軋鋼加熱爐煙氣余熱回收工程實踐

侯中曉，胡硯斌，何 賽

（鋼鐵研究總院有限公司冶金工藝研究所，北京 100081）

1 前言

鋼鐵企業加熱爐是軋鋼車間的關鍵設備，同時也是軋鋼生產環節過程中主要耗能設備，鋼鐵企業通常利用煤氣（高爐煤氣、轉爐煤氣或焦爐煤氣）作為燃料對鋼坯進行加熱［1］，加熱爐內燃料燃燒后高溫區域溫度1 300 ℃左右，通常加熱爐尾部布置空氣加熱器預熱空氣，加熱爐尾部排出煙氣溫度基本在300 ℃以上，其排出煙氣的熱量相當于送入爐內熱量的30%左右［2］。隨著鋼鐵行業能耗標準的提高，現階段國內許多研究工作者致力于研究減少加熱爐能源消耗及能源回收［3］，大部分研究工作集中在加熱爐燃燒控制、風燃比及煙氣余熱利用等方面［4-6］，這些措施均能降低加熱爐能源消耗，為積極落實鋼鐵行業“碳中和、碳達峰”國家戰略具有一定的促進作用［7］。本文通過介紹在加熱爐原有排煙管道旁并列增設余熱鍋爐的工程實踐，對加熱爐外排煙氣余熱資源的回收利用具有一定的參考價值。

2 加熱爐煙氣量及余熱鍋爐設計

2.1 加熱爐煙氣主要參數

加熱爐煙氣基本參數如表1所示，加熱爐煤氣燃燒后，經加熱爐內預熱鋼坯后，加熱爐外排煙氣溫度在300～350 ℃波動，正常生產條件下煙氣量平均為46 000 m3/h。

2.2 余熱鍋爐設計參數及布置

根據現表1中加熱爐煙氣的相關參數條件，設計了相應的水冷管式余熱鍋爐，其具體設計參數為：平均蒸汽產量≥3.6 t/h；煙氣進口溫度300～350 ℃；煙氣出口溫度180 ℃；煙氣阻力損失≤400Pa；過熱蒸汽溫度≥240 ℃；輸出蒸汽壓力≥1.27 MPa（根據管網實際要求）；余熱鍋爐爐型臥式。余熱鍋爐設計蒸汽產量為3.6 t/h；余熱鍋爐給水采用軟化水，其要求符合GB/T 1576—2000《低壓鍋爐用水質標準》；軟化水水泵設計流量最大6 t/h；余熱鍋爐使用壓縮空氣壓力為0.3～0.4 MPa；供電380 V-50 Hz；余熱鍋爐采用定壓運行設計，年運行小時數＞8 000 h。

表1 軋鋼加熱爐煙氣參數

圖1為余熱鍋爐系統的布置。從圖1中可以看出，余熱鍋爐與原有煙氣外排管道并列布置，余熱鍋爐前后安裝有切斷閥。1 號切斷閥直徑為1 800 mm，3 號切斷閥直徑為1 700 mm；當余熱鍋爐正常生產時，將2號切斷閥關閉，1號和3號切斷閥打開；當余熱鍋爐需要檢修時，關閉1號和3號切斷閥，打開2 號切斷閥。為了減少余熱鍋爐的阻力損失，余熱鍋爐采用臥式布置。余熱鍋爐主要由省煤器、蒸發器、過熱器及汽包組成。熱風爐產生的煙氣粉塵量較少，但也存在一定量的粉塵，為了減少對后續風機運行過程中的磨損，設計過程中在余熱鍋爐尾部設計有沉降室。

圖1 加熱爐余熱鍋爐布置

3 實際生產效果分析

根據項目設計前期對余熱鍋爐風量的檢測，在穩定生產過程中加熱爐風量平均為46 000 m3/h，余熱鍋爐設計最大外排煙氣溫度為350 ℃時，經過余熱鍋爐后煙氣溫度為180 ℃，溫降為170 ℃；煙氣比熱按照1.32 kJ/（m3·℃）計算。根據余熱鍋爐設計參數，根據式（1）計算可知，設計余熱鍋爐每小時可以帶走平均熱量為10 338 040 kJ/h。

式中：Q為熱量，kJ/h；△T為溫降，℃；V為煙氣的流量，m3/h。

余熱鍋爐實際投產后，對余熱鍋爐運行60 d數據進行了統計，其平均進口煙氣溫度約為330 ℃，出口煙氣溫度174 ℃，根據式（1）計算可知，實際生產過程中煙氣經過余熱鍋爐后煙氣外排減少的熱量約為9 472 320 kJ/h。運行60 d 內，過熱蒸汽平均溫度為260 ℃，蒸汽壓力為1.3 MPa左右，蒸汽平均流量為3.0 t/h，查表得到此條件下過熱蒸汽的焓值約為2 900 kJ/kg，蒸汽每小時帶走熱量約為8 700 000 kJ/h。

根據實際煙氣減少熱量（9 472 320 kJ/h）和生產蒸汽熱量（8 700 000 kJ/h）計算結果，可以看出實際生產過程中蒸汽帶走的熱量與余熱鍋爐設計實際蒸汽產量略低于設計產能；同時，實際產能蒸汽帶走的熱量與實際煙氣減少熱量存在一定的偏差，但余熱鍋爐投產后熱風爐煙氣量的波動、管道的散熱、鍋爐本身的利用效率及排污等因素影響，其差值也在合理的范圍內，實際生產效果驗證了鍋爐設計、計算的正確性，余熱鍋爐的正常生產也驗證了加熱爐增設余熱鍋爐對煙氣余熱進行回收利用具有一定的可行性。

4 經濟效益分析

項目總投資約為120 萬元，經過近2 a 的生產運行，余熱鍋爐蒸汽產量基本可以維持在3.0 t/h左右，其中加熱爐按照年作業率75%計算，蒸汽年產量約為19 656 t。按照企業內部蒸汽定價為100元/t，年效益接近200 萬元。余熱鍋爐沿用原有引風機，經過生產發現，引風機電量并沒有增加，這主要是因為隨著外排煙氣溫度下降，實際工況下煙氣量下降，同時余熱鍋爐采用臥式布置，其阻力損失較小。余熱鍋爐需要增設水泵、控制設備等，年消耗電量成本約5.4 萬元。扣除相關人工成本、維護成本及折舊費后，項目運行1 a后可完全收回投資。

5 結語

在加熱爐外排煙氣管道并列增設余熱鍋爐回收煙氣余熱的方式，經過2 a多正常、滿負荷的生產運行，余熱鍋爐各項指標均達到設計要求。通過對比增設余熱鍋爐前后引風機用電量發現增設余熱鍋爐后引風機耗電量不僅沒有增加，而且引風機葉輪維護成本下降，這主要是余熱鍋爐投入使用后降低了引風機進口煙氣溫度，減少高溫對葉輪的破壞。余熱鍋爐投入運行半年后對余熱鍋爐水冷管檢查發現水冷管沒有出現明顯的磨損現象，這主要是因為加熱爐煙氣中粉塵量少，沒有對鍋爐水冷管造成磨損。生產實踐證明這種煙氣余熱回收利用鍋爐很好地實現了加熱爐外排煙氣余熱的回收利用，項目投資1 a即可回收成本，具有較大的市場推廣價值。