趙英春，孫世寶，潘高峰，楚友義，楊 平

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

1968年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司開(kāi)發(fā)的氬氧脫碳法(Argon Oxygen Decarburization，簡(jiǎn)稱AOD)冶煉不銹鋼技術(shù)投產(chǎn)應(yīng)用。AOD精煉法，是較先進(jìn)的冶煉不銹鋼技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外鋼廠煉制不銹鋼的主要手段。

AOD爐在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣含CO，CO產(chǎn)量不大，不具備回收價(jià)值，一般不回收，要在除塵前全部燃燒掉，由此導(dǎo)致煙氣一次高溫約1 500 ℃。為了防止燒損后續(xù)除塵設(shè)施，現(xiàn)采用普通水冷循環(huán)煙道或汽化冷卻煙道式余熱鍋爐回收高溫輻射熱的冷卻處理工藝較普遍，將煙氣溫度冷卻至850 ℃以下，再用吸入大量野風(fēng)直接空冷[1]或機(jī)力風(fēng)冷方式，降溫至250 ℃以下，進(jìn)入布袋除塵器除塵后再排入大氣。

煙氣在1 500～850 ℃區(qū)間內(nèi)采用高溫余熱利用的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外趨于成熟。在850～250 ℃區(qū)間內(nèi)的熱量，傳統(tǒng)上一般認(rèn)為是低品位余熱資源，屬于廢棄的余熱資源之列，這卻還有很大的節(jié)能潛力，也是現(xiàn)階段熱點(diǎn)前沿研究領(lǐng)域。

本文結(jié)合某公司150 t AOD爐低溫余熱鍋爐項(xiàng)目實(shí)際情況，探討了AOD爐的低溫?zé)煔饨枪苁接酂徨仩t的設(shè)計(jì)及運(yùn)行特點(diǎn),使低溫?zé)煔庥酂嵘疃壤贸蔀榭赡?，化其?jié)能潛力為鋼廠的現(xiàn)實(shí)收益，降低了AOD爐的排煙溫度,提高了環(huán)保效果, 節(jié)省了鋼廠的設(shè)備投資。此余熱利用方式，也響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排方針的號(hào)召,對(duì)于鋼廠節(jié)能降耗增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 角管式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)

1.1 角管式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)條件

AOD爐容量/t：150；

入口煙氣量(標(biāo)準(zhǔn))/m3·h-1：～120 000；

煙道入口煙氣溫度/℃：～1 975(最高，二次燃燒點(diǎn))；

煙道出口煙氣溫度/℃：～800(最高)；

低溫鍋爐入口煙氣溫度/℃：～800(最高)；

爐氣成分：85%CO，15%CO2；

煙氣成分：6%O2，28%CO2，66%N2；

爐氣含塵度/g·m-3:～120(標(biāo)準(zhǔn))。

1.2 角管式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐型式：臥式鍋爐；

汽包額定工作壓力/MPa：2.0；

汽包額定工作溫度/℃：214；

瞬時(shí)最大蒸發(fā)量/t·h-1：35；

額定蒸發(fā)量/t·h-1：6；

鍋爐給水溫度/℃：104；

水循環(huán)方式：自然循環(huán)；

清灰方式：脈沖擊波吹灰系統(tǒng)；

蓄熱器額定工作壓力/MPa：1.6；

蓄熱器額定工作溫度/℃：204；

外送蒸汽壓力/MPa：0.75～1.3；

低溫鍋爐出口煙氣溫度/℃：～200(最高)。

1.3 角管式余熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1所示的是一種新設(shè)計(jì)的低溫段用角管式余熱鍋爐，該鍋爐無(wú)補(bǔ)燃系統(tǒng)，為單汽包、自然循環(huán)的鍋爐。鍋爐臥式露天布置，由汽包、膜式壁式水冷壁(爐墻)、蒸發(fā)器、省煤器、水預(yù)熱處理器、膨脹節(jié)等組成。低溫鍋爐按煙氣的流動(dòng)方向，布置有進(jìn)口整流器、蒸發(fā)器、省煤器、水預(yù)熱器、出口煙道、膨脹節(jié)，在鍋爐兩側(cè)還布置有吹灰系統(tǒng)，下部布置灰斗及刮板機(jī)等輸灰裝置，還設(shè)有給水泵、軟水處理系統(tǒng)、除氧器及水箱、定期排污擴(kuò)容器、取樣冷卻器、加藥裝置及電控系統(tǒng)等常規(guī)公輔設(shè)施，這些設(shè)施不再贅述。

圖1 角管式余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

角管式余熱鍋爐，四周為大直徑厚壁的下降管，下降管不僅作為水循環(huán)管道，還作為鍋爐支撐框架的一部分，與汽包、水冷壁、集箱等組成框架式自承重結(jié)構(gòu)，即鍋爐自身無(wú)需再增設(shè)支吊結(jié)構(gòu)。另外，下降管與下集箱及上集箱與鍋筒連接的配管，不用很大的彎曲半徑煨彎鋼管，而用國(guó)標(biāo)成品的小半徑彎頭與鋼管焊接而成，使鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡(jiǎn)單。

鍋爐汽水系統(tǒng)流程如下：20 ℃廠區(qū)給水軟化處理后，泵入水預(yù)熱處理器，加熱到70 ℃，經(jīng)過(guò)除氧器除氧，出水104 ℃，經(jīng)給水泵，進(jìn)低溫省煤器，出水130 ℃以上，再進(jìn)高溫省煤器，然后進(jìn)鍋筒，通過(guò)下降管進(jìn)入蒸發(fā)器循環(huán)產(chǎn)汽，經(jīng)上升管回到鍋筒，分離出飽和蒸汽，輸送到蓄熱器穩(wěn)壓后，再接入外界管網(wǎng)。

蒸發(fā)系統(tǒng)含有自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種方式，自左向右分為7級(jí)換熱器，前5級(jí)為蒸發(fā)器自然循環(huán)，后2級(jí)為省煤器強(qiáng)制循環(huán)；各級(jí)換熱器與煙氣為垂直走向，換熱管為光管。其中第一級(jí)受熱面入口煙氣溫度為700 ℃，最后一級(jí)煙氣出口溫度為200 ℃。

1.4 角管式余熱鍋爐計(jì)算

AOD爐煙氣，從鍋爐左側(cè)進(jìn)入鍋爐，依次通過(guò)入口整流器、蒸發(fā)系統(tǒng)，煙氣向工質(zhì)傳熱過(guò)程如下：煙氣—(輻射)→水冷壁—(輻射對(duì)流) →蒸發(fā)器、省煤器—(除塵)→煙氣排向大氣。

為了獲得最佳的傳熱效果、最低的煙氣壓降及合適的煙氣流速，且在AOD爐變負(fù)荷工況時(shí)，能保證汽水循環(huán)正常運(yùn)行和鍋爐安全可靠，按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求，根據(jù)爐型特點(diǎn)，分別建立不同工況下的煙氣流程(見(jiàn)圖2)及汽水循環(huán)流程(見(jiàn)圖3)和汽水循環(huán)計(jì)算模型等，再依據(jù)鍋爐計(jì)算方法[2]，利用計(jì)算機(jī)多次迭代計(jì)算出符合要求的結(jié)果，再進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)鍋爐部件本體結(jié)構(gòu)，使得煙氣的余熱得到合理的利用。

圖2 角管式余熱鍋爐煙氣流程示意圖

2 角管式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

2.1 概 述

該項(xiàng)目基本要求是不大改業(yè)主工廠當(dāng)前布局，擴(kuò)建一座余熱鍋爐系統(tǒng)，從現(xiàn)有干煙道上將低溫?zé)煔庖?，接至余熱鍋爐內(nèi)，利用余熱產(chǎn)生蒸汽，并將煙氣溫度降至合理溫度后，通過(guò)新建煙道接至現(xiàn)有機(jī)力風(fēng)冷器和布袋除塵器之間的煙道上。

圖3 角管式余熱鍋爐汽水流程示意圖

當(dāng)其他鋼廠需要對(duì)AOD爐低溫段煙氣處理時(shí)，完全可以直接新建低溫角管式余熱鍋爐系統(tǒng)，不再需要增設(shè)機(jī)力風(fēng)冷器或類似的處理設(shè)施，這將直接降低鋼廠的基建投資。

2.2 鍋爐熱效率較高

該低溫鍋爐系統(tǒng)，最大限度將低溫?zé)煔庥酂峄厥?，鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生壓力為2.0 MPa的蒸汽，投產(chǎn)后實(shí)際產(chǎn)量平均約7 t/h。 蒸汽送入蓄熱站，經(jīng)蓄熱站穩(wěn)壓后，以0.75～1.3 MPa的壓力穩(wěn)定向當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)輸送，進(jìn)行綜合利用。以此為例，按設(shè)備年工作330天，蒸汽單價(jià)100元/t計(jì)算，鋼廠年收益增加550余萬(wàn)元。

2.3 鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用某公司自主研發(fā)的余熱鍋爐自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，具有全自動(dòng)操作功能，日常僅需要進(jìn)行點(diǎn)檢工作。

因鍋爐內(nèi)受熱管立式布置，受煙氣沖刷，不易積灰。鍋爐系統(tǒng)內(nèi)所包含的擊波清灰系統(tǒng)程控裝置，設(shè)立在鍋爐系統(tǒng)操作室內(nèi)，方便點(diǎn)檢進(jìn)行。

另外，考慮到停電保護(hù)，電路設(shè)置有UPS電源，保證意外情況下的系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2.4 水循環(huán)可靠

余熱鍋爐采用獨(dú)特的水循環(huán)結(jié)構(gòu)，鍋筒外置不受熱，各水回路最高點(diǎn)設(shè)置有安全閥，水循環(huán)采用強(qiáng)制循環(huán)與自然循環(huán)搭配利用，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擈?yàn)算后，在實(shí)際生產(chǎn)中也未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。

2.5 無(wú)鋼架結(jié)構(gòu)，抗震性好

角管式余熱鍋爐采用獨(dú)特的支撐結(jié)構(gòu)，鍋筒、本體質(zhì)量均由膜式水冷壁和下降管支撐，且所有膜式壁均焊成一體的全封閉結(jié)構(gòu)，抗震性好，滿足張家港市抗震設(shè)防烈度為6度的要求。

2.6 鍋爐解決熱膨脹問(wèn)題較先進(jìn)

在鍋爐進(jìn)口前及出口后，設(shè)置柔性膨脹節(jié)，以吸收鍋爐的各部件熱膨脹量。該柔性膨脹節(jié)，具有三向補(bǔ)償和吸收熱膨脹推力的能力，消除膨脹量較大，并有降低噪聲、隔震、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕等特點(diǎn)。

2.7 鍋爐保溫結(jié)構(gòu)輕質(zhì)有效

角管式余熱鍋爐，外壁用陶瓷纖維毯覆蓋，再用金屬板加固，無(wú)須磚墻結(jié)構(gòu)，保溫效果非常好。

2.8 鍋爐占地面積小

該項(xiàng)目不計(jì)水處理等公輔設(shè)施，鍋爐本體僅占地約110m2，也可根據(jù)業(yè)主需要，具體地形具體布置 ，具備適合各種地形的能力。

2.9 鍋爐安裝工作量少

余熱鍋爐水冷壁、蒸發(fā)器、省煤器模塊化設(shè)計(jì)、制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，節(jié)省了安裝工時(shí)。

3 結(jié) 論

根據(jù)150 t AOD爐的余熱參數(shù)、工況特點(diǎn)及使用要求，建立受熱面的煙氣側(cè)及汽水側(cè)流程和汽水循環(huán)模型等，使用鍋爐計(jì)算軟件，優(yōu)化了AOD爐低溫段角管式余熱鍋爐，解決了其煙塵處理中的積灰、水循環(huán)、煙氣量波動(dòng)大及熱膨脹等一系列問(wèn)題，確保鍋爐運(yùn)行安全可靠。

在對(duì)AOD爐低溫?zé)煔庥酂嵬跐摾玫耐瑫r(shí)，處理了煙氣中含有的部分煙塵，減少了粉塵的排放，不僅降低煉鋼企業(yè)的成本，也保護(hù)了環(huán)境，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。