連續(xù)退火爐余熱回收技術(shù)應(yīng)用

許 翔，汪紅兵，顧厚淳

(1馬鋼冷軋總廠；2馬鋼能源環(huán)保部，安徽馬鞍山 243000)

引言

退火爐是冷軋后處理生產(chǎn)線的核心裝備，也是冷軋能源消耗大戶。其中冷軋連續(xù)后處理生產(chǎn)線采用了連續(xù)退火爐工藝，一般采用立式或臥室結(jié)構(gòu)退火爐，生產(chǎn)效率高，板型控制優(yōu)，能夠生產(chǎn)汽車板及家電板等高附加值產(chǎn)品。

退火爐熱處理過程中能源消耗主要是燃氣消耗，在生產(chǎn)線各種能源消耗中占比超過60%，燃氣產(chǎn)生的高溫廢氣的熱能再回收利用有極高的經(jīng)濟效益。

1 現(xiàn)狀

目前，馬鋼股份公司冷軋總廠2130 連續(xù)退火機組現(xiàn)設(shè)置有360 根輻射管退火爐，燃料為高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合煤氣，燃氣耗量平均約11000 m3/h，排出的煙氣經(jīng)第一級換熱器換熱后對爐內(nèi)帶鋼進行預(yù)熱，再摻冷風(fēng)后降至350 ℃，最后通過廢氣風(fēng)機送至煙囪排放。

現(xiàn)有煙氣余熱回收系統(tǒng)雖然利用了煙氣中部分的余熱給退火爐自身的預(yù)熱段使用，并設(shè)置1 臺過熱水換熱器，生產(chǎn)過熱水供生產(chǎn)線清洗段使用，未考慮外供，未充分利用自身的余熱資源?，F(xiàn)過熱水換熱器因外方設(shè)計不合理處于停用狀態(tài)。

2130 連退線退火爐年運行時間約7900 h，混合煤氣熱值9200 kJ/m3，熱值波動±400 kJ/m3。由于退火爐輻射管控制模式為ON/OFF 模式，生產(chǎn)規(guī)格品種不同的帶鋼時，所消耗的的煤氣量及產(chǎn)生的煙氣溫度波動較大，煤氣量最小4000 m3/h，最大煤氣量14000 m3/h，空燃比1：1.2，最低煙氣溫度250 ℃，最高煙氣溫度490 ℃，平均煙氣溫度425 ℃。該處的余熱資源未能完全利用。

2 技術(shù)方案選擇與描述

2.1 技術(shù)方案比較

(1)熱風(fēng)換熱器和熱水換熱器方案

根據(jù)煙道的形狀設(shè)計，新增熱水換熱器，同時設(shè)置煙氣旁通，合理地控制進入水換熱器的煙氣流量，從而控制水的被預(yù)熱溫度。新增熱水換熱器考慮了現(xiàn)有煙道阻力和排煙風(fēng)機的抽力，不需要更換強制排煙風(fēng)機，而且減少了煙氣溫度，更加有利于排煙風(fēng)機保護；在煙道內(nèi)設(shè)置熱風(fēng)換熱系統(tǒng)，采用煙氣余熱直接加熱熱風(fēng)的方式，供給退火機組的熱風(fēng)烘干裝置使用，煙氣的熱量直接轉(zhuǎn)化成熱風(fēng)，省去了中間熱轉(zhuǎn)化過程，比產(chǎn)生蒸汽后再并網(wǎng)使用的方式更有效、更節(jié)能。此外，爐尾煙氣溫度低于350 ℃，可以將熱風(fēng)預(yù)熱到100～150 ℃，高于飽和蒸汽的可加熱溫度，不僅滿足現(xiàn)有設(shè)備的溫度要求，而且有利于增強帶鋼的烘干效果。

(2)余熱鍋爐方案

根據(jù)該退火爐煙氣余熱資源，本方案將新建一臺余熱鍋爐，余熱鍋爐采用單壓飽和蒸汽系統(tǒng)，退火爐尾部的高溫?zé)煔馑腿胗酂徨仩t、經(jīng)過鍋爐換熱后，溫度降低至150～170 ℃后經(jīng)抽排風(fēng)機接煙囪排入大氣，無需更換原排煙風(fēng)機。其中補水系統(tǒng)經(jīng)二級省煤氣加熱至除氧器，除氧器出水經(jīng)一級省煤器加熱至汽包，汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽直接并入車間內(nèi)蒸汽管網(wǎng)，供本機組使用，減少外購蒸汽。

（3）方案比較

新增熱水換熱器和熱風(fēng)換熱器方案雖然省去了中間熱轉(zhuǎn)化過程，直接供應(yīng)到用戶點，施工難度大，需要在廠房內(nèi)架設(shè)集中供熱風(fēng)管路，熱水的使用還需要在用戶點增加一定容積的水箱，在煙道上安裝熱水換熱器與熱風(fēng)換熱器，煙道的空間有較高要求；此外由于連退爐受產(chǎn)品品種規(guī)格變化，煙氣溫度及流量波動大，煙氣上限狀態(tài)時余熱得不到充分利用，煙氣下限狀態(tài)時，供熱不足，用戶點還需要外網(wǎng)蒸汽補充，對用戶系統(tǒng)沖擊大。

采用余熱鍋爐形式，雖然需要中間轉(zhuǎn)化過程，但直接產(chǎn)生飽和蒸汽并網(wǎng)，現(xiàn)有車間內(nèi)設(shè)備不需要做任何改動，連退爐受產(chǎn)品品種規(guī)格變化，煙氣溫度及流量波動大，只是體現(xiàn)在飽和蒸汽的補給上，通過外網(wǎng)蒸汽的補給可實現(xiàn)系統(tǒng)平衡，最大限度利用系統(tǒng)余熱資源，此外對煙氣管道施工難度小，煙氣排煙溫度可控。

綜上所述，本次煙氣余熱系統(tǒng)改造采用了余熱鍋爐形式。

2.2 主要系統(tǒng)描述

2.2.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐按照《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進行設(shè)計，由熱管蒸發(fā)器、熱管省煤器、本體管路、汽包、除氧器、安全附件、一次儀表、本體保溫、保溫外包鍍鋅薄鋼板、平臺扶梯、防雨棚等組成。

余熱鍋爐要求生產(chǎn)0.6 MPa，165 ℃的飽和蒸汽，余熱鍋爐有防止漏水事故的措施。保留旁通煙道，如出現(xiàn)漏水事故直接切換至旁通煙道，不影響連退機組安全穩(wěn)定運行，同時保證余熱回收蒸汽量穩(wěn)定。余熱煙氣流程，經(jīng)過原系統(tǒng)預(yù)熱段換熱器之后的尾部煙氣依次進入蒸發(fā)器、一級省煤器和二級省煤器換熱后，溫度降低150～170℃后經(jīng)引風(fēng)機接煙囪排入大氣，系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)流程圖

鍋爐在額定工況參數(shù)下，額定蒸汽參數(shù)不低于設(shè)計值；鍋爐可用于變負荷運行，在負荷不小于40%工況下能長期穩(wěn)定運行。正常運行條件下鍋爐兩次大修間隔達到4 年，鍋爐本體使用壽命不少于30年，受熱面使用壽命不少于4 年。余熱鍋爐使用壽命不低于10萬h。鍋爐強迫停用率＜2%。

采用工業(yè)除鹽水，確保余熱鍋爐的用水要求，水質(zhì)需要符合國家《工業(yè)鍋爐水質(zhì)標準》GB1576-2008 規(guī)定的給水水質(zhì)。

2.2.2 自動化控制

熱工自動化，余熱回收系統(tǒng)的控制實現(xiàn)全自動化。機組控制方式，采用就地加遠程控制方式。其控制系統(tǒng)采用西門子PLC 控制系統(tǒng)加HMI 上位機結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本方案設(shè)備的可控性，當(dāng)前自動化儀表使用水平考慮到冶金系統(tǒng)自動化檢測與控制的特點等，形成較完善的監(jiān)視、控制、通訊及保護功能，余熱鍋爐水位調(diào)節(jié)要適應(yīng)余熱煙氣急劇變化需要，確保余熱回收系統(tǒng)不得出現(xiàn)缺水和排水事故。

軟水補充至軟水箱，軟水箱水位通過補水閥控制，實現(xiàn)軟水箱水位自動控制。軟水經(jīng)變頻泵由二級省煤氣加熱輸出至除氧器，除氧器水位由輸出泵及輸入流量控制，溫度由二級省煤器控制，除氧器溫度不足時由飽和蒸汽補充加熱。除氧器軟水經(jīng)變頻泵由一級省煤器加熱補充至鍋爐汽包，鍋爐汽包的軟水經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生飽和蒸汽輸出至管網(wǎng)，汽包水位由除氧器變頻泵控制。

2.2.3 熱工保護系統(tǒng)

熱工系統(tǒng)與生產(chǎn)線退火爐控制系統(tǒng)采用軟件與硬件保護，鍋爐異常情況發(fā)緊急停機信號至生產(chǎn)線退火爐控制系統(tǒng)，強制打開煙道旁通閥，旁通閥打開到位后，關(guān)閉鍋爐的主煙道擋板閥，打開及關(guān)閉閥門過程采用積分保護，閥門打開及關(guān)閉動作50 s，煙道抽排變頻風(fēng)機平穩(wěn)運行，從而保證煙道負壓穩(wěn)定，不影響退火爐燃燒系統(tǒng)的正常工作。

3 存在問題與對策

由于退火爐煙氣流量波動大，軟水平衡不容易實現(xiàn)，在生產(chǎn)線品種厚度小于0.5 mm及退火溫度低于750 ℃時，鍋爐蒸發(fā)量小，除氧器至汽包補水量小，除氧器溫度會升高，該溫度高與設(shè)定值需要補充冷軟水，此時除氧器系統(tǒng)會產(chǎn)生一定量的溢流軟水至軟水箱，軟水箱容積有限且溫度不宜過高，軟水箱內(nèi)溢流軟水需要摻冷軟水降溫，超過軟水箱水位上限溢流外排，水資源存在浪費現(xiàn)象。增加溢流軟水箱儲存溢流軟水，增加轉(zhuǎn)換閥門實現(xiàn)溢流軟水箱對除氧器的補水。

輸出飽和蒸汽計量誤差大，退火爐正常生產(chǎn)狀態(tài)下系統(tǒng)最大產(chǎn)生飽和蒸汽量達到12 t/h，最小只有1 t/h，流量儀表量程比過大，無法精確計量，后續(xù)準備采用2 套流量計串聯(lián)測量，分別測量大量程及小量程流量，通過軟件根據(jù)流量大小選擇流量計讀數(shù)并累加計量。

4 經(jīng)濟效益

根據(jù)熱值計算預(yù)計產(chǎn)生飽和蒸汽量6.5 t/h，2130 連退線退火爐年運行時間7900 h，飽和蒸汽單價114元/t。

合計飽和蒸汽產(chǎn)出：

6.5×7900×114=5853900元。

支出有：消耗脫鹽水6.5 t/h，脫鹽水單價5 元/t，6.5×7900×5=256750 元，電力消耗0.6 元/kWh，15×7900×0.6=66360 元，其他藥劑等輔料消耗400000元一年。

總經(jīng)濟效益：

585.39-25.675-6.636-40=513.079萬。

靜態(tài)投資回收期2 年左右，具有可觀的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

項目的實施不僅使2130 連退線的能源成本、工序能耗有效降低，同時實現(xiàn)了回收蒸汽的自產(chǎn)自用，使該區(qū)域蒸汽管網(wǎng)綜合效率有效提升。該項目順利完成為同類型連續(xù)退火爐余熱回收提供了參考，下一步將積極推進同類型連續(xù)退火爐余熱回收項目的實施。