連續退火爐余熱回收技術應用

許 翔，汪紅兵，顧厚淳

(1馬鋼冷軋總廠；2馬鋼能源環保部，安徽馬鞍山 243000)

引言

退火爐是冷軋后處理生產線的核心裝備，也是冷軋能源消耗大戶。其中冷軋連續后處理生產線采用了連續退火爐工藝，一般采用立式或臥室結構退火爐，生產效率高，板型控制優，能夠生產汽車板及家電板等高附加值產品。

退火爐熱處理過程中能源消耗主要是燃氣消耗，在生產線各種能源消耗中占比超過60%，燃氣產生的高溫廢氣的熱能再回收利用有極高的經濟效益。

1 現狀

目前，馬鋼股份公司冷軋總廠2130 連續退火機組現設置有360 根輻射管退火爐，燃料為高爐煤氣與焦爐煤氣混合煤氣，燃氣耗量平均約11000 m3/h，排出的煙氣經第一級換熱器換熱后對爐內帶鋼進行預熱，再摻冷風后降至350 ℃，最后通過廢氣風機送至煙囪排放。

現有煙氣余熱回收系統雖然利用了煙氣中部分的余熱給退火爐自身的預熱段使用，并設置1 臺過熱水換熱器，生產過熱水供生產線清洗段使用，未考慮外供，未充分利用自身的余熱資源。現過熱水換熱器因外方設計不合理處于停用狀態。

2130 連退線退火爐年運行時間約7900 h，混合煤氣熱值9200 kJ/m3，熱值波動±400 kJ/m3。由于退火爐輻射管控制模式為ON/OFF 模式，生產規格品種不同的帶鋼時，所消耗的的煤氣量及產生的煙氣溫度波動較大，煤氣量最小4000 m3/h，最大煤氣量14000 m3/h，空燃比1：1.2，最低煙氣溫度250 ℃，最高煙氣溫度490 ℃，平均煙氣溫度425 ℃。該處的余熱資源未能完全利用。

2 技術方案選擇與描述

2.1 技術方案比較

(1)熱風換熱器和熱水換熱器方案

根據煙道的形狀設計，新增熱水換熱器，同時設置煙氣旁通，合理地控制進入水換熱器的煙氣流量，從而控制水的被預熱溫度。新增熱水換熱器考慮了現有煙道阻力和排煙風機的抽力，不需要更換強制排煙風機，而且減少了煙氣溫度，更加有利于排煙風機保護；在煙道內設置熱風換熱系統，采用煙氣余熱直接加熱熱風的方式，供給退火機組的熱風烘干裝置使用，煙氣的熱量直接轉化成熱風，省去了中間熱轉化過程，比產生蒸汽后再并網使用的方式更有效、更節能。此外，爐尾煙氣溫度低于350 ℃，可以將熱風預熱到100～150 ℃，高于飽和蒸汽的可加熱溫度，不僅滿足現有設備的溫度要求，而且有利于增強帶鋼的烘干效果。

(2)余熱鍋爐方案

根據該退火爐煙氣余熱資源，本方案將新建一臺余熱鍋爐，余熱鍋爐采用單壓飽和蒸汽系統，退火爐尾部的高溫煙氣送入余熱鍋爐、經過鍋爐換熱后，溫度降低至150～170 ℃后經抽排風機接煙囪排入大氣，無需更換原排煙風機。其中補水系統經二級省煤氣加熱至除氧器，除氧器出水經一級省煤器加熱至汽包，汽包產生的飽和蒸汽直接并入車間內蒸汽管網，供本機組使用，減少外購蒸汽。

（3）方案比較

新增熱水換熱器和熱風換熱器方案雖然省去了中間熱轉化過程，直接供應到用戶點，施工難度大，需要在廠房內架設集中供熱風管路，熱水的使用還需要在用戶點增加一定容積的水箱，在煙道上安裝熱水換熱器與熱風換熱器，煙道的空間有較高要求；此外由于連退爐受產品品種規格變化，煙氣溫度及流量波動大，煙氣上限狀態時余熱得不到充分利用，煙氣下限狀態時，供熱不足，用戶點還需要外網蒸汽補充，對用戶系統沖擊大。

采用余熱鍋爐形式，雖然需要中間轉化過程，但直接產生飽和蒸汽并網，現有車間內設備不需要做任何改動，連退爐受產品品種規格變化，煙氣溫度及流量波動大，只是體現在飽和蒸汽的補給上，通過外網蒸汽的補給可實現系統平衡，最大限度利用系統余熱資源，此外對煙氣管道施工難度小，煙氣排煙溫度可控。

綜上所述，本次煙氣余熱系統改造采用了余熱鍋爐形式。

2.2 主要系統描述

2.2.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐按照《鍋爐安全技術監察規程》進行設計，由熱管蒸發器、熱管省煤器、本體管路、汽包、除氧器、安全附件、一次儀表、本體保溫、保溫外包鍍鋅薄鋼板、平臺扶梯、防雨棚等組成。

余熱鍋爐要求生產0.6 MPa，165 ℃的飽和蒸汽，余熱鍋爐有防止漏水事故的措施。保留旁通煙道，如出現漏水事故直接切換至旁通煙道，不影響連退機組安全穩定運行，同時保證余熱回收蒸汽量穩定。余熱煙氣流程，經過原系統預熱段換熱器之后的尾部煙氣依次進入蒸發器、一級省煤器和二級省煤器換熱后，溫度降低150～170℃后經引風機接煙囪排入大氣，系統流程見圖1。

圖1 余熱回收系統流程圖

鍋爐在額定工況參數下，額定蒸汽參數不低于設計值；鍋爐可用于變負荷運行，在負荷不小于40%工況下能長期穩定運行。正常運行條件下鍋爐兩次大修間隔達到4 年，鍋爐本體使用壽命不少于30年，受熱面使用壽命不少于4 年。余熱鍋爐使用壽命不低于10萬h。鍋爐強迫停用率＜2%。

采用工業除鹽水，確保余熱鍋爐的用水要求，水質需要符合國家《工業鍋爐水質標準》GB1576-2008 規定的給水水質。

2.2.2 自動化控制

熱工自動化，余熱回收系統的控制實現全自動化。機組控制方式，采用就地加遠程控制方式。其控制系統采用西門子PLC 控制系統加HMI 上位機結構。

根據本方案設備的可控性，當前自動化儀表使用水平考慮到冶金系統自動化檢測與控制的特點等，形成較完善的監視、控制、通訊及保護功能，余熱鍋爐水位調節要適應余熱煙氣急劇變化需要，確保余熱回收系統不得出現缺水和排水事故。

軟水補充至軟水箱，軟水箱水位通過補水閥控制，實現軟水箱水位自動控制。軟水經變頻泵由二級省煤氣加熱輸出至除氧器，除氧器水位由輸出泵及輸入流量控制，溫度由二級省煤器控制，除氧器溫度不足時由飽和蒸汽補充加熱。除氧器軟水經變頻泵由一級省煤器加熱補充至鍋爐汽包，鍋爐汽包的軟水經過蒸發器蒸發產生飽和蒸汽輸出至管網，汽包水位由除氧器變頻泵控制。

2.2.3 熱工保護系統

熱工系統與生產線退火爐控制系統采用軟件與硬件保護，鍋爐異常情況發緊急停機信號至生產線退火爐控制系統，強制打開煙道旁通閥，旁通閥打開到位后，關閉鍋爐的主煙道擋板閥，打開及關閉閥門過程采用積分保護，閥門打開及關閉動作50 s，煙道抽排變頻風機平穩運行，從而保證煙道負壓穩定，不影響退火爐燃燒系統的正常工作。

3 存在問題與對策

由于退火爐煙氣流量波動大，軟水平衡不容易實現，在生產線品種厚度小于0.5 mm及退火溫度低于750 ℃時，鍋爐蒸發量小，除氧器至汽包補水量小，除氧器溫度會升高，該溫度高與設定值需要補充冷軟水，此時除氧器系統會產生一定量的溢流軟水至軟水箱，軟水箱容積有限且溫度不宜過高，軟水箱內溢流軟水需要摻冷軟水降溫，超過軟水箱水位上限溢流外排，水資源存在浪費現象。增加溢流軟水箱儲存溢流軟水，增加轉換閥門實現溢流軟水箱對除氧器的補水。

輸出飽和蒸汽計量誤差大，退火爐正常生產狀態下系統最大產生飽和蒸汽量達到12 t/h，最小只有1 t/h，流量儀表量程比過大，無法精確計量，后續準備采用2 套流量計串聯測量，分別測量大量程及小量程流量，通過軟件根據流量大小選擇流量計讀數并累加計量。

4 經濟效益

根據熱值計算預計產生飽和蒸汽量6.5 t/h，2130 連退線退火爐年運行時間7900 h，飽和蒸汽單價114元/t。

合計飽和蒸汽產出：

6.5×7900×114=5853900元。

支出有：消耗脫鹽水6.5 t/h，脫鹽水單價5 元/t，6.5×7900×5=256750 元，電力消耗0.6 元/kWh，15×7900×0.6=66360 元，其他藥劑等輔料消耗400000元一年。

總經濟效益：

585.39-25.675-6.636-40=513.079萬。

靜態投資回收期2 年左右，具有可觀的經濟效益。

5 結語

項目的實施不僅使2130 連退線的能源成本、工序能耗有效降低，同時實現了回收蒸汽的自產自用，使該區域蒸汽管網綜合效率有效提升。該項目順利完成為同類型連續退火爐余熱回收提供了參考，下一步將積極推進同類型連續退火爐余熱回收項目的實施。