禹 露,陶曙明

(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)屬于能源密集型產(chǎn)業(yè),也是節(jié)能減排潛力最大的行業(yè)之一。面對(duì)能源和煤炭資源不斷壓縮、環(huán)境污染控制與減排力度持續(xù)升溫的外部環(huán)境,企業(yè)必須積極采取節(jié)能降耗措施以適應(yīng)新形勢(shì)下的發(fā)展需求。對(duì)于軋鋼工序,加熱爐能耗占比約65%～70%,但其煙氣余熱利用率普遍偏低[1],因此提高加熱爐的余熱利用是節(jié)能減排的一項(xiàng)重要舉措。本文以寶鋼股份線材加熱爐余熱回收為例進(jìn)行分析。

1 加熱爐概況

寶鋼線材加熱爐于1999年3月建成投產(chǎn)。現(xiàn)有加熱爐為上下加熱的步進(jìn)梁式結(jié)構(gòu),空氣預(yù)熱、混合煤氣常規(guī)燃燒,最大熱負(fù)荷為1.6×108kJ/h,設(shè)計(jì)能力為120 t/h。

加熱爐的水梁立柱采用強(qiáng)制循環(huán)水冷卻,冷卻水進(jìn)水溫度約為25 ℃,回水溫度約為45 ℃,水循環(huán)量約為320 t/h。

加熱爐煙氣通過(guò)常規(guī)煙道、空氣換熱器、煙道閘板后排入混凝土煙囪。爐尾煙氣通過(guò)空氣換熱器吸收部分熱量,其余熱量隨煙氣排入大氣。加熱爐進(jìn)入空氣換熱器前的煙氣溫度約為680 ℃,將空氣預(yù)熱到350～420 ℃后以約320 ℃的溫度排出,余熱利用率低。

2 工藝流程及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

設(shè)置回收加熱爐水梁立柱熱損失的汽化冷卻裝置和回收排煙煙氣余熱的煙氣余熱回收裝置(兩個(gè)裝置合稱加熱爐余熱回收系統(tǒng))。爐內(nèi)水梁立柱更新后采用汽化冷卻方式;空氣換熱器采用增加預(yù)熱管等方法提升預(yù)熱溫度;在空氣預(yù)熱器后增設(shè)旁通煙道,并在旁通煙道中設(shè)置煙氣余熱回收裝置(包括過(guò)熱器、蒸發(fā)器、省煤器、水預(yù)熱器、煙氣—水換熱器等受熱面)。同時(shí)為進(jìn)一步回收煙氣低溫余熱,在煙氣余熱回收裝置后的煙道內(nèi)設(shè)置1套煙氣—水換熱器,用以進(jìn)一步回收煙氣余熱回收裝置后的低溫?zé)煔庥酂?。工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)工藝流程圖

2.1.1 煙氣系統(tǒng)

(1)空氣預(yù)熱器。預(yù)熱器使用年限已久,目前存在空氣預(yù)熱溫度低、阻力損失大等問(wèn)題。為充分回收爐尾煙氣余熱,改善助燃空氣預(yù)熱效果,降低煙道阻力,本次改造空氣預(yù)熱器重新設(shè)計(jì)更換,改造后空氣預(yù)熱溫度提升約50 K。

(2)旁通煙道。在空氣預(yù)熱器后和煙道閘板后新增加旁通煙道。煙氣余熱回收裝置正常工作時(shí),打開(kāi)旁通煙道,煙氣流過(guò)旁通煙道,經(jīng)排煙風(fēng)機(jī)將低溫?zé)煔饨?jīng)煙囪排入大氣;當(dāng)煙氣余熱回收裝置處于檢修狀態(tài)或故障,或者純水補(bǔ)水系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題,以及排煙風(fēng)機(jī)故障時(shí),關(guān)閉旁通煙道,煙氣流過(guò)主煙道,煙氣余熱回收裝置停止工作,保證加熱爐正常生產(chǎn)。旁通煙道的煙氣進(jìn)、出兩側(cè)上各設(shè)置1臺(tái)切斷閥,用于煙氣余熱回收裝置煙氣側(cè)流通的切斷和開(kāi)啟,保證煙氣余熱回收裝置或排煙風(fēng)機(jī)故障時(shí),主煙道與旁通煙道完全斷開(kāi)。

(3)排煙風(fēng)機(jī)。由于增加了煙氣余熱回收裝置,煙氣溫度降低和煙氣阻力增加,現(xiàn)有煙囪抽力不足,新增1臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。

(4)煙道插板閥。在煙道閘板前主煙道上增設(shè)1臺(tái)電動(dòng)插板閥,用于主煙道煙氣流通的切斷和開(kāi)啟,防止強(qiáng)制排煙時(shí)煙氣短路。

2.1.2 加熱爐余熱回收系統(tǒng)

加熱爐余熱回收系統(tǒng)主要由回收加熱爐水梁立柱熱損失的汽化冷卻裝置、回收排煙煙氣余熱的煙氣余熱回收裝置(余熱鍋爐和熱水系統(tǒng))以及為其服務(wù)的共用輔助系統(tǒng)組合而成。

(1)汽化冷卻裝置。加熱爐汽化冷卻裝置由汽包、循環(huán)水泵、水梁立柱、步進(jìn)裝置和連接管道等組成的整體。該裝置通過(guò)循環(huán)水冷卻水梁,同時(shí)向外提供飽和蒸汽。

(2)余熱鍋爐。

余熱鍋爐煙氣流程:余熱鍋爐入口→過(guò)熱器→蒸發(fā)器→省煤器→水預(yù)熱器→余熱鍋爐出口(接煙氣—水換熱器)。

余熱鍋爐汽水流程:補(bǔ)水泵來(lái)水→水預(yù)熱器→(除氧器→給水泵)→省煤器→汽包→蒸發(fā)器→過(guò)熱器→蒸汽外送。

(3)共用系統(tǒng)。共用系統(tǒng)由補(bǔ)充水系統(tǒng)、給水除氧系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、取樣冷卻系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和排汽系統(tǒng)等組成。此系統(tǒng)為汽化冷卻裝置和煙氣余熱回收裝置共用系統(tǒng)。

(4)熱水系統(tǒng)(低溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置)。為進(jìn)一步回收煙氣低溫余熱,在煙氣余熱回收裝置后的煙道內(nèi)設(shè)置1套煙氣—水換熱器,可將生活水加熱至90 ℃,送至熱水用戶使用。流程如下:生活水→溫度調(diào)節(jié)閥→煙氣—水換熱器→熱水箱→熱水管道泵→汽車運(yùn)輸。

2.1.3 控制系統(tǒng)

本余熱系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制模式,主要的控制內(nèi)容包括加熱爐爐膛壓力控制和余熱回收系統(tǒng)汽水控制。爐膛壓力控制原理如下:正常狀態(tài)下,關(guān)閉主煙道插板閥,煙氣通過(guò)新增旁通煙道,此時(shí),將入口百葉窗保持固定開(kāi)度,爐膛壓力通過(guò)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行控制;當(dāng)煙氣余熱回收裝置處于檢修狀態(tài)或故障,或者純水補(bǔ)水系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),以及排煙風(fēng)機(jī)故障時(shí),關(guān)閉旁通煙道2個(gè)電動(dòng)閥,煙氣通過(guò)利舊主煙道,此時(shí),爐膛壓力通過(guò)原有煙道閘板進(jìn)行調(diào)節(jié),爐膛壓力由風(fēng)機(jī)頻率控制還是由原有煙道閘板控制可根據(jù)系統(tǒng)畫面新增按鈕進(jìn)行切換,也可根據(jù)主煙道及新增旁通煙道插板閥、電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)自動(dòng)切換。汽水系統(tǒng)的自動(dòng)控制主要包括汽包水位和壓力控制、除氧器水位和壓力控制、軟水箱水位控制等內(nèi)容,確保余熱回收系統(tǒng)隨軋制工藝的變化平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

2.2 煙氣及蒸汽參數(shù)

2.2.1 煙氣參數(shù)

加熱爐燃料為由高爐煤氣(BFG)、焦?fàn)t煤氣(COG)、轉(zhuǎn)爐煤氣(LDG)混合而成的混合煤氣,熱值約9 839 kJ/m3,煤氣成分(體積分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1?？諝膺^(guò)剩系數(shù)取1.05,將干成分轉(zhuǎn)換為濕成分后計(jì)算煙氣成分(體積分?jǐn)?shù))見(jiàn)表2[3]。根據(jù)歷史運(yùn)行資料顯示,加熱爐平均煙氣量約50 000 m3/h,余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度約320 ℃。

表1 混合煤氣成分

表2 煙氣成分

2.2.2 余熱系統(tǒng)蒸汽參數(shù)

加熱爐余熱系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 余熱系統(tǒng)蒸汽參數(shù)

3 節(jié)能效果及分析

3.1 節(jié)能效果

項(xiàng)目實(shí)施后,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,空氣預(yù)熱溫度提升,蒸汽量平均為5～7 t/h。根據(jù)改造前后加熱爐能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,改造前能耗為40.06 kg標(biāo)煤/t(1 kg標(biāo)煤=29.30 MJ),改造后能耗為31.95 kg標(biāo)煤/t,年產(chǎn)量為50萬(wàn)t,年節(jié)約標(biāo)煤4 236 t,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益500萬(wàn)元人民幣。

3.2 影響因素及分析

該系統(tǒng)投運(yùn)后,后續(xù)回收水平與設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)是密不可分的。通過(guò)日常點(diǎn)檢維護(hù)、設(shè)備功能精度要求,鍋爐運(yùn)行期間參數(shù)控制要求,過(guò)熱器出口蒸汽壓力、產(chǎn)汽量、汽包水位、煙氣出口溫度等歷史趨勢(shì)跟蹤等措施,不斷提升余熱回收裝置管理水平,保障設(shè)備穩(wěn)定高效運(yùn)行。

目前,影響余熱回收量的主要因素包括加熱爐熱負(fù)荷變化、鍋爐各蒸發(fā)受熱面內(nèi)水與煙氣的熱交換程度等。2020年開(kāi)始,線材產(chǎn)線逐步推行低溫軋制工藝,以彈簧鋼為例,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì),2019年φ(5.5～10.5 mm)彈簧鋼平均出爐溫度為983 ℃,2020年為936 ℃,下降了47 K。同時(shí),通過(guò)空燃比自動(dòng)控制、停軋期間小流量控制等措施,加熱爐煤氣消耗較2019年明顯下降。以上因素導(dǎo)致加熱爐排煙溫度、煙氣量較2019年有所下降,導(dǎo)致產(chǎn)汽量下降。對(duì)于加熱爐整體能耗而言,2019年噸鋼能耗為30.5 kg標(biāo)煤,2020年1～7月噸鋼能耗為27.3 kg標(biāo)煤,與2019年相比是有所下降的,也有利于線材整體能耗和能源成本的節(jié)約。后續(xù)要繼續(xù)深入分析,挖掘節(jié)能潛力點(diǎn),精細(xì)控制,促進(jìn)綜合能耗進(jìn)一步下降。

4 結(jié)論與展望

線材加熱爐余熱回收改造項(xiàng)目的成功實(shí)施,對(duì)加熱爐余熱實(shí)現(xiàn)了充分的回收利用,帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外類似的步進(jìn)式加熱爐中均可應(yīng)用。后續(xù)要繼續(xù)探索,通過(guò)加熱爐小流量期間控制程序開(kāi)發(fā)、減少系統(tǒng)熱量損失、提升系統(tǒng)熱交換效果等方面優(yōu)化,不斷提高蒸汽產(chǎn)量。