熱軋廠加熱爐余熱回收系統改造

呂 震

（河鋼邯鋼集團邯寶熱軋廠，河北 邯鄲 056001）

我國每年能源總能耗中的13%～15%來自于鋼鐵行業，二氧化碳排放量占總排放量的12%，節能減排一直是行業內最重要的課題之一，可以說是“碳達峰，碳中和”的重要一環。提高鋼鐵生產的工藝，有效利用工序中產生的余熱，可以有效減少能源消耗，繼而減少全周期的碳排放。邯鋼邯寶熱軋廠2008年投入生產，設計4座加熱爐，通過燃燒高爐煤氣和焦爐煤氣的混合氣體產生熱量來加熱鋼坯。設計產量375t/h，年產量500萬噸。產生煙氣量煙氣量：160000Nm3/h～183000Nm3/h，煙氣入口溫度420℃，產生大量的剩余熱量。設計投產初期，采用的是通過在加熱爐煙道內串聯布置空氣換熱器和煤氣換熱器對煙氣的熱量進行回收的方式回收煙氣熱量，這種方法回收效率低，大部分熱量通過煙氣排出到大氣中，造成大量的能源浪費。為了響應國家節能減排規劃，改造新增加余熱回收系統，提高熱量利用率，邯寶熱軋廠2010年新建了余熱回收系統，有效的降低了生產成本，節約了能源，保護環境，產生較好的經濟和社會效益。

1 工程概述

考慮實際生產情況，新增加的余熱回收系統采用余熱鍋爐系統。余熱鍋爐系統有產量大，產點集中，連續性強，易于回收和利用等優點。

1.1 系統的特點

（1）由于排煙溫度、煙氣阻力及位置的限制，本余熱鍋爐受熱面只設蒸發器，不設“省煤器”。

（2）蒸發器分為二組受熱面，便于檢修。

（3）蒸發器斷面呈梯形結構，有效的利用了煙道截面，減少煙氣的擾動，以充分回收煙氣余熱，節約能源。

（4）每組蒸發器均設有獨立的進水集管和出水集箱，且在蒸發器頂板上設有吊耳，便于生產過程中受損蒸發器的起吊、更換。

（5）蒸發器采用光管“蛇形管”的型式，其水循環方式為強制循環，減少了煙道的改動量，縮短建設周期。

（6）4套余熱鍋爐的設備（除蒸發器外）全部集中布置在“余熱鍋爐設備樓”內，降低了建設費用，降低了檢修、維護工作強度。

（7）“余熱鍋爐設備樓”為無人值守站房。

1.2 工藝流程

新增加的余熱回收系統通過設在煙道內的換熱系統，將管道內的水加熱，部分水蒸發行成汽水混合物，然后汽水混合物循環到設在余熱樓內的汽包內汽水分離，蒸汽經由并網管路，輸送到外部用汽單位，產生效益，水繼續在系統內循環。這套余熱系統，主要分為兩個主系統：煙氣流動系統，水循環系統；一個輔助系統：給水除氧系統，一共三個子系統。

1.2.1 煙氣流動系統

煙氣流動系統采用的是采用自然循環方式，是熱量由加熱爐傳導到余熱系統的途徑。加熱爐爐內氣體的燃燒產生的熱量，依靠煙囪吸力，流經埋設在煙道內的兩套蒸發器，將熱量交換到余熱系統，換熱蒸發器布置在加熱爐的主煙道內，不設旁通煙道，不設排煙風機，因此屬于自然循環方式。主要路徑為：加熱爐煙氣→空氣預熱器→余熱鍋爐蒸發器→煙道閘板→煙囪→大氣。

1.2.2 水循環系統采用強制循環方式

水循環系統是將水作為介質，將加熱爐煙氣中的熱量，經由蒸發器，加以回收利用的系統。四座加熱爐分別配備一套循環系統，配備汽包，電動循環水泵，蒸發器，消音器，爐水取樣冷卻器，蒸汽取樣冷卻器等主要設備。本系統中采用強制水循環的方式，通過循環泵實現水循環，主要路徑為：汽包→循環水泵→蒸發器→汽包[1]。

1.2.3 輔助系統為集中給水除氧系統

給水除氧系統用于補償蒸汽外送并網損耗的水份以及對循環水進行除氧。采用強制補水方式。四座爐子共用一套給水除氧系統，包括：補給水箱，電動補水泵，大氣式旋膜除氧器，電動給水泵，給水取樣冷卻器，氨加藥裝置，聯胺加藥裝置等主要設備。主要路徑為：廠區補給水→補給水箱→補水泵→除氧器→給水泵→給水母管→各個汽包[2]。

2 自動化控制

這套余熱回收系統采用先進的自動化控制系統，實現無人值守的24小時不間斷運行，兼顧先進性、可靠性、完善性、可擴展性以及系統的快速響應性。采用電控、儀控一體化的系統結構，控制系統通過星型交換式快速工業以太網實現數據交換；電控、儀控系統與傳動設備及現場儀表通過現場總線實現數據交換；采用標準的通訊協議和分層網絡，充分保證整個系統的通訊暢通，并且系統的維護和擴充也非常方便。

自動化系統只設置L1級一級系統，即基礎自動化系統。主要完成新增預熱鍋爐的電氣設備順控及儀表設備監控：汽包水位控制；給水除氧系統控制，補給水箱控制以及其他介質的測量和控制；汽包壓力控制、除氧器壓力及水溫控制、汽包壓力過高時放散閥自動開啟、壓力正常時自動關閉控制等。

2.1 設備配置

整個基礎自動化系統設有1套PLC裝置，采用Siemens公司的Simatic S7-400 PLC產品，通過以太網交換機連接到現有的加熱爐區的PLC系統，各自的數據通過CPU之間的通訊實現交換。PLC柜放置在新增的低壓配電室內；設置擴展ET200M遠程IO站，采集和輸出儀表、電氣信號，儀表、電氣IO均設置在現場。

為了實現系統的先進性、可靠性、完善性、可擴展性以及系統的快速響應性。電氣傳動和儀表設備主要選用國內外先進、成熟可靠、性價比高的產品。主要設備為：3臺一級監控計算機，一臺工程師站，一臺15KVA的UPS電源，三套一級系統軟件（采用與現有爐區系統一致的wincc版本），一臺8口交換機等。

2.2 主要控制功能

2.2.1 PLC的控制功能

（1）通過現場設備上的傳感器，收集設備狀態等參數，并對數據進行分析，處理。

（2）控制現場各種電氣設備，包括水泵氣動閥等。

（3）控制其他的輔助設備。

2.2.2 操作站的主要功能

操作站的主要功能包括：數據采集、數據管理、參數設定、運轉監控、設備模擬顯示、事件記錄、輔助設備操作等。

2.3 操作方式

余熱回收系統有兩種操作方式：自動方式和手動方式。主要設備都可以在兩種方式間切換。

2.3.1 自動方式

系統根據各設備的傳感器收集的數據，判斷設備的運行狀況，自動地完成各工作順序、設備之間的運行連鎖等。比如，各水泵的啟停，各氣動閥的開斷等。因為自動方式自動化程度高，對操作人員的要求少，能減輕操作人員的工作量，減少人為產生的錯誤，保證系統可靠性，所以自動方式是余熱回收系統主要的操作方式。

2.3.2 手動方式

操作員通過操作臺、箱或HMI對設備運行進行的單項操作。主要用在機械維修或故障時的緊急操作方式。手動方式分為機旁和遠控2種方式，機旁方式優先，需要在機旁操作箱上選擇手動方式，才可以實現。

3 環境保護

環境保護作為國家的大政方針，邯寶熱軋廠一直十分重視環境保護工作，此次余熱回收改造項目，也是優先考慮環境保護問題，做到環境友好型改造。加熱爐使用清潔的氣體燃料煤氣，其排出煙氣主要煙氣成分為：二氧化碳（16.328%），氧氣（0.681%），氮氣（69.019%），水蒸氣（13.972%）。可見，排放廢氣主要成分中不含有有毒有害氣體，經過嚴格檢測，排放標準達到《工業爐窯大氣污染物排放標準》GB9078二級進行排放，符合國家節能減排的環保要求，余熱回收系統不需要額外的煤氣燃燒，因此不會產生廢氣。設計上，水泵等電氣設備采用低損耗、低噪音型，每個汽包蒸汽排大氣口設有排汽消聲器，能有效降低噪音等污染，同時也更節能。“余熱鍋爐設備樓”內設有排水溝，站房外設有排水井，生產中產生的排水，液體廢物，經排水井后排入污水管網，收集后做集中無害化處理，污水管網與生活污水管網并不相連，不會產生環境污染，也不會產生安全隱患。

4 安全

（1）余熱鍋爐設有安全供水，當補給水總管斷水時，人工判斷后切換到安全水系統，確保余熱鍋爐受熱面（蒸發器）安全。

（2）冷卻水回水溫度過高或流量過低時，自動進行報警。

（3）汽包水位設置工業電視遠方監視。

（4）汽包排汽設有排汽消聲器，排汽管道引至室外。

（5）供配電、電氣傳動及基礎自動化系統均設置生產設備運行連鎖和電氣安全保護及事故報警，確保設備和人身安全。

（6）電氣設備正常不帶電的金屬外殼均可靠接地。

（7）在汽包、除氧及布置在高位的閥門等設備附近均設有操作平臺和防護欄桿。

（8）在“余熱鍋爐設備樓”站內均按有關規定設計有通風、火災報警和消防設施。

（9）余熱鍋爐系統有兩套獨立的電源供電。

5 改造效果

在不改變原有煙道、煙囪結構的情況下，在加熱爐煙道內改造中增設余熱鍋爐，可以把煙氣的溫度比較穩定的控制在325℃～335℃之間。在正常的加熱爐生產中：

生產量：375t/h～400t/h。

余熱鍋爐煙氣的側阻力總和：50Pa～65Pa。

煙氣量：160000Nm3/h～183000Nm3/h。

加熱爐達到最大產量時，在不增加抽煙機的情況下，也能保證煙氣能順利排出。

在煙氣排放量為160000Nm3/h，煙氣入口420℃，出口330℃的條件下，可以達到額定每座加熱爐9.2t/h的蒸汽產量；在煙氣排放量達到183000Nm3/h，煙氣入口420℃，出口330℃的條件下，產氣量可以達到最大值，即每座加熱爐10.3t/h的蒸汽產量[2]。

余熱鍋爐的工作制度按照相應加熱爐的工作制度執行，采用四班三運轉連續工作制，節假日不休息，加熱爐四座爐子，保持用三備一狀態，即有三座爐子生產，一座爐子停產維護，每座爐子的有效年工作時間6000h。由此可以算出，余熱系統每年可以產生蒸汽量：9.2t/h×6000h×3=165600t，可以很好的利用余熱，減少能源消耗，減少碳排放，產生良好的經濟和社會效益。

6 總結

邯鋼邯寶熱軋廠加熱爐余熱回收改造，實現了煙氣余熱的高效回收，實現了能源的二次利用，具有以下幾個優點：

（1）新增加的余熱回收系統控制穩定，不影響原有加熱爐的正常生產。

（2）自動化程度高，系統可以實現無人值守，減少人為失誤和工作量。

（3）節能效果好，減少能源消耗和碳排放，降低噸鋼能耗，降低了生產成本。

（4）實現了節能減排的目標，為早日實現“碳達峰，碳中和”貢獻一份力量。