轧钢加热炉烟气余热回收工程实践

轧钢加热炉烟气余热回收工程实践

李鑫

上海宝冶集团有限公司 上海宝山 201900

【摘要】轧钢加热炉是轧钢工艺中核心设备，同时也是高耗能设备。受其工艺需求限制，能源利用率均不高，节能潜力较大。当前运行的轧钢加热炉在燃烧控制、合理配风、尾部余热回收等方面，均能采取一定的节能措施，但仍有较大节能空间，尤其是尾部烟气的有效回收，对于钢铁厂的节能降耗、降低生产成本、提高经济效益，具有事半功倍的功效。

【关键词】轧钢加热炉；烟气余热；策略

引言

钢铁企业加热炉是轧钢车间的关键设备，同时也是轧钢生产环节过程中主要耗能设备，钢铁企业通常利用煤气（高炉煤气、转炉煤气或焦炉煤气）作为燃料对钢坯进行加热，加热炉内燃料燃烧后高温区域温度1300℃左右，通常加热炉尾部布置空气加热器预热空气，加热炉尾部排出烟气温度基本在300℃以上，其排出烟气的热量相当于送入炉内热量的30%左右。随着钢铁行业能耗标准的提高，现阶段国内许多研究工作者致力于研究减少加热炉能源消耗及能源回收，大部分研究工作集中在加热炉燃烧控制、风燃比及烟气余热利用等方面，这些措施均能降低加热炉能源消耗，为积极落实钢铁行业“碳中和、碳达峰”国家战略具有一定的促进作用。

1可利用热源统计

钢铁厂的加热炉一般用煤气（高炉煤气或焦炉煤气）作为燃料，炉内燃料燃烧后的高温区域温度一般为1200~1400℃，尾部烟气排出温度一般750~600℃，尾部烟气余热相当于送入炉内热量的50%左右；八钢加热炉尾部均布置有空气加热器将空气温度加热到400~300℃，相应的烟气温度降低到450~350℃，然后排入大气，排入大气的热量相当于送入炉内热量的35%~25%，考虑到140℃以下低温烟气的回收难度，这些排入大气热量的60%以上可以回收利用。加热炉一直是轧钢厂最主要的耗能设备，其能耗占据了轧钢厂总能耗的70%左右。轧钢厂加热炉高居不下的能源消耗不仅浪费了国家的能源，污染了环境，还加大了企业的生产成本，不利于企业的长远持久发展，无论是轧钢厂加热炉的能耗降低还是加热炉节能的改进都是势在必行的。

2加热炉热效率的影响原因

2.1炉体的热损失

加热炉外壁主要以辐射和对流方式向大气散热。加热炉炉墙包括耐热层、隔热层和保护层。已运行10多年的加热炉，炉墙衬里有损坏，炉管表面的积灰多，使得炉体热损失增加。

2.2过剩空气系数

加热炉的烟气氧含量是监测加热炉热效率的重要指标。烟气氧含量主要以过剩空气系数来衡量。加热炉燃料必须要在一定的过剩空气量下才能实现完全燃烧，因此过剩空气系数过大，会对加热炉的热效率造成一系列的影响：(1)导致加热炉的热效率下降。烟气的氧含量增加表明进入炉内的过剩空气多，大量的过剩空气将热量从烟囱带走排入大气，增加了炉子的热损失，导致热效率下降。排烟温度越高，过剩空气带走的热量越多，对热效率的影响越大。(2)使燃烧温度下降。在加热炉内，燃料燃烧的温度越高，火焰和高温烟气传给辐射炉管的热量也越多，过剩空气系数增大后，降低了燃烧温度，辐射炉管的热强度下降，吸热量减少，这时必须增加燃料用量，才能维持加热炉的热负荷以及加热炉出口温度的稳定，从而导致热效率下降。(3)过剩空气系数越大，露点腐蚀温度越高。为了避免空气预热系统受到露点腐蚀的影响，排烟温度的降低值要加以控制，因此要降低过剩空气系数，使得排烟温度有下降的余地。过大的过剩空气系数会加剧炉管的氧化，影响加热炉的寿命，并使NOx化合物增加，对大气环境造成一定的影响。

2.3余热回收

在化工装置中，余热回收是重要的节能措施，对提高加热炉的能源利用率至关重要。烟气带走的热量损失占炉子供热量的40%~60%以上，降低排烟温度，减少烟气带走的热量损失，最有效的方式就是有效利用余热回收装置。排烟温度是评价加热炉热效率的主要指标之一，加热炉效率在90%左右时，排烟热损失占总热损失的70%~80%，一般情况下，排烟温度下降20℃，热效率约可提高1%。在不引起露点腐蚀的前提下，尽可能降低排烟温度，回收烟气中的余热，对提高加热炉的热效率有明显的作用。

2.4加热炉的技术管理

在加热炉的运行控制中，风门调节不当、供风过大、运行负荷低于设计值、燃料品质不好造成腐蚀和积灰、供风系统的操作不当、燃烧器的选型不当等问题，均会导致加热炉的热效率偏低。

3提升轧钢加热炉烟气余热回收系统能效方案

3.1高效不锈钢板式空气预热器

板式空气预热器应用波纹补偿器防止高温变形，低温侧管道特殊设计防止低温腐蚀等技术，传热效率比热管式提高近１倍，在实际生产中具有良好的效果。根据实际运行工况分别设计了不锈钢高温和低温换热段。使用不锈钢材质，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，使用温度可达700℃，甚至更高。传热板片之间采用全焊接方式连接，且制成品出厂前均须验证密封性，避免人工焊接时焊缝不均匀导致的泄露失效；可根据烟气温降，逐级分段安装，结构更加紧凑，传热效率更高，使用寿命更长。各换热段均以模块化形式组装，提高空气预热器安装效率，维护简便，维修成本低。

3.2高温段不锈钢＋中温碳钢＋低温玻璃板空气预热器

该预热器充分考虑烟气在流通换热过程中温度变化而设置，在高温段为提高性能，采取了不锈钢，在中温段为降低投资，采取了碳钢材质，低温段充分为了将烟气排放温度降低后而不发生露点腐蚀，采取不发生腐蚀的玻璃材质。据报道，该技术使用业绩达40家，设备抗酸性腐蚀强，维修及配件更换成本低；组合板式空气预热器高温段及低温段换热模块均采用较大板间距的平板式换热器组成，低温段支持水冲洗及化学清洗，可以有效地减缓预热器积灰堵塞情况的发生；玻璃板式换热器与管束式换热器相比（包括玻璃管束），单位体积能提供的传热面积要大1.7～5.5倍。结构紧凑度高，占地面积仅为热管式／光管式的1／2左右，紧凑性高于玻璃管式30％。单位体积能提供的传热面积大；结构紧凑度高，占地面积小。

3.3热媒换热技术

热媒换热技术分为无机传热技术和水热媒技术两种不同工艺方式。在无机传热工艺中，把无机元素加入加热炉，利用金属设备的导热能力，充分发挥无机元素的无机传热性质，能够有效回收加热炉中的余热。水热媒工艺是利用除盐水和除氧水等物质在加热炉内形成一个循环系统，这个系统是封闭式的，主要加强对加热炉中烟气的吸收，从而将烟气的热量充分吸取，提升空气的燃烧效率。该工艺比较简单，有十分方便的操作装置，对加热炉余热进行吸收。水热媒装置可以根据现场情况将烟气换热器和空气预热器分开布置，烟气和空气的流向也可灵活布置，排烟温度和热风温度可以灵活控制，调整烟气换热器的热媒水的进口温度高于露点温度，就可避免露点腐蚀的发生，因此排烟温度可以比同样材质的管式空气预热器低１５℃左右，从而可以大幅度提高加热炉效率。

4结语

在加热炉外排烟气管道并列增设余热锅炉回收烟气余热的方式，经过2a多正常、满负荷的生产运行，余热锅炉各项指标均达到设计要求。通过对比增设余热锅炉前后引风机用电量发现增设余热锅炉后引风机耗电量不仅没有增加，而且引风机叶轮维护成本下降，这主要是余热锅炉投入使用后降低了引风机进口烟气温度，减少高温对叶轮的破坏。余热锅炉投入运行半年后对余热锅炉水冷管检查发现水冷管没有出现明显的磨损现象，这主要是因为加热炉烟气中粉尘量少，没有对锅炉水冷管造成磨损。生产实践证明这种烟气余热回收利用锅炉很好地实现了加热炉外排烟气余热的回收利用，项目投资1a即可回收成本，具有较大的市场推广价值。

【参考文献】

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［2］覃永国，卢春宁.轧钢工序节能技术及节能实践［J］．冶金能源，2021，33(3):27－30.

［3］王连勇，蔡九菊，孙广，等.火焰炉节能技术分析［J］．工业加热，2021，35(3):1－3.