熱軋加熱爐余熱利用的實踐

劉全利

寶鋼不銹鋼有限公司熱軋廠

1 概述

寶鋼不銹鋼有限公司的碳鋼與不銹鋼全流程冶煉工藝，存在著豐富的余熱余能資源，自不銹鋼工程建設以來，以擴大回收與高效利用并行為指導思想，堅持技術與管理并重、綜合利用多樣化的策略,著力對標行業先進，依托科研攻關,探索低品位余熱回收和高價值利用途徑,并不遺余力地開展深層次余能回收挖潛工作，為公司余能余熱回收利用持續提升提供了保障。[1]

公司熱軋廠共有三座相同爐型的加熱爐，以天然氣為燃料，用于碳鋼和不銹鋼板坯的軋前加熱，出爐板坯溫度范圍為1070～1260℃，最高爐氣溫度為1320℃。依照余熱梯級回收利用原理，在高溫余熱（煙氣溫度高于1000℃）利用方面采用了汽化冷卻和乏氣回收技術，在中溫余熱（煙氣溫度高于700℃）利用方面設置了熱回收段和空氣余熱器，在低溫余熱（煙氣溫度大約300～500℃）利用方面通過余熱鍋爐系統生產蒸汽。根據加熱爐余熱熱源性質不同， 采用梯級回收工序，最大限度地回收加熱爐余熱。[2]以下將對近年來圍繞熱軋加熱爐所采取的余熱回收措施逐一進行介紹。

2 汽化冷卻

圖1 加熱爐汽化冷卻系統示意圖

熱軋加熱爐冷卻構件的冷卻, 主要有水冷卻和汽化冷卻兩種方式。水冷卻是利用水的溫升吸收熱量, 汽化冷卻主要是利用水變成蒸汽時吸收的大量汽化潛熱使冷卻構件得以冷卻。在吸收同樣熱量的情況下, 汽化冷卻系統的給水量僅為水冷卻系統的1/ 60 左右, 具有顯著的節水效果。同時汽化冷卻系統的縱爐底管滑道溫度比水冷卻系統要高得多, 這對于減輕鋼料黑印, 改善鋼料加熱溫度的均勻性有一定好處。因此, 汽化冷卻在一定程度上提高了加熱爐的鋼料質量。由于加熱爐汽化冷卻系統具有節能及減輕鋼料黑印等優點, 深受廣大用戶歡迎, 目前國內大部分軋鋼加熱爐已采用汽化冷卻技術。[3]

熱軋廠三座加熱爐由中冶賽迪公司設計，在設計時已考慮汽化冷卻技術，單座加熱爐汽化冷卻系統示意圖見圖1，整體系統由水梁立柱系統、循環回路系統、給水系統、補給水系統、蒸汽系統、排汽系統、排污系統、爐內加熱系統、取樣冷卻系統等組成。每座步進梁式加熱梁及立柱總的平均熱負荷約為49 455 MJ/h，最大熱負荷79 898 MJ/h，可產生壓力為1.25～1.57 MPa的飽和蒸汽16～25 t/h，產生的蒸汽一部分在車間內部使用，其余蒸汽并入公司蒸汽管網統一調配使用。為保證水循環的可靠及穩定，防止冷卻構件超溫等現象發生，加熱爐汽化冷卻系統采用強制循環方式，每座汽化冷卻裝置的循環水流量為940 m3/h。

3 乏氣回收

由于熱軋廠加熱爐均配置汽化冷卻系統，汽包裝有自動放散閥，汽包工作壓力為1.25 ～ 1.57 MPa，當汽包運行壓力超過設定壓力后，放散閥自動調節開口度通過放散調整系統壓力，保證運行的穩定性。每臺加熱爐通過放散管每小時約有1～6 t低壓高溫蒸汽（以下簡稱乏汽）在廠房頂部排放。公司內部生活樓職工浴室原使用蒸汽加熱的方式供應熱水，并且存在大量浪費的現象。為將放散乏汽充分回收，在汽化冷卻系統放散管附近選址建造不銹鋼儲水箱，將放散蒸汽引入安裝在儲水箱內的高效換熱器，通過放散蒸汽對水箱內的生活水進行加熱。水箱內生活水換熱后升溫變成高溫生活水，高溫生活水供生活樓使用具有可行性。不銹鋼公司針對該可行性，于2012年啟動乏氣回收項目，該項目實施按合同能源管理模式進行，2013年1月底建設完工，經1個月試運行，整個乏汽回收系統（見圖2）運行穩定，乏汽回收和利用達到項目預期，對汽化冷卻系統的正常運行沒有任何影響，順利通過功能考核[4]。

乏氣回收合同能源管理項目新增設備（電動頭閥門、儀表等）消耗功率為4 kW/h，可回收顯熱總量平均約為1 620萬kJ/h，充分利用該部分顯熱相當于節約標準煤約0.7t/h，減排二氧化碳約1.96 t/h，機組按年運行7 200 h計，年節約標準煤5 040 t，減排二氧化碳 14 112 t。

4 熱回收段

中冶賽迪公司在熱軋廠加熱爐設計時已考慮通過較長的熱回收段來充分利用中溫煙氣的余熱。我廠加熱爐為五段式結構，分別為熱回收段、預熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段，其中熱回收段不供熱。設計時爐頂有一些局部的壓下和起伏，其中熱回收段上部爐膛高度和供熱段相比有適度壓下，對煙氣進行“扼流”。在熱回收段，煙氣溫度通常在900℃以下，鋼坯獲得的熱量以對流傳熱為主，爐膛高度降低后，煙氣流速增加，使綜合給熱系數顯著提高。同時，爐膛高度降低，煙氣對鋼坯表面的吸附作用更加明顯，也有利于熱交換[5]。

熱軋廠加熱爐有效爐長41.7 m，其中熱回收段11.7 m，較長的熱回收段設置可充分回收煙氣熱量，降低煙氣溫度，減少煙氣帶走的熱損失，利用好余熱資源。經測算，在700～850℃的溫度范圍內，熱回收段長度每增加1 m，排煙溫度降低12～25℃。當然，爐長增加后，爐體散熱損失及水梁立柱冷卻帶走的熱量也相應增加，但這些損失與煙氣余熱回收帶來的收益相比要小得多。

5 助燃空氣預熱

圖3 煙道內的換熱器

加熱爐煙氣帶走熱量一般占燃料供給熱量的30%以上，回收高溫煙氣的余熱用來預熱助燃空氣是普遍的做法。我廠加熱爐為下排煙，在兩側煙道內各設置一臺換熱器（見圖3）來預熱助燃空氣。換熱器被吊掛在煙道內，空氣從換熱管內流通，而煙氣從換熱管外流通。換熱管規格為￠54×3 mm，迎煙氣面的前三排換熱管的材質為310S，并在此三排換熱管上都設置了膨脹補償器，使其能自由膨脹補償。其余換熱管的材質依次為321、10#碳素鋼管。換熱器入口煙氣溫度為650～800℃，換熱器出口煙氣溫度為350～400℃，預熱后的熱風溫度為380～420℃。根據加熱爐熱平衡測試結果，空氣帶入物理熱量為35.75×106 kJ/h，占總熱量投入的11.99%。

6 余熱鍋爐

熱軋廠每臺加熱爐平均煙氣量85000 Nm3/h，經換熱器換熱后平均煙溫達350℃，高溫煙氣的總熱焓達135*106 kJ/h。以往這些熱量直接排放到大氣，一方面浪費大量的二次能源，另一方面也對大氣造成熱污染。2013年，寶鋼不銹鋼公司啟動余熱鍋爐項目，將煙氣通過煙道引入余熱鍋爐生產蒸汽，排煙溫度降至160℃左右，既可以降低熱軋工序能耗，產生較大的經濟效益，也可減少對大氣的熱污染，具有較好的社會效益。

本項目采用傳統實用的節能技術，即在煙道中安裝余熱鍋爐回收煙氣余熱，產生蒸汽，其余熱回收情況見圖4和圖5。加熱爐所配余熱鍋爐為自然循環水管鍋爐，鍋爐立式布置，主要受熱面為螺旋翅片管結構，翅片材料根據受熱面所處位置的煙溫不同，分別選用不銹鋼和碳鋼，鍋爐受熱面主要包括蒸發受熱面和省煤器，沿煙氣流向依次布置；鍋爐采用模塊化設計，安裝現場只需進行堆垛即可完成，這樣即可大幅降低安裝工作量和安裝周期，又很好的保證了設備質量。

圖4 改造前加熱爐煙氣系統運行狀況

圖5 改造后加熱爐煙氣系統運行狀況

按兩套加熱爐余熱鍋爐平均產量計算，每小時生產1.8 MPa，300℃過熱蒸汽，合計平均產汽量為20.4 t/h，用電設備為鍋爐補水泵、鍋爐給水泵、引風機等，總用電負荷為240 kW，消耗軟水量約22 t/h，年作業時間7200h，蒸汽按120元/t，電價按0.61元/kWh，軟水按10元/t 計算，年經濟效益約為1500萬元，折標煤1.8萬t，年減少溫室氣體CO2排放量約4.49 萬t[6]。

7 結論

以擴大回收與高效利用并行為指導思想，堅持技術與管理并重、綜合利用多樣化的策略，寶鋼不銹鋼公司熱軋加熱爐從設計開始至近年來開展了一些項目，在余熱回收利用上開展了系列實踐活動。依照余熱梯級回收利用原理，對于高能位的余熱在經濟合算的條件下盡量多回收熱量, 通過汽化冷卻系統生產蒸汽及通過乏氣回收產生活用熱水，并盡可能將其反饋于本爐內, 或用來預熱原料, 或用來加熱助燃空氣,以提高本爐的熱效率,達到直接節能的目的，經一次利用后的低溫余熱,則用余熱鍋爐系統再次回收和利用。

[1]金 周.寶鋼不銹鋼公司余熱余能利用探索與實踐.上海節能，2014 ，（11）：36-39.

[2]武紹井，李承武，劉世水.余熱梯級回收技術在線棒材加熱爐上的應用.工業爐，2014 36（2）：44-46.

[3]李元章.軋鋼加熱爐汽化冷卻余熱的合理利用技術.冶金能源，2004 23（5）：57-58.

[4]劉全利，楊顯峰.加熱爐汽化冷卻系統乏汽回收利用實踐.2014年全國冶金能源環保生產技術會文集.中國金屬學會，2014年10月，湖北，武漢.

[5]趙建明.軋鋼加熱爐煙氣余熱利用的思考.工業加熱，2010 （5）：53-55.

[6]劉 偉.熱軋加熱爐煙氣余熱回收利用技術.冶金動力，2014 （8）：56-58.