全流程余熱回收技術在寶鋼線材加熱爐的應用及分析

禹 露,陶曙明

(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業部,上海 201900)

鋼鐵產業屬于能源密集型產業,也是節能減排潛力最大的行業之一。面對能源和煤炭資源不斷壓縮、環境污染控制與減排力度持續升溫的外部環境,企業必須積極采取節能降耗措施以適應新形勢下的發展需求。對于軋鋼工序,加熱爐能耗占比約65%～70%,但其煙氣余熱利用率普遍偏低[1],因此提高加熱爐的余熱利用是節能減排的一項重要舉措。本文以寶鋼股份線材加熱爐余熱回收為例進行分析。

1 加熱爐概況

寶鋼線材加熱爐于1999年3月建成投產。現有加熱爐為上下加熱的步進梁式結構,空氣預熱、混合煤氣常規燃燒,最大熱負荷為1.6×108kJ/h,設計能力為120 t/h。

加熱爐的水梁立柱采用強制循環水冷卻,冷卻水進水溫度約為25 ℃,回水溫度約為45 ℃,水循環量約為320 t/h。

加熱爐煙氣通過常規煙道、空氣換熱器、煙道閘板后排入混凝土煙囪。爐尾煙氣通過空氣換熱器吸收部分熱量,其余熱量隨煙氣排入大氣。加熱爐進入空氣換熱器前的煙氣溫度約為680 ℃,將空氣預熱到350～420 ℃后以約320 ℃的溫度排出,余熱利用率低。

2 工藝流程及參數設計

2.1 工藝流程

設置回收加熱爐水梁立柱熱損失的汽化冷卻裝置和回收排煙煙氣余熱的煙氣余熱回收裝置(兩個裝置合稱加熱爐余熱回收系統)。爐內水梁立柱更新后采用汽化冷卻方式;空氣換熱器采用增加預熱管等方法提升預熱溫度;在空氣預熱器后增設旁通煙道,并在旁通煙道中設置煙氣余熱回收裝置(包括過熱器、蒸發器、省煤器、水預熱器、煙氣—水換熱器等受熱面)。同時為進一步回收煙氣低溫余熱,在煙氣余熱回收裝置后的煙道內設置1套煙氣—水換熱器,用以進一步回收煙氣余熱回收裝置后的低溫煙氣余熱。工藝流程圖見圖1。

圖1 余熱回收系統工藝流程圖

2.1.1 煙氣系統

(1)空氣預熱器。預熱器使用年限已久,目前存在空氣預熱溫度低、阻力損失大等問題。為充分回收爐尾煙氣余熱,改善助燃空氣預熱效果,降低煙道阻力,本次改造空氣預熱器重新設計更換,改造后空氣預熱溫度提升約50 K。

(2)旁通煙道。在空氣預熱器后和煙道閘板后新增加旁通煙道。煙氣余熱回收裝置正常工作時,打開旁通煙道,煙氣流過旁通煙道,經排煙風機將低溫煙氣經煙囪排入大氣;當煙氣余熱回收裝置處于檢修狀態或故障,或者純水補水系統出現問題,以及排煙風機故障時,關閉旁通煙道,煙氣流過主煙道,煙氣余熱回收裝置停止工作,保證加熱爐正常生產。旁通煙道的煙氣進、出兩側上各設置1臺切斷閥,用于煙氣余熱回收裝置煙氣側流通的切斷和開啟,保證煙氣余熱回收裝置或排煙風機故障時,主煙道與旁通煙道完全斷開。

(3)排煙風機。由于增加了煙氣余熱回收裝置,煙氣溫度降低和煙氣阻力增加,現有煙囪抽力不足,新增1臺排煙風機進行排煙。

(4)煙道插板閥。在煙道閘板前主煙道上增設1臺電動插板閥,用于主煙道煙氣流通的切斷和開啟,防止強制排煙時煙氣短路。

2.1.2 加熱爐余熱回收系統

加熱爐余熱回收系統主要由回收加熱爐水梁立柱熱損失的汽化冷卻裝置、回收排煙煙氣余熱的煙氣余熱回收裝置(余熱鍋爐和熱水系統)以及為其服務的共用輔助系統組合而成。

(1)汽化冷卻裝置。加熱爐汽化冷卻裝置由汽包、循環水泵、水梁立柱、步進裝置和連接管道等組成的整體。該裝置通過循環水冷卻水梁,同時向外提供飽和蒸汽。

(2)余熱鍋爐。

余熱鍋爐煙氣流程:余熱鍋爐入口→過熱器→蒸發器→省煤器→水預熱器→余熱鍋爐出口(接煙氣—水換熱器)。

余熱鍋爐汽水流程:補水泵來水→水預熱器→(除氧器→給水泵)→省煤器→汽包→蒸發器→過熱器→蒸汽外送。

(3)共用系統。共用系統由補充水系統、給水除氧系統、加藥系統、取樣冷卻系統、排污系統、蒸汽系統和排汽系統等組成。此系統為汽化冷卻裝置和煙氣余熱回收裝置共用系統。

(4)熱水系統(低溫煙氣余熱回收裝置)。為進一步回收煙氣低溫余熱,在煙氣余熱回收裝置后的煙道內設置1套煙氣—水換熱器,可將生活水加熱至90 ℃,送至熱水用戶使用。流程如下:生活水→溫度調節閥→煙氣—水換熱器→熱水箱→熱水管道泵→汽車運輸。

2.1.3 控制系統

本余熱系統采用全自動控制模式,主要的控制內容包括加熱爐爐膛壓力控制和余熱回收系統汽水控制。爐膛壓力控制原理如下:正常狀態下,關閉主煙道插板閥,煙氣通過新增旁通煙道,此時,將入口百葉窗保持固定開度,爐膛壓力通過調節排煙風機頻率進行控制;當煙氣余熱回收裝置處于檢修狀態或故障,或者純水補水系統出現問題時,以及排煙風機故障時,關閉旁通煙道2個電動閥,煙氣通過利舊主煙道,此時,爐膛壓力通過原有煙道閘板進行調節,爐膛壓力由風機頻率控制還是由原有煙道閘板控制可根據系統畫面新增按鈕進行切換,也可根據主煙道及新增旁通煙道插板閥、電動閥開關狀態自動切換。汽水系統的自動控制主要包括汽包水位和壓力控制、除氧器水位和壓力控制、軟水箱水位控制等內容,確保余熱回收系統隨軋制工藝的變化平穩運行[2]。

2.2 煙氣及蒸汽參數

2.2.1 煙氣參數

加熱爐燃料為由高爐煤氣(BFG)、焦爐煤氣(COG)、轉爐煤氣(LDG)混合而成的混合煤氣,熱值約9 839 kJ/m3,煤氣成分(體積分數)見表1。空氣過剩系數取1.05,將干成分轉換為濕成分后計算煙氣成分(體積分數)見表2[3]。根據歷史運行資料顯示,加熱爐平均煙氣量約50 000 m3/h,余熱鍋爐進口煙氣溫度約320 ℃。

表1 混合煤氣成分

表2 煙氣成分

2.2.2 余熱系統蒸汽參數

加熱爐余熱系統參數見表3。

表3 余熱系統蒸汽參數

3 節能效果及分析

3.1 節能效果

項目實施后,設備運行穩定,空氣預熱溫度提升,蒸汽量平均為5～7 t/h。根據改造前后加熱爐能耗數據統計計算,改造前能耗為40.06 kg標煤/t(1 kg標煤=29.30 MJ),改造后能耗為31.95 kg標煤/t,年產量為50萬t,年節約標煤4 236 t,實現經濟效益500萬元人民幣。

3.2 影響因素及分析

該系統投運后,后續回收水平與設備的運行維護是密不可分的。通過日常點檢維護、設備功能精度要求,鍋爐運行期間參數控制要求,過熱器出口蒸汽壓力、產汽量、汽包水位、煙氣出口溫度等歷史趨勢跟蹤等措施,不斷提升余熱回收裝置管理水平,保障設備穩定高效運行。

目前,影響余熱回收量的主要因素包括加熱爐熱負荷變化、鍋爐各蒸發受熱面內水與煙氣的熱交換程度等。2020年開始,線材產線逐步推行低溫軋制工藝,以彈簧鋼為例,根據實際生產信息統計,2019年φ(5.5～10.5 mm)彈簧鋼平均出爐溫度為983 ℃,2020年為936 ℃,下降了47 K。同時,通過空燃比自動控制、停軋期間小流量控制等措施,加熱爐煤氣消耗較2019年明顯下降。以上因素導致加熱爐排煙溫度、煙氣量較2019年有所下降,導致產汽量下降。對于加熱爐整體能耗而言,2019年噸鋼能耗為30.5 kg標煤,2020年1～7月噸鋼能耗為27.3 kg標煤,與2019年相比是有所下降的,也有利于線材整體能耗和能源成本的節約。后續要繼續深入分析,挖掘節能潛力點,精細控制,促進綜合能耗進一步下降。

4 結論與展望

線材加熱爐余熱回收改造項目的成功實施,對加熱爐余熱實現了充分的回收利用,帶來了良好的經濟效益和社會效益,此項技術在國內外類似的步進式加熱爐中均可應用。后續要繼續探索,通過加熱爐小流量期間控制程序開發、減少系統熱量損失、提升系統熱交換效果等方面優化,不斷提高蒸汽產量。