冷軋退火爐煙氣余熱發電技術的探討

陳建環

（本鋼冷軋總廠， 遼寧 本溪 117000）

退火爐是大型碳鋼、合金鋼零件軋制過程中不可缺少的一類機械設備，廣泛應用于鋼鐵煉制和軋制生產工藝過程中[1]。一般來說，冷軋退火爐是冷軋帶鋼在保護氣體作用下進行加熱、保溫、冷卻等退火處理操作的基礎性設備。通過冷軋操作，帶鋼內部的晶圓組織結構形式得到了改變，帶鋼外部形態得到重塑，同時拉伸力會得到增強，柔韌性增加，進而適應多種應用場所的使用需求。冷軋退火爐在使用過程中會產生大量富含高能熱量的煙氣，這些煙氣能夠帶走部分爐內能量，造成有效能量的損失，不利于鋼鐵生產節能、環保目標的實現[2]。積極探索冷軋退火爐煙氣余熱的利用，是今后一段時間重要的研究課題。結合某鋼鐵公司冷軋退火爐軋制不銹鋼的工作流程，研究如何利用煙氣余熱進行發電，為冷軋退火爐煙氣余熱的有效利用提供一種新的思路。

1 冷軋退火爐基本情況

1.1 分布概況

某公司屬于國有大中型鋼鐵生產與加工企業，是我國西北地區重要的鋼材輸出企業，裝備有目前國內較先進的不銹鋼冷卻退火酸洗機組（Stainless Steel Cooling and Annealing Pickling Unit，SSCAPU），能夠生產AISI300 型、AISI400 型等多種不銹鋼型材。該公司配備有退火爐兩座，可以處理300 號～400 號的鋼材，可以處理寬度為1 000 mm±250 mm、厚度為2 mm±0.7 mm 的帶鋼。經過現場測算，在鋼材加工與軋制過程中，熱效率為75%，也就是說有25%的熱能量損失。

1.2 冷軋退火工藝

在對不銹鋼進行熱處理過程中，和冷軋退火爐相關的工藝流程如表1 表示。

表1 退火爐內冷軋退火工藝流程

在以上工藝步驟實施之后，通過測量帶鋼本體內的應力分布情況，確保應力消除，得到組織結構分布均勻的鋼結構本體。以上工藝均在冷軋退火爐內完成。退火爐在工作過程中，會產生較多的高溫煙氣，這種煙氣目前沒有很好的回收利用方法，多采用利用管道向室外排放的方式進行處理。基于換熱器對退火爐的排煙管道進行升級改造，實現對預熱氣體的回收再利用，從而提高冷軋退火爐的使用效率。

2 基于換熱器的余熱發電技術

2.1 利用換熱器對冷軋退火爐余熱進行回收

冷軋退火爐在使用過程中，主要有兩部分是產生余熱氣體最多的部分，一部分是利用干燥空氣對帶鋼進行升溫、加熱和保溫的過程，另一部分是利用惰性保護氣體對帶鋼進行降溫的過程。因此，對冷軋退火爐的余熱氣體進行回收，主要集中在這兩個工作步驟中進行[3]。

換熱器主要通過制造溫度差，實現不同溫度流體之間的能量傳輸，即使能量由高溫物體向低溫物體傳導，從而實現對能量的可靠引導，最終使兩部分溫度達到一致，實現動態平衡。在表1 的步驟1 和4 中，由于需要利用干燥空氣對帶鋼進行升溫并加熱、利用惰性保護氣體對帶鋼進行降溫，涉及到溫度的劇烈變化，因此為使用換熱器進行能量采集創造了條件。

在冷軋退火爐工作過程中，為了取得預期的余熱回收效果，采用兩級換熱技術進行余熱回收。首先在排煙管道的干燥空氣升溫段增設空氣—煙氣換熱器，用于提取空氣降溫之后產生的剩余氣體。這段換熱器之后需要增設一臺加濕器，因為干燥空氣降溫之后的剩余氣體會更加干燥，不利于后續發電使用，所以增設加濕器，對收集的干燥空氣進行低濕度加濕處理，避免干燥空氣在傳輸過程中因為流速過大、與管壁劇烈摩擦或者受到靜電干擾而產生爆震現象。接著在惰性保護氣體工作的管道中增加一級換熱器，對這部分氣體因為溫度變化產生的多余煙氣進行回收。這部分煙氣的初始溫度比較高，換熱器可以采用水- 煙氣換熱器，通過水循環對高溫煙氣進行降溫。換熱器上設置有進水口，進水口灌注外接水源，水源需要提前進行軟化，避免水中鈣化物在換熱器內部進行凝結，影響換熱器的使用壽命與安全性。換熱器的出水口外接廢水收集系統，對參與循環的軟水進行回收，避免直接排放污染環境。兩段換熱器旁通管均配有多級風閥，用于控制通風量以及煙氣流動速度。

整個過程中涉及到的主要設備及相關功能如表2 所示。

表2 冷軋退火爐余熱回收主要設備

2.2 利用氣體余熱進行發電

對冷軋退火爐余熱進行回收的目的，是為了利用煙氣余熱進行發電。對通過兩級換熱器收集到的含有余熱的氣體，首先進行過濾處理，將其通過布袋式除塵機，將多余的粉塵等雜質進行濾除，將濾除雜質之后的氣體通過主風機進行流速調節，增強其流動速度，同時實現兩級換熱器采集到的氣體流動速度均一化，達到流速均勻的目的。將氣體進行速度調節之后，將其輸入余熱鍋爐中，利用鍋爐對氣體進行溫度均勻化控制，使兩級換熱器采集到的氣體溫度相一致，同時根據發電量的需求對氣體溫度進行適當調整，滿足當前的使用目的。對氣體進行溫度調節之后，將其通過分汽缸，實現氣體分離之后將其通過汽輪發電機組，推動機組主動輪旋轉從事實現做功，并提供電能輸出。對于通過汽輪發電機組之后輸出的多余氣體，將其通過凝結器冷凝成液態水，利用循環水泵輸入余熱鍋爐中進行蒸發，變成水汽之后參與到循環過程中實現綜合利用。

整個過程中涉及到的主要設備及相關功能如表3 所示。

表3 冷軋退火爐余熱發電主要設備

2.3 冷軋退火爐余熱發電效果評價

在對冷軋退火爐煙氣余熱排放進行發電適應性改進之后，為了評價這種技術的發電效果，選擇該公司2019 年的發電情況進行統計，結果如表4 所示。

由表4 可以看出，圍繞改進之后的冷軋退火爐余熱發電技術，將年用電費、年折舊費、年用水費和其他費用相加，與年供熱抽用蒸汽費用（標煤耗費用）進行比較，之后乘以比例校正系數，可以得到余熱供熱平均成本熱價為17.8 元/kJ。這一價格比該公司所在城市使用化石能源（煤、天然氣等）所產生的供熱平均成本熱價21.5 元/kJ 略低，說明這種供熱方法能夠有效節約能源，具有較高的推廣效益，這也說明了本文所提出的對冷軋退火爐煙氣余熱發電技術進行改進的正確性。

表4 該公司2019 年冷軋退火爐余熱發電效果

2.4 冷軋退火爐余熱發電過程中的注意事項

為了更好地利用退火鍋爐余熱氣體實現發電的目的，在實際操作過程中，應該注意以下問題。

1）做好全過程的密閉工作。為了采集到余熱氣體，同時促進氣體更好地流動，必須要保證氣體有足夠的壓強。為了獲得理想的壓強效果，需要保證全過程都有較好的密閉性，避免出現氣體泄漏現象造成壓力不足，導致氣體在流動過程中達不到理想的速度，推動汽輪發電機組時產生不了額定的電量，或者導致電壓不穩定，使用效果不佳。

2）做好全過程的安全防護工作。冷軋退火爐產生的余熱氣體具有較高的溫度，經過余熱鍋爐加熱后的氣體溫度也偏高，因此在進行操作過程中應該注意安全防護，避免出現燙傷事故，同時做好壓力監測，因為溫度變化引起氣體壓力變化，超過管路承壓極限時應該采用安全閥放氣，保證系統內的氣體壓力在安全范圍內，避免出現爆炸事故。

3 結語

如何利用冷軋退火爐產生的余熱氣體，實現鋼鐵煉制過程的高效、綠色、無污染轉型，是一個比較困難的問題。結合某國有大中型鋼鐵生產與加工企業中的冷軋退火爐分布情況，研究了如何利用煙氣余熱進行發電，具有一定的實際可操作性；在實際使用過程中，應該結合企業特點進行適應性改進，進一步提升換熱和發電效率，促進煙氣余熱利用技術的進步。