黃聰仕,趙英春,陳廣勝，陳元升

(煙臺國冶冶金水冷設(shè)備有限公司，山東 煙臺 265500)

1968年，美國率先試驗出工業(yè)化的氬氧脫碳(Argon Oxygen Decarburization，以下簡稱AOD)工藝，即以氬氧精煉不銹鋼，其主要原理是：通過氧槍設(shè)備及爐子底部或側(cè)部內(nèi)置管路，導(dǎo)入主要成分是氧氣與氬氣或氮氣的混合氣體，煉制過程中，調(diào)節(jié)爐子內(nèi)部的氧氬比，建立合適的煉鋼氣氛，減少CO分壓，完成不銹鋼煉制。在這一過程中，伴隨著CO燃燒及大量含塵高溫?zé)煔獾纳伞?/p>

某公司現(xiàn)有的一座90 t AOD爐，除塵系統(tǒng)原采用水冷煙道+自然空冷器+除塵器的形式。煙道采用水冷結(jié)構(gòu)形式，其冷卻水每小時循環(huán)量約1 800 m3，不僅耗電量巨大，而且每一次循環(huán)還需要補充約3%～10%損耗掉的循環(huán)水。1 500 ℃左右的煙氣流經(jīng)煙道，循環(huán)水吸熱溫升約5～30 ℃后，就需要被冷卻塔處理冷卻，然后再一次循環(huán)。高溫?zé)煔庵械妮椛錈崃繘]有得到利用，屬于高耗能系統(tǒng)。

為了響應(yīng)國家相關(guān)的節(jié)能減排政策，節(jié)約能源，讓AOD爐排煙中的熱量得以利用，本設(shè)計將原煙道的水冷系統(tǒng)改造為汽化冷卻系統(tǒng)，將排煙中的熱量進行回收利用，所產(chǎn)生的蒸汽進入蓄熱站供余熱發(fā)電，以最大限度節(jié)約能源，降低煉鋼成本。

1 汽化冷卻煙道的設(shè)計

1.1 汽化冷卻煙道的設(shè)計條件

AOD爐容量/t：90

冶煉周期/min： 65±5

入口煙氣量(標(biāo)準(zhǔn))/m3·h-1：約130 000

煙道入口煙氣溫度/℃：約1 500

煙道出口煙氣溫度/℃：約800

爐氣成分:φ(CO)=85%;φ(CO2)=15%

煙氣成分:φ(O2)=6%;φ(CO2)=28%;φ(N2)=66%

爐氣含塵度(標(biāo)準(zhǔn))/g·m-3:約80

1.2 汽化冷卻煙道的設(shè)計參數(shù)

鍋爐型式：煙道式余熱鍋爐

煙道直徑/mm： 2 880

受熱管規(guī)格：爐口段Φ38 mm×5 mm (其他煙道Φ51 mm×5 mm)

受熱管材質(zhì)：20 G

汽包額定工作壓力/MPa：1.6

汽包額定工作溫度/℃：204

額定蒸發(fā)量/t·h-1：13

鍋爐給水溫度/℃：104

水循環(huán)方式：爐口段：強制循環(huán)

1.3 結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)改造優(yōu)化簡介

按為業(yè)主著想，節(jié)省投資，優(yōu)化生產(chǎn)的原則，盡量保有業(yè)主現(xiàn)有系統(tǒng)、管路等設(shè)備設(shè)施，改進設(shè)備結(jié)構(gòu)，優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)流程，充分回收利用熱量，整個煙道式余熱鍋爐布置圖見圖1，整個工藝流程見圖2。

圖1 煙道式余熱鍋爐示意圖

圖2 工藝流程示意圖

1.3.1 工藝設(shè)備改造

原煙道位于爐口之上，由212根直徑為42 mm的無縫鋼管組成的密排管式水冷煙道，圖3為原煙道結(jié)構(gòu)剖面示意圖，根據(jù)鍋爐規(guī)范及熱力計算的相關(guān)結(jié)果，將煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，管與板之間進行氣密性焊接，而且該焊縫盡可能使用膜式壁焊機進行自動焊接。保證了煙道整體氣密性好，能適應(yīng)煉鋼工藝對鍋爐的要求，不易沾渣、漏風(fēng)少，提高余熱鍋爐熱效率。

圖3 原煙道結(jié)構(gòu)剖面示意圖

受熱管的壁厚涉及鍋爐的換熱效率及安全運行，而在不銹鋼冶煉過程中，煙氣、煙塵等沖刷磨損是導(dǎo)致管壁厚度減薄的原因之一，另以腐蝕機理而言，當(dāng)廢鋼原料中含有部分硫，氯等元素后，產(chǎn)生的煙氣會產(chǎn)生高溫腐蝕等，加速管壁減薄的進程，容易導(dǎo)致受熱管破損漏水，迫使系統(tǒng)不能正常運行。

為了提高煙道使用壽命，保證鍋爐安全平穩(wěn)運行，可在煙道的內(nèi)表面進行特殊的處理即用鎳基焊絲(INCONEL625)進行表面堆焊。該技術(shù)是在普通低碳鋼表面堆焊鎳基合金1.6～2.5 mm(見圖4、圖5)，其合金層在870 ℃下裸露16 000 h后的高溫非比例延伸強度為435 MPa(遠大于受熱管常溫非比例延伸強度：245 MPa)，延伸率30%，布氏硬度≤220 HB, 可隔離受熱管與外界的煙塵，具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性好、抗沖蝕性強的特點，對煙道壽命有明顯的提升效果。

圖4 堆焊試樣

煙道的設(shè)計參數(shù)根據(jù)鍋爐系統(tǒng)設(shè)計的要求進行提高，按鍋爐要求做相應(yīng)的修改，制作、監(jiān)檢等環(huán)節(jié)都按鍋爐規(guī)范進行。

爐口處拐點以上的煙道傾斜布置，鍋爐運行時，易發(fā)生汽水分層現(xiàn)象，在部分煙道加裝不銹鋼的螺旋擾流板，以改善傳熱效果，盡量減少爆管現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5 煙道堆焊成品

汽化冷卻煙道體積龐大，屬于鍋爐類特種設(shè)備，各段均整體安裝，設(shè)計時配合考慮煙道在業(yè)主廠房內(nèi)的安裝和更換通道。

增配1臺汽包，其內(nèi)徑2.4 m，直段長8 m，其水容積滿足不補充新水可煉一爐鋼的要求，因事故斷水時保證AOD爐冶煉順利結(jié)束和安全停爐；其次，內(nèi)部蒸汽分離裝置要充分分離汽包內(nèi)的汽水化合物，保證蒸汽品質(zhì)；第三，汽包內(nèi)設(shè)有給水分配裝置，高壓強制循環(huán)的下降管增設(shè)防旋渦裝置。

汽包額定工作壓力1.6 MPa,額定工作溫度204 ℃。為確保安全，在汽包上設(shè)置安全閥二套、緊急放散閥組一套及相應(yīng)的排汽消聲器，當(dāng)系統(tǒng)超壓時進行緊急排放，以保系統(tǒng)安全。

按系統(tǒng)配置需要，增設(shè)泵組、除氧器、排污擴容器、加藥裝置取樣冷卻器、閥組等相關(guān)設(shè)施。

1.3.2 系統(tǒng)改造優(yōu)化

汽化冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計等，都影響著鍋爐效率、鍋爐安全經(jīng)濟運行水平以及環(huán)境污染。為了進一步提高鍋爐熱效率，降低鍋爐系統(tǒng)設(shè)備造價，提高鍋爐的運行自動化水平，優(yōu)化鍋爐及其輔助設(shè)備的運行可靠性，降溫除塵減少對環(huán)境的污染，根據(jù)90噸 AOD爐汽化冷卻煙道的設(shè)計條件及參數(shù)，建立受熱面的煙氣側(cè)及汽水側(cè)流程和汽水循環(huán)模型等，按照標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》(1973年)計算鍋爐受熱面，煙氣傳熱等。依據(jù)結(jié)果，優(yōu)化鍋爐受熱面的布置、鍋爐蒸汽參數(shù)，調(diào)節(jié)煙氣動力等。

設(shè)計計算鍋爐受熱面及進行熱力計算，相關(guān)結(jié)果見圖6及表1。

圖6 熱力計算示意圖

表1 各分段熱力計算匯總表

熱力計算作為汽水和煙氣動力計算、煙氣阻力計算、設(shè)備強度計算等的基礎(chǔ)，必須嚴(yán)格計算，不能僅憑感覺、經(jīng)驗或按路由方便，在沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持的基礎(chǔ)上，隨意布置循環(huán)管路系統(tǒng)，這將導(dǎo)致管路負(fù)荷不合理，可能引發(fā)事故。

為了優(yōu)化系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用我公司自主研發(fā)的余熱鍋爐復(fù)合式自動循環(huán)系統(tǒng)發(fā)明專利技術(shù)，本技術(shù)根據(jù)AOD爐煙氣的初始工況選用最安全經(jīng)濟的熱水循環(huán)泵，隨工況變化運行，可達到節(jié)約運行成本和增加系統(tǒng)產(chǎn)汽量的目的。

以此技術(shù)應(yīng)用的本案90T AOD爐余熱鍋爐(高溫段煙道部分)為例，相比常規(guī)的設(shè)計，平均產(chǎn)汽量增加約1.5 t/h，平均電耗節(jié)約50 kW/h，按設(shè)備年工作330天，蒸汽單價100元/t，電價0.85元/(kW·h)計算，年收益增加約150萬。

1.3.3 優(yōu)化后的汽水系統(tǒng)簡介

1) 給水系統(tǒng)

由煉鋼軟水站送來的軟水接入軟水箱，由軟水泵加壓送入除氧器，經(jīng)除氧器除氧后，儲存在除氧水箱，除氧水由鍋爐給水泵加壓送入汽包。

2) 蒸汽系統(tǒng)

汽包內(nèi)的鍋水經(jīng)下降管分配至各段煙道，被加熱變?yōu)槠旌衔锖筮M入汽包進行分離，分離后的水通過下降管再次進入煙道進行循環(huán)。由于汽化冷卻煙道產(chǎn)生的蒸汽是間斷的，并且蒸汽量也在不斷變化，如果直接送入管網(wǎng)將使管網(wǎng)的壓力產(chǎn)生波動，影響用戶的正常使用。因此，為了使余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽連續(xù)穩(wěn)定地送入管網(wǎng)，減少對管網(wǎng)的沖擊，系統(tǒng)設(shè)變壓式蓄熱器。余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽與蓄熱器并網(wǎng)，經(jīng)蓄熱器后送至廠區(qū)管網(wǎng)供用戶使用。

3) 排污系統(tǒng)

為保證余熱鍋爐安全運行，采用連續(xù)排污系統(tǒng)來控制爐水堿度及含鹽量。連續(xù)排污水送入連續(xù)排污擴容器，減溫降壓后分離出的二次蒸汽送入除氧器，廢熱水則排入排污降溫池，經(jīng)冷卻后排入下水管道。

2 汽化冷卻煙道的技術(shù)優(yōu)勢

2.1 節(jié)水效果

我國是全球人均水資源最貧乏的國家之一，該煙道對比水冷煙道而言，節(jié)水效果明顯。水冷煙道系統(tǒng)只能利用水的進出口的溫差焓差帶走熱量，汽化冷卻系統(tǒng)利用的是水的汽化焓熱，在帶走同量的熱量下，汽化冷卻系統(tǒng)耗水量僅為水冷系統(tǒng)的4%左右。

2.2 汽化冷卻系統(tǒng)熱效率

該汽化冷卻系統(tǒng)改變了環(huán)保設(shè)備只見投入不見產(chǎn)出的現(xiàn)狀，最大限度將高溫?zé)煔庥酂峄厥眨仩t系統(tǒng)產(chǎn)生壓力為1.6 MPa的蒸汽，投產(chǎn)后實際產(chǎn)量平均約16.5 t/h， 按設(shè)備年工作330天，蒸汽單價100元/t計算，鋼廠年收益增加一千余萬元，正常生產(chǎn)條件下，一年左右就可以收回投資。

2.3 汽化冷卻系統(tǒng)安全性

汽化冷卻系統(tǒng)安全性較水冷系統(tǒng)有了較大提高，設(shè)置了安全閥等種種附屬設(shè)備設(shè)施，確保系統(tǒng)運行安全可靠。

3 結(jié) 論

本設(shè)計力求降本增效,為不銹鋼企業(yè)效益提升尋找到一條可行之路，尤其適合建廠較早的不銹鋼企業(yè),其設(shè)備大多采用水冷系統(tǒng)，能耗較大，結(jié)合其工廠的特點,做此余熱鍋爐改造，可節(jié)能降耗，滿足市場要求,提升自身競爭力。