冷軋退火爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)的探討

陳建環(huán)

（本鋼冷軋總廠， 遼寧 本溪 117000）

退火爐是大型碳鋼、合金鋼零件軋制過程中不可缺少的一類機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鋼鐵煉制和軋制生產(chǎn)工藝過程中[1]。一般來說，冷軋退火爐是冷軋帶鋼在保護(hù)氣體作用下進(jìn)行加熱、保溫、冷卻等退火處理操作的基礎(chǔ)性設(shè)備。通過冷軋操作，帶鋼內(nèi)部的晶圓組織結(jié)構(gòu)形式得到了改變，帶鋼外部形態(tài)得到重塑，同時(shí)拉伸力會(huì)得到增強(qiáng)，柔韌性增加，進(jìn)而適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)所的使用需求。冷軋退火爐在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量富含高能熱量的煙氣，這些煙氣能夠帶走部分爐內(nèi)能量，造成有效能量的損失，不利于鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能、環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。積極探索冷軋退火爐煙氣余熱的利用，是今后一段時(shí)間重要的研究課題。結(jié)合某鋼鐵公司冷軋退火爐軋制不銹鋼的工作流程，研究如何利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電，為冷軋退火爐煙氣余熱的有效利用提供一種新的思路。

1 冷軋退火爐基本情況

1.1 分布概況

某公司屬于國有大中型鋼鐵生產(chǎn)與加工企業(yè)，是我國西北地區(qū)重要的鋼材輸出企業(yè)，裝備有目前國內(nèi)較先進(jìn)的不銹鋼冷卻退火酸洗機(jī)組（Stainless Steel Cooling and Annealing Pickling Unit，SSCAPU），能夠生產(chǎn)AISI300 型、AISI400 型等多種不銹鋼型材。該公司配備有退火爐兩座，可以處理300 號(hào)～400 號(hào)的鋼材，可以處理寬度為1 000 mm±250 mm、厚度為2 mm±0.7 mm 的帶鋼。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，在鋼材加工與軋制過程中，熱效率為75%，也就是說有25%的熱能量損失。

1.2 冷軋退火工藝

在對(duì)不銹鋼進(jìn)行熱處理過程中，和冷軋退火爐相關(guān)的工藝流程如表1 表示。

表1 退火爐內(nèi)冷軋退火工藝流程

在以上工藝步驟實(shí)施之后，通過測(cè)量帶鋼本體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，確保應(yīng)力消除，得到組織結(jié)構(gòu)分布均勻的鋼結(jié)構(gòu)本體。以上工藝均在冷軋退火爐內(nèi)完成。退火爐在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生較多的高溫?zé)煔?，這種煙氣目前沒有很好的回收利用方法，多采用利用管道向室外排放的方式進(jìn)行處理。基于換熱器對(duì)退火爐的排煙管道進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)熱氣體的回收再利用，從而提高冷軋退火爐的使用效率。

2 基于換熱器的余熱發(fā)電技術(shù)

2.1 利用換熱器對(duì)冷軋退火爐余熱進(jìn)行回收

冷軋退火爐在使用過程中，主要有兩部分是產(chǎn)生余熱氣體最多的部分，一部分是利用干燥空氣對(duì)帶鋼進(jìn)行升溫、加熱和保溫的過程，另一部分是利用惰性保護(hù)氣體對(duì)帶鋼進(jìn)行降溫的過程。因此，對(duì)冷軋退火爐的余熱氣體進(jìn)行回收，主要集中在這兩個(gè)工作步驟中進(jìn)行[3]。

換熱器主要通過制造溫度差，實(shí)現(xiàn)不同溫度流體之間的能量傳輸，即使能量由高溫物體向低溫物體傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的可靠引導(dǎo)，最終使兩部分溫度達(dá)到一致，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。在表1 的步驟1 和4 中，由于需要利用干燥空氣對(duì)帶鋼進(jìn)行升溫并加熱、利用惰性保護(hù)氣體對(duì)帶鋼進(jìn)行降溫，涉及到溫度的劇烈變化，因此為使用換熱器進(jìn)行能量采集創(chuàng)造了條件。

在冷軋退火爐工作過程中，為了取得預(yù)期的余熱回收效果，采用兩級(jí)換熱技術(shù)進(jìn)行余熱回收。首先在排煙管道的干燥空氣升溫段增設(shè)空氣—煙氣換熱器，用于提取空氣降溫之后產(chǎn)生的剩余氣體。這段換熱器之后需要增設(shè)一臺(tái)加濕器，因?yàn)楦稍锟諝饨禍刂蟮氖Ｓ鄽怏w會(huì)更加干燥，不利于后續(xù)發(fā)電使用，所以增設(shè)加濕器，對(duì)收集的干燥空氣進(jìn)行低濕度加濕處理，避免干燥空氣在傳輸過程中因?yàn)榱魉龠^大、與管壁劇烈摩擦或者受到靜電干擾而產(chǎn)生爆震現(xiàn)象。接著在惰性保護(hù)氣體工作的管道中增加一級(jí)換熱器，對(duì)這部分氣體因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的多余煙氣進(jìn)行回收。這部分煙氣的初始溫度比較高，換熱器可以采用水- 煙氣換熱器，通過水循環(huán)對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行降溫。換熱器上設(shè)置有進(jìn)水口，進(jìn)水口灌注外接水源，水源需要提前進(jìn)行軟化，避免水中鈣化物在換熱器內(nèi)部進(jìn)行凝結(jié)，影響換熱器的使用壽命與安全性。換熱器的出水口外接廢水收集系統(tǒng)，對(duì)參與循環(huán)的軟水進(jìn)行回收，避免直接排放污染環(huán)境。兩段換熱器旁通管均配有多級(jí)風(fēng)閥，用于控制通風(fēng)量以及煙氣流動(dòng)速度。

整個(gè)過程中涉及到的主要設(shè)備及相關(guān)功能如表2 所示。

表2 冷軋退火爐余熱回收主要設(shè)備

2.2 利用氣體余熱進(jìn)行發(fā)電

對(duì)冷軋退火爐余熱進(jìn)行回收的目的，是為了利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電。對(duì)通過兩級(jí)換熱器收集到的含有余熱的氣體，首先進(jìn)行過濾處理，將其通過布袋式除塵機(jī)，將多余的粉塵等雜質(zhì)進(jìn)行濾除，將濾除雜質(zhì)之后的氣體通過主風(fēng)機(jī)進(jìn)行流速調(diào)節(jié)，增強(qiáng)其流動(dòng)速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)換熱器采集到的氣體流動(dòng)速度均一化，達(dá)到流速均勻的目的。將氣體進(jìn)行速度調(diào)節(jié)之后，將其輸入余熱鍋爐中，利用鍋爐對(duì)氣體進(jìn)行溫度均勻化控制，使兩級(jí)換熱器采集到的氣體溫度相一致，同時(shí)根據(jù)發(fā)電量的需求對(duì)氣體溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，滿足當(dāng)前的使用目的。對(duì)氣體進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)之后，將其通過分汽缸，實(shí)現(xiàn)氣體分離之后將其通過汽輪發(fā)電機(jī)組，推動(dòng)機(jī)組主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)從事實(shí)現(xiàn)做功，并提供電能輸出。對(duì)于通過汽輪發(fā)電機(jī)組之后輸出的多余氣體，將其通過凝結(jié)器冷凝成液態(tài)水，利用循環(huán)水泵輸入余熱鍋爐中進(jìn)行蒸發(fā)，變成水汽之后參與到循環(huán)過程中實(shí)現(xiàn)綜合利用。

整個(gè)過程中涉及到的主要設(shè)備及相關(guān)功能如表3 所示。

表3 冷軋退火爐余熱發(fā)電主要設(shè)備

2.3 冷軋退火爐余熱發(fā)電效果評(píng)價(jià)

在對(duì)冷軋退火爐煙氣余熱排放進(jìn)行發(fā)電適應(yīng)性改進(jìn)之后，為了評(píng)價(jià)這種技術(shù)的發(fā)電效果，選擇該公司2019 年的發(fā)電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4 所示。

由表4 可以看出，圍繞改進(jìn)之后的冷軋退火爐余熱發(fā)電技術(shù)，將年用電費(fèi)、年折舊費(fèi)、年用水費(fèi)和其他費(fèi)用相加，與年供熱抽用蒸汽費(fèi)用（標(biāo)煤耗費(fèi)用）進(jìn)行比較，之后乘以比例校正系數(shù)，可以得到余熱供熱平均成本熱價(jià)為17.8 元/kJ。這一價(jià)格比該公司所在城市使用化石能源（煤、天然氣等）所產(chǎn)生的供熱平均成本熱價(jià)21.5 元/kJ 略低，說明這種供熱方法能夠有效節(jié)約能源，具有較高的推廣效益，這也說明了本文所提出的對(duì)冷軋退火爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的正確性。

表4 該公司2019 年冷軋退火爐余熱發(fā)電效果

2.4 冷軋退火爐余熱發(fā)電過程中的注意事項(xiàng)

為了更好地利用退火鍋爐余熱氣體實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的，在實(shí)際操作過程中，應(yīng)該注意以下問題。

1）做好全過程的密閉工作。為了采集到余熱氣體，同時(shí)促進(jìn)氣體更好地流動(dòng)，必須要保證氣體有足夠的壓強(qiáng)。為了獲得理想的壓強(qiáng)效果，需要保證全過程都有較好的密閉性，避免出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象造成壓力不足，導(dǎo)致氣體在流動(dòng)過程中達(dá)不到理想的速度，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組時(shí)產(chǎn)生不了額定的電量，或者導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，使用效果不佳。

2）做好全過程的安全防護(hù)工作。冷軋退火爐產(chǎn)生的余熱氣體具有較高的溫度，經(jīng)過余熱鍋爐加熱后的氣體溫度也偏高，因此在進(jìn)行操作過程中應(yīng)該注意安全防護(hù)，避免出現(xiàn)燙傷事故，同時(shí)做好壓力監(jiān)測(cè)，因?yàn)闇囟茸兓饸怏w壓力變化，超過管路承壓極限時(shí)應(yīng)該采用安全閥放氣，保證系統(tǒng)內(nèi)的氣體壓力在安全范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)爆炸事故。

3 結(jié)語

如何利用冷軋退火爐產(chǎn)生的余熱氣體，實(shí)現(xiàn)鋼鐵煉制過程的高效、綠色、無污染轉(zhuǎn)型，是一個(gè)比較困難的問題。結(jié)合某國有大中型鋼鐵生產(chǎn)與加工企業(yè)中的冷軋退火爐分布情況，研究了如何利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電，具有一定的實(shí)際可操作性；在實(shí)際使用過程中，應(yīng)該結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，進(jìn)一步提升換熱和發(fā)電效率，促進(jìn)煙氣余熱利用技術(shù)的進(jìn)步。