鋼鐵行業(yè)高溫?zé)煔庥酂崂玫难芯颗c實(shí)踐

彭起

（中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋事業(yè)部，湖北武漢430223）

熱電

鋼鐵行業(yè)高溫?zé)煔庥酂崂玫难芯颗c實(shí)踐

彭起

（中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋事業(yè)部，湖北武漢430223）

介紹某鋼鐵廠硅鋼連續(xù)退火生產(chǎn)線中高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)，將冷軋生產(chǎn)線工業(yè)爐產(chǎn)生的廢氣余熱用于帶鋼干燥過程，減少了高溫?zé)煔馀欧?，同時(shí)節(jié)約了蒸汽等能源耗量。詳細(xì)分析了該系統(tǒng)設(shè)備選型及運(yùn)行參數(shù)選擇方法，并結(jié)合實(shí)際介紹了該系統(tǒng)在運(yùn)行控制及操作維護(hù)等方面的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

鋼鐵；節(jié)能；高溫?zé)煔?；余熱利用；高溫?/p>

1 引言

冶金企業(yè)從原料、燒結(jié)到煉鐵、煉鋼以及軋鋼的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣，同時(shí)在各工序之間存在著含有可利用能量的中間產(chǎn)品和成品。充分回收和利用這些能量，是企業(yè)現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一[1]。本文將介紹某鋼鐵廠軋鋼生產(chǎn)中工業(yè)爐設(shè)備產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)選型

2.1 工程簡(jiǎn)介

該工程為某鋼鐵廠硅鋼連續(xù)退火生產(chǎn)線，其中連續(xù)加熱和均熱爐是鋼鐵企業(yè)中耗能較多的設(shè)備，其熱效率一般只有20%～30%，約有70%～80%的熱量散失，在這些散失的熱量中，被煙氣帶走的熱損失約占30%～35%。本工程在設(shè)計(jì)中采用一套余熱利用系統(tǒng)回收退火爐余熱，用于供1#熱風(fēng)干燥器使用，以替代以往所使用的蒸汽。

由于本工程中熱源（PH/NOP排煙系統(tǒng)）與用戶端（熱風(fēng)干燥器）之間距離較長(zhǎng)，大概100 m，若在熱源處直接將空氣加熱后輸送到用戶點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的熱損失。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用高溫水為熱媒，首先通過氣-水換熱器將循環(huán)水加熱至100℃以上的高溫水，再由高溫水通過水-氣換熱器將空氣加熱至指定溫度。

本套高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)（以后簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）所需設(shè)備有：循環(huán)水泵（1用1備）；自動(dòng)穩(wěn)壓裝置，包括穩(wěn)壓罐，加壓水泵，脫鹽水箱等；熱源端氣-水換熱器；用戶端水-氣換熱器；相關(guān)管道、管件、閥門等。考慮到高溫水輸送過程中可能發(fā)生溶氧腐蝕，各類管材、管件材質(zhì)不應(yīng)低于不銹鋼SUS304。

本工程中熱源端及用戶端參數(shù)如下：

熱源端（PH/NOP排煙系統(tǒng)）：

煙氣溫度Ty1=350℃;煙氣流量Fy=13000 m3/h

用戶端（熱風(fēng)干燥系統(tǒng)）：

空氣最低溫度Tk1=5℃;空氣流量Fk=18000 m3/h;空氣出口溫度Tk2=120℃

系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1系統(tǒng)所需熱量與煙氣出口溫度

在本工程中，根據(jù)工藝專業(yè)的要求，熱風(fēng)干燥器選用風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Fk=18000 m3/h。取空氣參數(shù)如下：

空氣密度：ρk=1.229 kg/m3（5℃）

空氣比熱容：Cρk=（1.009+1.026）/2=1.0175 kJ/ kg·K(5～120℃算術(shù)平均值)

因此系統(tǒng)所需理論熱量：

代入數(shù)值計(jì)算得：Q=719 kW

取高溫?zé)煔鈪?shù)如下：

煙氣密度：ρy=0.475 kg/m3（450℃）

煙氣比熱容：Cρy=1.066 kJ/kg·K(450℃)

在不考慮潛熱換熱的情況下,高溫?zé)煔獬隹跍囟龋?/p>

代入數(shù)值計(jì)算得：Ty2=56℃。

2.2.2供、回水溫度

高溫水系統(tǒng)的供水溫度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，供水溫度取高些可以獲得較大的供、回水溫差，減少高溫水循環(huán)量，降低一次投資；同時(shí)，還由于提高了與被加熱介質(zhì)間的溫差，可以增加換熱系數(shù)從而減少傳熱面積。但是提高供水溫度也有不利的方面，比如必須提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓值以防止水氣化，這對(duì)設(shè)計(jì)、施工和管理的技術(shù)水平要求較高；同時(shí)，將高溫高壓的熱水引入內(nèi)部系統(tǒng)及散熱器存在對(duì)人員造成燙傷的危險(xiǎn)。根據(jù)暖通行業(yè)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，必須控制供水溫度不超過150℃[2]。

綜合考慮，本系統(tǒng)將供水溫度設(shè)定為150℃，回水溫度設(shè)定為100℃，供回水溫差50℃。

2.2.3水泵流量及揚(yáng)程計(jì)算

水泵流量可通過下面的公式計(jì)算∶

其中：G——水泵流量，m3/h；

Tg——供水溫度，150℃；

Th——回水溫度，100℃；

Cps——水比熱容，4.23 kJ/kg·K（取平均溫度125℃）；

ρ——水密度，948 kg/m3（取平均溫度125℃）。代入數(shù)值計(jì)算得：G=13 m3/h。

流量取值：15 m3/h（14.2 t/h）（考慮20%的裕量）。

查《高溫水供暖管網(wǎng)管徑計(jì)算表》，選取管徑為DN100,可得相應(yīng)流量下比摩阻R=41.644 Pa/m，流速ν=0.535 m/s，動(dòng)壓頭hd=137.209 Pa。

本系統(tǒng)中管道總長(zhǎng)度l≈240 m，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況，局部阻力系數(shù)之和Σξ≈300，系統(tǒng)阻力損失P=l×R+Σξ×hd≈52 kPa，取值60 kPa（考慮20%裕量）；

系統(tǒng)最大高差為5 m左右，取6 m（考慮20%裕量）；

綜上所述，水泵額定流量和揚(yáng)程分別為15 m3/ h、12 m。

2.2.4穩(wěn)壓裝置計(jì)算

穩(wěn)壓裝置的作用是為高溫水循環(huán)系統(tǒng)提供足夠的壓力，使高溫水沸點(diǎn)升高，不至于氣化。穩(wěn)壓裝置的首要選型參數(shù)是系統(tǒng)所需壓力。為保持150℃高溫水不汽化，查《飽和水與干飽和蒸汽表》可得，需維持系統(tǒng)壓力不低于0.47 MPa。因此穩(wěn)壓裝置所提供

的壓力必須大于0.57 MPa（取100 kPa的安全附加壓力）。

穩(wěn)壓裝置的另一個(gè)重要選型參數(shù)是系統(tǒng)膨脹水量，膨脹水量可由下列公式計(jì)算：

其中：ΔL——膨脹水量，m3；

Ly——爐子端高溫?zé)煔鈸Q熱器容水量，m3；Lg——管道容水量，m3；

Lk——用戶端水-空氣換熱器容水量，m3；

ρtg——供水密度，916.93 kg/m3（取最高溫度150℃）；

ρtc——初始水密度，999.9 kg/m3（初始水溫度5℃）

Ly、Lk為換熱器廠家返回的數(shù)據(jù)，分別為0.7 m3與1.2 m3。

管道容水量Lg=πr2×240=2.4 m3（r為管道半徑，取57 mm）。

代入數(shù)值，得ΔL=0.35 m3。

根據(jù)以上所計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，穩(wěn)壓裝置調(diào)節(jié)水量需大于0.35 m3。

穩(wěn)壓裝置中的脫鹽水箱主要起到儲(chǔ)存脫鹽水用于水量補(bǔ)充和調(diào)節(jié)的作用，考慮到設(shè)備布置問題，選擇水箱容積1 m3。

穩(wěn)壓裝置中的加壓水泵兼具向系統(tǒng)加壓和向整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)充水的作用。由于脫鹽水箱容積較小，因此選取加壓水泵時(shí)不易選擇流量過大的，否則在工作時(shí)會(huì)使脫鹽水箱水位快速下降至保護(hù)水位之下，導(dǎo)致水泵頻繁啟-停，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

2.3 小結(jié)

通過上述計(jì)算，已經(jīng)把本系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)選定。需要特別指出的是，本系統(tǒng)在用戶端采用高溫水和蒸汽聯(lián)合換熱的形式，即在高溫水能完全保證用戶要求的情況下盡量只使用高溫水，而在高溫水不能滿足用戶要求或者系統(tǒng)檢修的時(shí)候，為了保證生產(chǎn)，可以使用蒸汽加熱。

另外，作為系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，穩(wěn)壓罐應(yīng)選取氮?dú)鉃樘畛錃怏w，主要考慮到氮?dú)獾亩栊裕粫?huì)對(duì)罐內(nèi)膠囊產(chǎn)生腐蝕，有利于延長(zhǎng)穩(wěn)壓罐的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 管道系統(tǒng)施工及操作控制

3.1 管道施工

本系統(tǒng)中需要使用的閥門類型有：截止閥、止回閥，自動(dòng)排氣閥、電磁閥、反沖洗過濾器及金屬波紋管補(bǔ)償器。閥門材質(zhì)全部為不銹鋼SUS304以上。

系統(tǒng)管道內(nèi)充滿水，隨著溫度的增加，水的氣容率會(huì)逐漸降低并在管道內(nèi)不斷釋出少量氣體。氣體的存在不僅會(huì)對(duì)管道和設(shè)備造成一定腐蝕，還會(huì)導(dǎo)致水泵運(yùn)行過程中噪聲加大，因此需要在管路中最高點(diǎn)及立管處設(shè)置自動(dòng)排氣閥。管道在架設(shè)過程中需要設(shè)置不小于千分之三的坡度，且坡度增加方向應(yīng)跟管內(nèi)流體流向相同，以保證管內(nèi)水、氣同流。

電磁閥用于控制穩(wěn)壓罐超高壓排水和脫鹽水箱低水位補(bǔ)水。反沖洗過濾器應(yīng)盡量安裝在水泵入口管路上，有利于保護(hù)水泵，同時(shí)設(shè)置旁通管路，便于以后運(yùn)行中的檢修工作。

為了保證整個(gè)系統(tǒng)壓力平穩(wěn)且不至于出現(xiàn)負(fù)壓段，系統(tǒng)穩(wěn)壓點(diǎn)應(yīng)設(shè)置于水泵入口。因此穩(wěn)壓裝置（包括穩(wěn)壓管、脫鹽水箱、加壓泵、電控柜的廠家成套供貨設(shè)備）最好同系統(tǒng)循環(huán)水泵布置在一起，為了方便排水，本系統(tǒng)將穩(wěn)壓裝置同循環(huán)水泵布置在同一基礎(chǔ)之上并在周圍設(shè)置一圈排水溝。

3.2 系統(tǒng)控制及操作維護(hù)

3.2.1 循環(huán)系統(tǒng)控制

循環(huán)系統(tǒng)的控制主要在于對(duì)循環(huán)水泵的流量控制及管網(wǎng)蒸汽的流量控制。

在本系統(tǒng)中，設(shè)置了多個(gè)溫度、壓力及流量測(cè)點(diǎn)，其中遠(yuǎn)傳進(jìn)PLC控制柜的測(cè)點(diǎn)分別為：循環(huán)水泵出口壓力、流量測(cè)點(diǎn)、煙氣余熱換熱器出口溫度測(cè)點(diǎn)及定壓點(diǎn)后壓力測(cè)點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以通過變頻電機(jī)控制水泵流量，同時(shí)記錄下不同流量對(duì)應(yīng)的煙氣余熱換熱器出口溫度，最終選取最高的出口溫度對(duì)應(yīng)的流量為工作流量，使系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)。定壓點(diǎn)后的壓力測(cè)點(diǎn)設(shè)置低壓報(bào)警系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)正常工作時(shí)處于設(shè)定壓力之上，防止由于穩(wěn)壓裝置的失效造成高溫水氣化，損傷設(shè)備。系統(tǒng)中還設(shè)置了較多的就地溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，可以幫助用戶檢測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)點(diǎn)的工作狀態(tài)，從而更全面的觀察整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中的各種連鎖變化。

本系統(tǒng)在用戶端設(shè)置蒸汽流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)換熱器出口熱風(fēng)溫度反饋來控制蒸汽流量，當(dāng)高溫水提供熱量發(fā)生變化時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽供給量來保證用戶需求。

3.2.2 穩(wěn)壓裝置控制

穩(wěn)壓裝置的主要控制有壓力控制和水位控制，其中：

壓力控制系統(tǒng)設(shè)置包含：

低壓?jiǎn)⒈命c(diǎn)——0.55 MPa

高壓停泵點(diǎn)——0.6 MPa

過低壓報(bào)警——0.5 MPa

過高壓排水——0.65 MPa

水位控制系統(tǒng)設(shè)置包含：

(1)高水位溢流閉閥、(2)低水位補(bǔ)水開閥、(3)過低水位報(bào)警停泵。

穩(wěn)壓裝置中設(shè)置兩個(gè)電磁閥，一個(gè)作為壓力控制系統(tǒng)的電磁排水閥，一個(gè)作為水位控制系統(tǒng)的電磁補(bǔ)水閥。當(dāng)系統(tǒng)處于充水階段時(shí)，加壓水泵開啟，此時(shí)電磁補(bǔ)水閥開啟，通過穩(wěn)壓罐與管網(wǎng)連通補(bǔ)水；當(dāng)脫鹽水箱水位低于設(shè)定水位時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警同時(shí)加壓泵停止工作；當(dāng)脫鹽水箱水位高于設(shè)定水位時(shí)，電磁補(bǔ)水閥關(guān)閉同時(shí)通過溢流口將過多的水排出。而系統(tǒng)處于正常工作階段時(shí)，當(dāng)穩(wěn)壓罐壓力低于0.5 MPa，系統(tǒng)報(bào)警，此時(shí)應(yīng)迅速檢測(cè)穩(wěn)壓罐是否發(fā)生故障，例如膠囊破裂等問題，并及時(shí)關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；當(dāng)穩(wěn)壓罐壓力低于0.55 MPa（尚未低于0.5 MPa），加壓水泵開啟，向膠囊中充水，使膠囊膨脹增加壓力；當(dāng)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)（尚未高于0.65 MPa），加壓泵停止運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水溫度升高體積膨脹，導(dǎo)致穩(wěn)壓罐壓力高于0.65 MPa時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，電磁排水閥自動(dòng)打開排水泄壓。

3.2.3系統(tǒng)操作維護(hù)

(1)系統(tǒng)運(yùn)行之前需檢查穩(wěn)壓罐上壓力表顯示值，保證充氮壓力處于廠家設(shè)定值之上，并將電控箱過低壓報(bào)警及低壓?jiǎn)⒈命c(diǎn)設(shè)定在0.05 MPa（初始低壓狀態(tài)），嚴(yán)禁在氮?dú)鈮毫Σ蛔銧顟B(tài)下工作，否則會(huì)導(dǎo)致膠囊過分膨脹破裂；

(2)將加壓水泵設(shè)定為手動(dòng)狀態(tài)，并開啟水泵，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水；

(3)保持觀察穩(wěn)壓罐壓力表壓力值，當(dāng)壓力值開始持續(xù)上升時(shí)，說明膠囊已經(jīng)開始充水膨脹，管道內(nèi)已經(jīng)充滿水，此時(shí)將加壓水泵設(shè)定為自動(dòng)狀態(tài)，關(guān)閉兩個(gè)換熱器進(jìn)、出口的閥門，開啟循環(huán)水泵及反沖洗閥門，清洗管道；

(4)運(yùn)行一段時(shí)間，觀察反沖過濾器清洗水，如清澈無明顯雜質(zhì)，關(guān)閉反沖過濾器，開啟換熱器進(jìn)、出口閥門，系統(tǒng)進(jìn)入正常循環(huán)狀態(tài)；

(5)觀察氮?dú)鈨?chǔ)罐壓力表數(shù)值，當(dāng)數(shù)值高于0.5 MPa時(shí)，將電控箱低低壓報(bào)警及低壓開泵數(shù)值分別設(shè)定為正常使用的數(shù)值：0.5 MPa、0.55 MPa；

(6)觀察電控箱儀表顯示正常后，系統(tǒng)進(jìn)入正常使用狀態(tài)（自動(dòng)控制）；

(7)定期觀察穩(wěn)壓罐壓力表數(shù)值，低于廠家設(shè)定值后，必須馬上補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

3.3 小結(jié)

高溫水循環(huán)管道必須保證坡度，坡度增加方向設(shè)置為與流體運(yùn)行方向相同,保證水、氣同向，自動(dòng)排氣閥應(yīng)靈活設(shè)置在各立管及管道最高點(diǎn)處。高溫水循環(huán)系統(tǒng)由于初始水溫較低，而工作水溫較高，這種加大的溫差必然會(huì)造成管道比較大的線性膨脹，在較長(zhǎng)的直管段上需設(shè)置補(bǔ)償器。管道在鋪設(shè)過程中，每隔一段最好在供、回水管上設(shè)置排水點(diǎn)，以便在檢修階段快速排空管網(wǎng)中的水。管網(wǎng)在不運(yùn)行階段應(yīng)該充水保養(yǎng)，防止空氣進(jìn)入管道后對(duì)管道和設(shè)備造成腐蝕。

4 結(jié)語

本文介紹了某鋼廠高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型、操作維護(hù)均有詳細(xì)的描述。在煙氣出口溫度的計(jì)算上，沒有考慮煙氣換熱的潛熱換熱量，有關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)煙氣溫度降到100℃以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的潛熱換熱量。因此在進(jìn)行余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量將高溫?zé)煔獾臏囟冉抵?00℃以下，從而提高余熱利用的熱效率。

目前本余熱利用系統(tǒng)在該鋼廠運(yùn)行正常，供、回水溫度與設(shè)計(jì)值基本一致。使用高溫水作為熱源的熱風(fēng)干燥系統(tǒng)基本上沒有再使用蒸汽熱源，僅此一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，每年就可為鋼廠節(jié)約蒸汽近7000 t左右，可見余熱利用在鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展上可以做出巨大貢獻(xiàn)。

[1]趙欽新，王宇峰，王學(xué)斌等.我國(guó)余熱利用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐，2009（5）∶8-14.

[2]榮秀惠，肖蘭生等.實(shí)用供暖工程設(shè)計(jì)[M].北京∶中國(guó)建筑出版社，1987.

[3]趙欽新，王善武.工業(yè)鍋爐技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展思路探討[J].工業(yè)鍋爐，2009（1）∶1-12.

Research and Practice in Waste Heat Utilization in the Steel Industry

PENG Qi
(Cold Rolling Dept.of WISDRI Engineering&Technology Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430223,China)

The waste heat recovery system for the high-temperature flue gas from the continuous annealing line of a silicon steel rolling mill was introduced.Waste heat in the exhaust gas from the industrial furnace of the cold rolling line was recovered and used in strip drying,to reduce fume emission and save energy(such as steam)consumption.Selection of equipment type and operation parameters of the system were analyzed in detail;and experiences and knowhow in operational control and maintenance of the system were introduced based on actual practice.

iron and steel;energy conservation;high temperature flue gas;waste heat utilization;hot water

TK115

B

1006-6764（2014）05-0038-04

2013-12-23

彭起(1984-)，男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)從事暖通設(shè)計(jì)工作。