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(yè)加熱爐是軋鋼車間的關(guān)鍵設(shè)備，同時也是軋鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程中主要耗能設(shè)備，鋼鐵企業(yè)通常利用煤氣（高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣或焦?fàn)t煤氣）作為燃料對鋼坯進行加熱［1］，加熱爐內(nèi)燃料燃燒后高溫區(qū)域溫度1 300 ℃左右，通常加熱爐尾部布置空氣加熱器預(yù)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(dāng)于送入爐內(nèi)熱量的30%左右［2］。隨著鋼鐵行業(yè)能耗標(biāo)準的提高，現(xiàn)階段國內(nèi)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(fēng)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(yè)“碳中和、碳達峰”國家戰(zhàn)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(shè)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(shè)計

2.1 加熱爐煙氣主要參數(shù)

加熱爐煙氣基本參數(shù)如表1所示，加熱爐煤氣燃燒后，經(jīng)加熱爐內(nèi)預(yù)熱鋼坯后，加熱爐外排煙氣溫度在300～350 ℃波動，正常生產(chǎn)條件下煙氣量平均為46 000 m3/h。

2.2 余熱鍋爐設(shè)計參數(shù)及布置

根據(jù)現(xiàn)表1中加熱爐煙氣的相關(guān)參數(shù)條件，設(shè)計了相應(yīng)的水冷管式余熱鍋爐，其具體設(shè)計參數(shù)為：平均蒸汽產(chǎn)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(jù)管網(wǎng)實際要求）；余熱鍋爐爐型臥式。余熱鍋爐設(shè)計蒸汽產(chǎn)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(zhì)標(biāo)準》；軟化水水泵設(shè)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(shè)計，年運行小時數(shù)＞8 000 h。

表1 軋鋼加熱爐煙氣參數(shù)

圖1為余熱鍋爐系統(tǒng)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(dāng)余熱鍋爐正常生產(chǎn)時，將2號切斷閥關(guān)閉，1號和3號切斷閥打開；當(dāng)余熱鍋爐需要檢修時，關(guān)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(fā)器、過熱器及汽包組成。熱風(fēng)爐產(chǎn)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(xù)風(fēng)機運行過程中的磨損，設(shè)計過程中在余熱鍋爐尾部設(shè)計有沉降室。

圖1 加熱爐余熱鍋爐布置

3 實際生產(chǎn)效果分析

根據(jù)項目設(shè)計前期對余熱鍋爐風(fēng)量的檢測，在穩(wěn)定生產(chǎn)過程中加熱爐風(fēng)量平均為46 000 m3/h，余熱鍋爐設(shè)計最大外排煙氣溫度為350 ℃時，經(jīng)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(jù)余熱鍋爐設(shè)計參數(shù)，根據(jù)式（1）計算可知，設(shè)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(chǎn)后，對余熱鍋爐運行60 d數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，其平均進口煙氣溫度約為330 ℃，出口煙氣溫度174 ℃，根據(jù)式（1）計算可知，實際生產(chǎn)過程中煙氣經(jīng)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(nèi)，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(jù)實際煙氣減少熱量（9 472 320 kJ/h）和生產(chǎn)蒸汽熱量（8 700 000 kJ/h）計算結(jié)果，可以看出實際生產(chǎn)過程中蒸汽帶走的熱量與余熱鍋爐設(shè)計實際蒸汽產(chǎn)量略低于設(shè)計產(chǎn)能；同時，實際產(chǎn)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(chǎn)后熱風(fēng)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(nèi)，實際生產(chǎn)效果驗證了鍋爐設(shè)計、計算的正確性，余熱鍋爐的正常生產(chǎn)也驗證了加熱爐增設(shè)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(jīng)濟效益分析

項目總投資約為120 萬元，經(jīng)過近2 a 的生產(chǎn)運行，余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量基本可以維持在3.0 t/h左右，其中加熱爐按照年作業(yè)率75%計算，蒸汽年產(chǎn)量約為19 656 t。按照企業(yè)內(nèi)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(fēng)機，經(jīng)過生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，引風(fēng)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(shè)水泵、控制設(shè)備等，年消耗電量成本約5.4 萬元?？鄢嚓P(guān)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(jié)語

在加熱爐外排煙氣管道并列增設(shè)余熱鍋爐回收煙氣余熱的方式，經(jīng)過2 a多正常、滿負荷的生產(chǎn)運行，余熱鍋爐各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求。通過對比增設(shè)余熱鍋爐前后引風(fēng)機用電量發(fā)現(xiàn)增設(shè)余熱鍋爐后引風(fēng)機耗電量不僅沒有增加，而且引風(fēng)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(fēng)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(fā)現(xiàn)水冷管沒有出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)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(chǎn)實踐證明這種煙氣余熱回收利用鍋爐很好地實現(xiàn)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。