶金能源，2004 23（5）：57-58.

[4]劉全利，楊顯峰.加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)乏汽回收利用實(shí)踐.2014年全國(guó)冶金能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)文集.中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2014年10月，湖北，武漢.

[5]趙建明.軋鋼加熱爐煙氣余熱利用的思考.工業(yè)加熱，2010 （5）：53-55.

[6]劉 偉.熱軋加熱爐煙氣余熱回收利用技術(shù).冶金動(dòng)力，2014 （8）：56-58.