AOD爐低溫段角管式余熱鍋爐設計及應用

趙英春，孫世寶，潘高峰，楚友義，楊 平

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司，山東 煙臺 265500)

1968年，美國聯合碳化物公司開發的氬氧脫碳法(Argon Oxygen Decarburization，簡稱AOD)冶煉不銹鋼技術投產應用。AOD精煉法，是較先進的冶煉不銹鋼技術，是國內外鋼廠煉制不銹鋼的主要手段。

AOD爐在冶煉過程中產生的煙氣含CO，CO產量不大，不具備回收價值，一般不回收，要在除塵前全部燃燒掉，由此導致煙氣一次高溫約1 500 ℃。為了防止燒損后續除塵設施，現采用普通水冷循環煙道或汽化冷卻煙道式余熱鍋爐回收高溫輻射熱的冷卻處理工藝較普遍，將煙氣溫度冷卻至850 ℃以下，再用吸入大量野風直接空冷[1]或機力風冷方式，降溫至250 ℃以下，進入布袋除塵器除塵后再排入大氣。

煙氣在1 500～850 ℃區間內采用高溫余熱利用的技術，在國內外趨于成熟。在850～250 ℃區間內的熱量，傳統上一般認為是低品位余熱資源，屬于廢棄的余熱資源之列，這卻還有很大的節能潛力，也是現階段熱點前沿研究領域。

本文結合某公司150 t AOD爐低溫余熱鍋爐項目實際情況，探討了AOD爐的低溫煙氣角管式余熱鍋爐的設計及運行特點,使低溫煙氣余熱深度利用成為可能，化其節能潛力為鋼廠的現實收益，降低了AOD爐的排煙溫度,提高了環保效果, 節省了鋼廠的設備投資。此余熱利用方式，也響應了國家節能減排方針的號召,對于鋼廠節能降耗增效具有重要的現實意義。

1 角管式余熱鍋爐的設計

1.1 角管式余熱鍋爐的設計條件

AOD爐容量/t：150；

入口煙氣量(標準)/m3·h-1：～120 000；

煙道入口煙氣溫度/℃：～1 975(最高，二次燃燒點)；

煙道出口煙氣溫度/℃：～800(最高)；

低溫鍋爐入口煙氣溫度/℃：～800(最高)；

爐氣成分：85%CO，15%CO2；

煙氣成分：6%O2，28%CO2，66%N2；

爐氣含塵度/g·m-3:～120(標準)。

1.2 角管式余熱鍋爐的設計參數

鍋爐型式：臥式鍋爐；

汽包額定工作壓力/MPa：2.0；

汽包額定工作溫度/℃：214；

瞬時最大蒸發量/t·h-1：35；

額定蒸發量/t·h-1：6；

鍋爐給水溫度/℃：104；

水循環方式：自然循環；

清灰方式：脈沖擊波吹灰系統；

蓄熱器額定工作壓力/MPa：1.6；

蓄熱器額定工作溫度/℃：204；

外送蒸汽壓力/MPa：0.75～1.3；

低溫鍋爐出口煙氣溫度/℃：～200(最高)。

1.3 角管式余熱鍋爐結構簡介

圖1所示的是一種新設計的低溫段用角管式余熱鍋爐，該鍋爐無補燃系統，為單汽包、自然循環的鍋爐。鍋爐臥式露天布置，由汽包、膜式壁式水冷壁(爐墻)、蒸發器、省煤器、水預熱處理器、膨脹節等組成。低溫鍋爐按煙氣的流動方向，布置有進口整流器、蒸發器、省煤器、水預熱器、出口煙道、膨脹節，在鍋爐兩側還布置有吹灰系統，下部布置灰斗及刮板機等輸灰裝置，還設有給水泵、軟水處理系統、除氧器及水箱、定期排污擴容器、取樣冷卻器、加藥裝置及電控系統等常規公輔設施，這些設施不再贅述。

圖1 角管式余熱鍋爐結構示意圖

角管式余熱鍋爐，四周為大直徑厚壁的下降管，下降管不僅作為水循環管道，還作為鍋爐支撐框架的一部分，與汽包、水冷壁、集箱等組成框架式自承重結構，即鍋爐自身無需再增設支吊結構。另外，下降管與下集箱及上集箱與鍋筒連接的配管，不用很大的彎曲半徑煨彎鋼管，而用國標成品的小半徑彎頭與鋼管焊接而成，使鍋爐結構緊湊，布置簡單。

鍋爐汽水系統流程如下：20 ℃廠區給水軟化處理后，泵入水預熱處理器，加熱到70 ℃，經過除氧器除氧，出水104 ℃，經給水泵，進低溫省煤器，出水130 ℃以上，再進高溫省煤器，然后進鍋筒，通過下降管進入蒸發器循環產汽，經上升管回到鍋筒，分離出飽和蒸汽，輸送到蓄熱器穩壓后，再接入外界管網。

蒸發系統含有自然循環和強制循環兩種方式，自左向右分為7級換熱器，前5級為蒸發器自然循環，后2級為省煤器強制循環；各級換熱器與煙氣為垂直走向，換熱管為光管。其中第一級受熱面入口煙氣溫度為700 ℃，最后一級煙氣出口溫度為200 ℃。

1.4 角管式余熱鍋爐計算

AOD爐煙氣，從鍋爐左側進入鍋爐，依次通過入口整流器、蒸發系統，煙氣向工質傳熱過程如下：煙氣—(輻射)→水冷壁—(輻射對流) →蒸發器、省煤器—(除塵)→煙氣排向大氣。

為了獲得最佳的傳熱效果、最低的煙氣壓降及合適的煙氣流速，且在AOD爐變負荷工況時，能保證汽水循環正常運行和鍋爐安全可靠，按照設計參數要求，根據爐型特點，分別建立不同工況下的煙氣流程(見圖2)及汽水循環流程(見圖3)和汽水循環計算模型等，再依據鍋爐計算方法[2]，利用計算機多次迭代計算出符合要求的結果，再進一步優化設計鍋爐部件本體結構，使得煙氣的余熱得到合理的利用。

圖2 角管式余熱鍋爐煙氣流程示意圖

2 角管式余熱鍋爐的設計特點及技術優點

2.1 概 述

該項目基本要求是不大改業主工廠當前布局，擴建一座余熱鍋爐系統，從現有干煙道上將低溫煙氣引出，接至余熱鍋爐內，利用余熱產生蒸汽，并將煙氣溫度降至合理溫度后，通過新建煙道接至現有機力風冷器和布袋除塵器之間的煙道上。

圖3 角管式余熱鍋爐汽水流程示意圖

當其他鋼廠需要對AOD爐低溫段煙氣處理時，完全可以直接新建低溫角管式余熱鍋爐系統，不再需要增設機力風冷器或類似的處理設施，這將直接降低鋼廠的基建投資。

2.2 鍋爐熱效率較高

該低溫鍋爐系統，最大限度將低溫煙氣余熱回收，鍋爐系統產生壓力為2.0 MPa的蒸汽，投產后實際產量平均約7 t/h。 蒸汽送入蓄熱站，經蓄熱站穩壓后，以0.75～1.3 MPa的壓力穩定向當地管網輸送，進行綜合利用。以此為例，按設備年工作330天，蒸汽單價100元/t計算，鋼廠年收益增加550余萬元。

2.3 鍋爐系統優化設計

本系統采用某公司自主研發的余熱鍋爐自動循環系統，具有全自動操作功能，日常僅需要進行點檢工作。

因鍋爐內受熱管立式布置，受煙氣沖刷，不易積灰。鍋爐系統內所包含的擊波清灰系統程控裝置，設立在鍋爐系統操作室內，方便點檢進行。

另外，考慮到停電保護，電路設置有UPS電源，保證意外情況下的系統運行安全。

2.4 水循環可靠

余熱鍋爐采用獨特的水循環結構，鍋筒外置不受熱，各水回路最高點設置有安全閥，水循環采用強制循環與自然循環搭配利用，經過嚴謹的理論驗算后，在實際生產中也未出現過問題。

2.5 無鋼架結構，抗震性好

角管式余熱鍋爐采用獨特的支撐結構，鍋筒、本體質量均由膜式水冷壁和下降管支撐，且所有膜式壁均焊成一體的全封閉結構，抗震性好，滿足張家港市抗震設防烈度為6度的要求。

2.6 鍋爐解決熱膨脹問題較先進

在鍋爐進口前及出口后，設置柔性膨脹節，以吸收鍋爐的各部件熱膨脹量。該柔性膨脹節，具有三向補償和吸收熱膨脹推力的能力，消除膨脹量較大，并有降低噪聲、隔震、結構簡單、質量較輕等特點。

2.7 鍋爐保溫結構輕質有效

角管式余熱鍋爐，外壁用陶瓷纖維毯覆蓋，再用金屬板加固，無須磚墻結構，保溫效果非常好。

2.8 鍋爐占地面積小

該項目不計水處理等公輔設施，鍋爐本體僅占地約110m2，也可根據業主需要，具體地形具體布置 ，具備適合各種地形的能力。

2.9 鍋爐安裝工作量少

余熱鍋爐水冷壁、蒸發器、省煤器模塊化設計、制作，現場安裝時，節省了安裝工時。

3 結 論

根據150 t AOD爐的余熱參數、工況特點及使用要求，建立受熱面的煙氣側及汽水側流程和汽水循環模型等，使用鍋爐計算軟件，優化了AOD爐低溫段角管式余熱鍋爐，解決了其煙塵處理中的積灰、水循環、煙氣量波動大及熱膨脹等一系列問題，確保鍋爐運行安全可靠。

在對AOD爐低溫煙氣余熱挖潛利用的同時，處理了煙氣中含有的部分煙塵，減少了粉塵的排放，不僅降低煉鋼企業的成本，也保護了環境，具有較高的經濟效益及社會效益。