帶鋼連續(xù)退火爐節(jié)能降耗技術(shù)分析

代雙葉

（重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶401122）

近年來，受消費市場刺激，國內(nèi)新建了大批帶鋼連續(xù)式退火機組。 退火爐作為機組重要的能源消耗設(shè)備， 其熱效率直接影響機組的能源消耗指標(biāo)。 目前， 連續(xù)退火爐的主要加熱方式是利用輻射管對帶鋼進行間接加熱，主要燃料是焦?fàn)t煤氣或天然氣。隨著燃料價格的上漲及環(huán)保要求的提高， 如何降低連續(xù)退火爐的單耗、提高機組熱效率、降低排放，以獲得更好的經(jīng)濟效益和社會效益[1]，成為促進企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素。

1 退火爐熱平衡

為精確找到提高系統(tǒng)熱效率的途徑， 引入退火爐系統(tǒng)熱平衡概念。對于退火爐系統(tǒng)，從熱量守恒的角度分析，熱量的供應(yīng)及消耗是相等的。

退火爐熱量輸入主要有：助燃空氣帶入爐內(nèi)的物理熱Q空入、保護氣體（N2+H2）帶入爐內(nèi)的物理熱Q保入、帶鋼帶入爐內(nèi)的物理熱Q鋼入、燃料燃燒的化學(xué)熱Q燃化及燃料帶入的物理熱Q燃物等。 其中，帶鋼加熱所需的熱量主要由燃料燃燒所產(chǎn)生的化學(xué)熱Q燃化提供。

退火爐熱量輸出主要有：帶鋼吸收的熱量Q鋼吸、煙氣帶走的熱量Q煙氣、退火爐散熱量Q爐散及退火爐保護氣體放散所帶走的熱量Q保散等。 其中，帶鋼吸收的熱量Q鋼吸及煙氣帶走的熱量Q煙氣為退火爐主要的熱消耗項。

2 退火爐熱效率提升的主要方法

退火爐熱效率受諸多因素影響， 主要包括裝備水平，設(shè)備維護情況以及操作水平等。熱效率的提升方法主要在設(shè)計和運行兩個方面體現(xiàn)。

2.1 退火爐熱效率

退火爐以加熱帶鋼為目的， 實際有效利用的熱量為帶鋼吸收的熱量Q鋼吸。 退火爐的熱效率為帶鋼吸收的熱量與總的熱量輸入之比。 退火爐主要的熱量輸入來自燃料燃燒的化學(xué)熱， 助燃空氣等帶入的物理熱忽略不計。 退火爐熱效率計算式如下：

根據(jù)式（2）可知，減少煙氣帶走的熱量Q煙氣、減少退火爐爐體的散熱量Q爐散以及降低退火爐保護氣體放散所帶走的熱量Q保散均能夠提高退火爐的熱效率。 提高退火爐的熱效率主要從以上三個方面開展工作。

2.2 通過設(shè)計優(yōu)化提高熱效率

2.2.1 減少煙氣帶走的熱量

燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)熱， 主要以輻射熱的形式在爐膛內(nèi)耗散， 但高溫?zé)煔庠谂欧诺倪^程中也帶走了大量的熱量， 可以通過煙氣余熱的利用提高退火爐的熱效率。

（1）預(yù)熱助燃空氣

設(shè)計選用自帶空氣預(yù)熱器的一級換熱輻射管燒嘴（如圖1所示），可以利用煙氣余熱對助燃空氣進行預(yù)熱。 該方法可將助燃空氣預(yù)熱到450 ℃左右，對煙氣余熱進行有效回收。

圖1 一級換熱輻射管燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

因一級換熱輻射管燒嘴的換熱器位于爐內(nèi)，換熱面積受到限制，導(dǎo)致?lián)Q熱能力受到較大影響，為了更加充分地利用煙氣余熱， 在輻射管煙氣出口增加二級換熱器（見圖2）。該方法能夠使助燃空氣的預(yù)熱溫度提高至500～600 ℃左右。

圖2 二級換熱輻射管燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

（2）煙道余熱回收

①保護氣體預(yù)熱器

為了利用煙氣余熱，退火爐通常設(shè)置預(yù)熱段，利用煙氣對保護氣體進行預(yù)熱， 預(yù)熱溫度可達(dá)450 ℃左右。在預(yù)熱段內(nèi)，保護氣體將該部分熱量傳遞給帶鋼。 利用這部分熱量可以將帶鋼的溫度由室溫提高至150～200 ℃。 保護氣體的預(yù)熱是通過煙氣-保護氣預(yù)熱器完成的， 保護氣體在爐內(nèi)的循環(huán)流動是由循環(huán)風(fēng)機提供動力完成的。

②為機組工序提供熱源

對于退火爐機組，退火爐前后均有熱量需求，例如清洗段烘干熱風(fēng)、 水淬后熱風(fēng)烘干、 拉矯機處熱風(fēng)、電解刷洗液以及堿液加熱等。由退火爐煙氣余熱提供這部分熱量能夠降低機組的能源消耗， 提高退火機組的熱效率。

目前國內(nèi)外機組通常采用兩種方式提供機組所需的上述熱量。一種是在煙道上設(shè)置過熱水系統(tǒng)，利用余熱鍋爐進行煙氣余熱回收。 該余熱利用系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，但余熱鍋爐屬于壓力容器，運行與維護要求較高。 另一種是在煙氣管道上設(shè)置熱風(fēng)換熱器和熱水換熱器，不再對中間介質(zhì)進行預(yù)熱。該余熱利用方式效率較高，系統(tǒng)維護方便，安全性高。

③預(yù)熱保護氣體

退火爐啟爐階段需要對退火爐進行長時間的洗爐操作， 一條100 m長的退火爐洗爐時長可達(dá)20～30 h，這期間需要消耗大量的保護氣體。 利用煙氣余熱將保護氣體加熱后，氣體體積膨脹，可以大幅度減少保護氣體的耗量。

退火爐煙氣余熱利用對機組熱效率的提升有明顯幫助， 但煙氣余熱的吸收利用必須確保排煙溫度不低于露點溫度，避免出現(xiàn)設(shè)備的低溫腐蝕現(xiàn)象。為保護設(shè)備，煙氣排放控制溫度不宜低于150 ℃。

2.2.2 減少退火爐爐體散熱

退火爐爐體散熱不僅是對能源的浪費， 還會使廠房內(nèi)環(huán)境溫度升高，惡化了勞動環(huán)境，增加了廠房散熱通風(fēng)壓力，對設(shè)備的運行也會造成不利影響。表1計算了爐體外表面溫度與熱損失之間的關(guān)系[2]。

由表1可知， 爐體外表面溫度由55 ℃升高到85℃時，散熱損失會成倍增長。按照爐體外壁溫度85 ℃計算，一條年產(chǎn)能60萬t的立式退火爐爐體散熱損失高達(dá)4000 kW。

表1 爐體外表面溫度、傳熱系數(shù)和熱損失

降低爐體散熱損失最有效的方法是設(shè)計合理的爐殼保溫層厚度。 保溫層越厚，爐墻外壁溫度越低，熱損失越少，但保溫層的增加會導(dǎo)致投資增加，如爐輥長度增加，輻射管長度增加等。設(shè)計中合理的控制爐墻厚度是保障生產(chǎn)和投資經(jīng)濟性控制的重要保證。 目前，通常按照環(huán)境溫度+40 ℃作為爐體外側(cè)控制溫度進行保溫設(shè)計。

2.2.3 降低保護氣體放散的熱損失

退火爐生產(chǎn)中必須要使用一定量的保護氣體（N2+H2）充到爐膛內(nèi)以確保爐內(nèi)氣氛滿足生產(chǎn)需要，并補充一定量的保護氣體以保證爐膛壓力滿足安全生產(chǎn)要求。 爐內(nèi)保護氣體的補充及放散均存在熱量的消耗或損失。 假設(shè)生產(chǎn)過程中加熱段爐膛保護氣體補充量為300 m3/h，爐膛溫度按800 ℃計算，該爐段氣體放散損失熱量約為90 kW。

退火爐爐膛保持良好的氣密性是減少放散熱損失量的有效措施。建設(shè)過程中爐殼氣密性良好，運行中因爐殼氣密性造成保護氣體泄漏越少， 熱量損失也就更少。 退火爐運行與維護期間也應(yīng)當(dāng)注意爐殼氣密性檢查。

2.3 通過生產(chǎn)運行管理提高熱效率

提高生產(chǎn)運行管理水平雖然涉及到諸多環(huán)節(jié)與設(shè)備，卻是實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高退火爐熱效率最快也是最便捷的手段。企業(yè)通常會在生產(chǎn)運行過程中結(jié)合自身情況，有針對性的采取措施以實現(xiàn)效益最大化。

2.3.1 避免過控制生產(chǎn)

過控制生產(chǎn)是指為了獲取穩(wěn)定的產(chǎn)品性能，提高帶鋼加熱控制溫度的現(xiàn)象。 這種生產(chǎn)狀態(tài)有一定的普遍性，過控制生產(chǎn)對燃料是一種極大的浪費，也會導(dǎo)致退火爐熱效率降低。針對這種情況，可以通過歷史數(shù)據(jù)采集分析并對不同的產(chǎn)品制定嚴(yán)格的帶鋼加熱制度，逐步減少過控制生產(chǎn)情況的發(fā)生。

2.3.2 合理的爐膛壓力

退火爐內(nèi)的保護氣體含有一定量的高溫氫氣，為了保證退火爐的安全運行， 爐膛壓力必須高于環(huán)境壓力。 但爐膛壓力值設(shè)定過高會增加爐內(nèi)保護氣體的泄漏及放散， 進而增加保護氣體消耗造成的熱量損失。 因此，在確保爐膛壓力安全的情況下，爐膛壓力控制值不宜過高。

2.3.3 合理的空燃比

為了避免燃燒器內(nèi)出現(xiàn)積碳等現(xiàn)象， 退火爐輻射管內(nèi)燃燒均為空氣過剩燃燒， 但助燃空氣過剩太多會帶走大量熱量。 空氣過剩系數(shù)可以通過檢測煙氣中氧氣的含量來計算，空氣過剩系數(shù)控制在1.05～1.1之間，能夠減少空氣過剩對退火爐熱效率的不利影響。

2.3.4 減少檢測誤差

退火爐的爐溫控制依據(jù)來源于各種檢測儀表的數(shù)值。因檢測儀表的精度和故障而造成的系統(tǒng)性熱消耗增加也值得關(guān)注。機組各種計量儀表必須進行定期的檢測標(biāo)定、排除故障，以減少因計量誤差而造成的能源浪費與熱量損失，從而提高退火爐的熱效率。

3 結(jié)語

文章通過對影響退火爐熱效率因素的分析，提出了提高退火爐熱效率的技術(shù)方法：煙氣余熱利用、爐體散熱控制、爐膛氣密性改善、避免過控制生產(chǎn)以及合理的壓力控制等。 通過上述技術(shù)在設(shè)計與運行中的合理運用，不僅能夠有效提高退火爐的熱效率，還能夠在降低燃料消耗的同時減少排放， 在取得經(jīng)濟效益的同時取得良好的環(huán)境效益， 為從事退火爐設(shè)計和運行的工作者們提供有益的借鑒。