煉鋼余熱分析與利用

楊 平，趙英春，楚友義，胡海燕，孫高峰，韓照建

(煙臺(tái)國(guó)冶冶金水冷設(shè)備有限公司,山東 煙臺(tái) 265500)

1 引 言

1.1 概 述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量飛速提升，我國(guó)能源消費(fèi)量已經(jīng)是世界第二[1]，其中，能源總消耗量的70%多屬于工業(yè)能源消費(fèi)量。

為了應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，余熱利用就是解決問(wèn)題的途徑之一。在生產(chǎn)生活中，排放出的高于環(huán)境溫度的物質(zhì)(如氣態(tài)的高溫?zé)煔狻U氣，液態(tài)的如高溫冷卻水，固態(tài)如高溫鋼渣)，含有的熱能等，可以回收重復(fù)利用，以減少能源消耗。

尤其在高耗能的鋼鐵行業(yè)，在消耗能源推動(dòng)能源轉(zhuǎn)變的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，如果直接排放掉，損失很大，很有回收價(jià)值。

1.2 中國(guó)鋼鐵企業(yè)余熱利用現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

隨著環(huán)保要求的提高及鋼鐵技術(shù)的發(fā)展，高溫余熱回收利用技術(shù)已經(jīng)在鋼鐵，冶金等各方面進(jìn)行了多種推廣，例如國(guó)內(nèi)河鋼邯鋼等部分鋼廠，生產(chǎn)1 t焦炭，約能回收100 kg蒸汽[2]，部分煉鋼廠在進(jìn)行高爐余熱回收研究[3]。趙坤等應(yīng)用汽化冷卻系統(tǒng)來(lái)回收煙氣余熱[4]，為煤氣回收創(chuàng)造了條件，能做到較好的節(jié)能增效，但除了高溫余熱外,還有大量的低溫余熱沒(méi)有試圖回收利用，是一種較大的能源浪費(fèi)。

為此，本文以某公司120 t氬氧精煉爐(AOD爐)余熱鍋爐為例，研究分析煙氣的高溫余熱和低溫余熱統(tǒng)一回收問(wèn)題。

1.3 AOD爐流程簡(jiǎn)介

AOD爐在煉鋼的過(guò)程中，因爐內(nèi)激烈的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的大量含塵、高溫(最高約2 000 ℃)煙氣，需要被處理符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后才能排入環(huán)境大氣。該煙氣經(jīng)本文新設(shè)計(jì)的高溫?zé)煹朗接酂徨仩t系統(tǒng)及中溫鍋爐系統(tǒng)回收余熱、產(chǎn)生蒸汽且降溫處理，煙氣在灰倉(cāng)中脫去大部分的灰塵，降至約200 ℃，經(jīng)干煙道輸送至除塵裝置進(jìn)行除塵。

2 設(shè) 計(jì)

2.1 概 述

本套余熱鍋爐系統(tǒng)主要由汽化冷卻煙道、中溫余熱鍋爐、鍋爐系統(tǒng)輔助設(shè)備組成，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AOD爐余熱鍋爐采用低壓強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)水冷系統(tǒng)、高壓強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻和自然循環(huán)汽化冷卻相結(jié)合的復(fù)合循環(huán)冷卻方式。熱負(fù)荷較高及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的爐口煙道、轉(zhuǎn)角煙道、中溫鍋爐采用高壓強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻，其余煙道自然循環(huán)汽化冷卻。AOD汽化冷卻煙道后為立式中溫余熱鍋爐，入口煙溫約1 000 ℃，出口煙溫約200 ℃，中溫余熱鍋爐后接AOD除塵系統(tǒng)，中溫余熱鍋爐與AOD汽化冷卻煙道公用汽包，高溫蒸發(fā)段采用自然循環(huán)系統(tǒng)，低溫蒸發(fā)段采用低壓強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)條件

煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣參數(shù)

2.2.2 工藝條件

工藝條件參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 工藝參數(shù)

2.3 設(shè)備布置

為滿足煉鋼生產(chǎn)運(yùn)行中爐氣排出流暢。汽化冷卻煙道布置中盡量減少?gòu)澢八讲贾茫M可能做到布置合理緊湊。

爐口煙道位于AOD轉(zhuǎn)爐爐口上方，爐口煙道轉(zhuǎn)角與斜煙道的夾角為50°。煙道達(dá)到最高點(diǎn)約+47 m時(shí)，煙道180°向下折返進(jìn)入中溫段余熱鍋爐至+10 m左右再返回至約38 m與除塵管道相接。汽化冷卻煙道、中溫段余熱鍋爐系統(tǒng)全部支吊在鋼廠的各層平臺(tái)上。

2.4 設(shè)備組成

本套煙氣余熱回收鍋爐中的汽化冷卻煙道分以下幾個(gè)部分：汽包、爐口煙道、斜煙道、轉(zhuǎn)角煙道、鍋爐配管等。

1) 汽包(與中溫段余熱鍋爐共用)

汽包作為汽化冷卻系統(tǒng)及中溫段余熱鍋爐系統(tǒng)高壓強(qiáng)制循環(huán)及自然循環(huán)的配水及集汽裝置，首先容積要滿足吹煉1爐鋼不需要補(bǔ)水，在突發(fā)事故停水時(shí)，保證生產(chǎn)順利結(jié)束及安全停爐。

規(guī)格：DN2 800 mm×16 000 mm(筒體直段長(zhǎng)度);

構(gòu)造形式：臥式;

介質(zhì)：水和飽和蒸汽;

工作壓力：3.2 MPa;

工作溫度：239 ℃。

2) 爐口煙道

煙罩安裝在AOD爐爐口之上，工況相當(dāng)惡劣，直接受到了大量含塵、高溫(最高約2 000 ℃)煙氣的沖刷，非常容易損壞。設(shè)計(jì)時(shí)得考慮加固結(jié)構(gòu)，合理布置加強(qiáng)筋。其煙道直徑2 800 mm，主體由高壓鍋爐無(wú)縫鋼管，中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結(jié)構(gòu)。

3) 斜煙道

斜煙道直徑2 800 mm，主體由高壓鍋爐無(wú)縫鋼管，中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結(jié)構(gòu)。跨越多層平臺(tái)，總長(zhǎng)度約27 m。

4) 轉(zhuǎn)角煙道

轉(zhuǎn)角煙道直徑2 800 mm，展開(kāi)長(zhǎng)度約9 m，也是管板膜式壁式結(jié)構(gòu)。至此，煙氣溫度被冷卻至約1 000 ℃。

5)中溫余熱鍋爐

立式鍋爐系統(tǒng)，入口煙溫1 000 ℃，出口煙溫200 ℃，鍋爐長(zhǎng)寬高：5 m×7 m×30 m(兩段)，因采用管式支撐結(jié)構(gòu)，大大減少了鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)及平臺(tái)的用鋼量，余熱鍋爐內(nèi)部布置有蒸發(fā)器和省煤器。兩者主體都是由高壓鍋爐無(wú)縫鋼管加工而成，鍋爐爐墻采用膜式壁進(jìn)行圓周密封，減少漏風(fēng)，并提高熱效率。其系統(tǒng)內(nèi)含在線激波清灰系統(tǒng)、卸灰裝置、支座、含鍋爐本體循環(huán)管道、控制系統(tǒng)、保溫材料等，與汽化冷卻系統(tǒng)共用汽包。

其中，高溫受熱面(蒸發(fā)器)與低溫受熱面(省煤器)之間采用絕熱煙道連接，絕熱煙道為V型下部灰倉(cāng)，可以處理對(duì)煙氣除塵處理產(chǎn)生的灰塵。

2.5 余熱鍋爐計(jì)算

AOD爐煉鋼產(chǎn)生的煙氣首先經(jīng)過(guò)煙罩依次進(jìn)入爐口煙道，斜煙道，轉(zhuǎn)角煙道，中溫鍋爐，一次除塵系統(tǒng),最終排向大氣。為了保證汽水循環(huán)正常運(yùn)行和鍋爐安全可靠，按照設(shè)計(jì)條件，設(shè)備布置要求，分別建立不同工況下的煙氣流程(見(jiàn)圖2)，汽水循環(huán)流程(見(jiàn)圖3)和汽水循環(huán)計(jì)算模型等，再利用計(jì)算軟件多次迭代計(jì)算出符合要求的結(jié)果，據(jù)此進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)鍋爐部件本體結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝照片見(jiàn)圖4。

3 結(jié) 論

本文主要探討了鋼鐵行業(yè)的余熱回收利用，以120 t AOD爐為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)了AOD爐余熱整體回收系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)車間平均產(chǎn)汽量約22 t/h，按年運(yùn)行330天計(jì)算，蒸汽除去水、電等成本后約100元/t，每年可創(chuàng)造效益約330天×24 h×22 t/h×100 元/t=1 740.75萬(wàn)元。而且該系統(tǒng)排煙溫度不大于200 ℃，滿足除塵系統(tǒng)的要求。

該系統(tǒng)打通了AOD爐高溫?zé)煔舛魏偷蜏責(zé)煔舛蔚臒煔馓幚砹鞒蹋梢圆辉俨捎眯袠I(yè)內(nèi)通用的噴霧冷卻等技術(shù)來(lái)對(duì)1 000～800 ℃煙氣降溫至200 ℃的措施，使得原200 ℃以上的低溫?zé)煔庖材軌蚝透邷責(zé)煔庖黄鹜竭M(jìn)行余熱回收，具有一定的創(chuàng)新意義，在鋼鐵行業(yè)有一定的推廣價(jià)值。