C412连续退火炉机组节能研究

上海交通大学 俞 峰

C412连续退火炉机组节能研究

上海交通大学 俞 峰

中国面临着巨大的节能减排压力。冶金行业是耗能大户，众多的加热炉、退火炉是重点用能设备之一。C412连续退火炉是2005年投产的生产线，原设计已考虑了大量节能技术，但近年来随着节能管理工作的持续改进，也遇到了瓶颈。通过本次研究，寻找进一步节能的突破点和节能新思路。

节能，辐射管，烟气余热，换热，余能回收

0 前言

宝钢新日铁汽车板有限公司（以下简称公司）是上海市耗能重点单位，同时列入了全国节能低碳行动计划千家企业和上海市碳交易试点企业，面临着巨大的节能减排压力。公司有4座退火炉，其中C412连续退火炉机组（以下简称C412机组）是其中最大的一座。国内外退火炉烟气余热利用改造目前正在如火如荼地开展。母公司新日铁样板镀锌机组通过蓄热式燃烧改造，煤气单耗下降了30%。另一家母公司宝钢股份已有多条退火炉实施了节能改造，正在对同类机组进行推广。由于各退火炉工艺、设备差异、燃料差异、场地布局差异等，烟气余热利用改造需要因地制宜，采取最合适的改造方案。C412连续退火炉是日本新日铁制铁公司设计的2005年投产的生产线，主体设备为国外引进，原设计已考虑了大量节能技术，但近年来随着节能管理工作的持续改进，也遇到了瓶颈。通过本次研究，寻找进一步节能的突破点和节能新思路。节能措施主要分为技术节能和管理节能。技术节能需资金投入，而且改造存在风险，但是节能效果显著；管理节能通过日常管理措施进行节能，需日积月累，持续改进。两者缺一不可，只有这样才能使节能量最大化。

1 退火炉节能综述

节能主要是新能源的替代或传统能源的节约。节能技术主要分为节电与节气。节电技术主要包括提高功率因素、变频改造、高效电机、高效泵与风机、润滑耐磨添加剂以及机械密封等，有的技术是直接节电，有的是通过提高效率或减少浪费和损耗间接节电。节气技术主要包括热转热送、低温烟气余热回收、蓄热式燃烧、高效烧嘴、高效换热器等。C412机组设计时已采用大量变频电机，由于投产时间已有8年，因此计划部分电机采用高效电机进行替换。其它一些节能技术近年来也不断在应用实践。由于C412机组现状和本身特点，本文将节能技术聚焦在烟气余热回收技术上。

连续退火机组的加热方式有直接加热和和间接加热。其中间接加热常使用辐射管(Radiative Tube)通过辐射换热来加热。采用辐射管加热的炉子与采用传统直接加热的炉子在烟气余热利用技术上有很大不同。目前针对采用辐射管加热的系统，燃烧后高低温废气余热利用的不同的炉子专业厂家有不同的设计，各有优缺点，主要节能措施有下列几个方面：

（1）每一个辐射管增设换热器，通过换热器高温烟气对助燃空气进行预热，加热后的助燃空气再与燃气进行预混燃烧。

（2）集气室后的烟气风管增设循环换热器，对炉膛内预热段的氮氢气体进行预热。

（3）增设余热回收蒸汽汽包，通过高温烟气余热产生蒸汽。

（4）产生热水或过热水。冷轧工艺漂洗段通常需要热水，而过热水作为载能工质，可以将热量带到其它需要的用能点进行进一步换热利用。

（5）预热工艺吹扫用空气，漂洗后的带钢需热风进行干燥。

（6）预热低燃烧值的燃料。

（7）用废气加热炉辊，炉辊预热带钢。

（8）蓄热式燃烧，单向或双向换热。

（9）低温热源，用于生活供热。

烟气排放温度除了与现有加热炉原设计硬件设置有关外，与炉况、工况密切相关。因此，节能方向包括管理节能与改造节能两大块。一方面，随着节能工作的不断推进，退火炉管理趋向专业化、精细化管理。管理节能包括燃料结构优化、燃烧状态动态监测与调整、生产工艺优化、炉窑专业化管理等。另一方面，由于近几年不断的挖掘节能管理潜力，可进一步改进的余地越来越小，难以满足国家、企业的节能要求。只有通过节能技术应用，对现有设备装置进行节能改造，才能取得显著的节能效果。在低温烟气余热利用技术研究方面，目前国内外开展了不少研究，研究热点包括薄壁辐射管的研究、高效换热器研究、蓄热式燃烧技术应用研究等。近年来政府大力推广合同能源管理，通过合同能源管理模式，冶金企业开展了不少节能项目，在轧钢加热炉区域主要包括增设烟气余热汽包回收蒸汽、烟气预热过热水。另外，工业低温烟气余热用于民用供热也是一大亮点，在欧洲有效果显著的示范项目，宝钢也开展了类似移动供热项目，世博会上已进行了展示。

2 退火炉技术节能应用研究

2.1 现状调研

经统计，C412机组最终排烟温度算术平均温度为293.5℃，最高374℃，高负荷情况下废气风机冷风阀打开，进行冷风掺混。因此在大负荷情况下实际烟气排放温度大于400℃。煤气流量与排烟温度关系见图1。

机组不仅有烟气余热利用的潜力，还可以通过降低烟气温度，减少或杜绝冷风稀释，降低排烟风机负荷，起到节电的效果。

C412机组最终烟气温度偏高，节能潜力较大，但具有非稳态的特点。烟气污染物均大大低于排放。对于煤气辐射管燃烧过程中污染物排放的研究，国内外研究表明助燃空气的温度越高，NOx的生成量越大[1]。因此，可以考虑提高一定助燃空气温度，NOx可以确保在可控范围内。通过目前烟气余热利用趋势和应用实践，研究重点聚焦在增设蒸汽回收汽包、加强型辐射管换热器、蓄热式燃烧改造三个方案。其中加强型辐射管换热器、蓄热式燃烧改造两个方案都是提高助燃空气温度，可以直接节约燃气消耗。而增设蒸汽回收汽包是产生蒸汽，减少机组本蒸汽消耗，多余蒸汽可以回供总管网。2.2 增设蒸汽回收汽包的研究

（1）载能工质的确定

确认烟气余热后，首先需确定回收的载能工质。就C412机组而言，包括保护气体、空气、热水、蒸汽。原则上首先是机组本身需求。其次是考虑能源利用效率，必须减少换热或转换环节。机组目前热水过剩，过剩热水已排放至酸轧机组回用，而且正面临减排压力，因此基本不考虑。热空气机组只用于热风干燥，因此也没有进一步需求，也不考虑。

以外，在能源审计中也有建议采用导热油，利用烟气余热对导热油进行加热，热导油作为载能工质再输送到需要热源的用户点。蒸汽是C412机组除电、煤气外第三大能源消耗，占机组耗能总量的7%。综上所述，选择蒸汽作为载能工质是第一选择。

（2）废气风机适应性研究

废气风机现有2台，能力为2400m3/min× 4.9kPa。废气风机全部为德国进口设备，如果因为节能改造需要对风机或马达进行改造，改造投入将大幅增加，对项目经济性、回报年限影响较大。研究主要是分析C412机组最大煤气流量下，风机运行功率是否低于风机额定功率。经过理论计算，改造后废气风机实际消耗功率小于未改造前的功率。因此可以利用，不需要对风机马达进行扩容改造。

（3）换热器选型研究

热管作为高效传热元件之一，近年来在各类工程中有着极为广泛的应用，并结合实际应用中遇到的问题，不断予以改进。目前热管换热器的设备制造工艺、换热技术都有了巨大改进，已成为一种成熟的传热方式。与其它传统的换热形式相比较而言，有较为显著的优点。包括：

1）由于C412机组烟气已经过多道换热，烟气温度已较低。鉴于热管传热的特点，更适合较小换热温差时使用。

2）稳定性好，故障风险小。即使热管发生局部腐蚀或穿孔，也不会影响整套装置的运行。

3）热管特有形式有利于强化换热，蒸汽产出率在其他参数不变时，最终取决于换热效率，热管在这方面具有优势。

4）与普通换热器比内在构成并不复杂，检修维护难度不高。

（4）增设余热回收汽包方案研究

方案研究主要包括：

1）原有三个换热器是否保留；

2）是否考虑旁通，如增设旁通如何确保无扰动切换；

3）改造部分现场布置研究。

在原有PHF换热器、热风干燥换热器、热漂洗换热器三级利用中，PHF余热回收能力最大，而且涉及工艺，必须予以保留；热风干燥也是工艺必须的，即使是拆除了现有的换热器，也还是另设换热器对冷空气进行预热，换热环节越少越有利于能源利用率，因此也予以保留。

改造方案有两个，方案一是直接在烟道管路上增设余热回收装置，即串联形式；方案二是除了增设余热回收装置以外，考虑旁通回路，及并联模式。综合比较了改造影响范围、改造风险性/故障处理投资和占地面积后，确定采用方案二。

2.3 蓄热式燃烧改造研究

实践与理论证明, 在连续加热炉上蓄热燃烧技术对提高炉子的热利用效率并无实质性改进,某些情况下甚至比采用其他节能措施的常规加热炉还要逊色, 其核心原因是蓄热式加热炉高风温是利用炉膛内有效热量换取的, 而常规炉余热回收是利用排放烟气中余热[2]。

针对低热值燃气，在某些锻造炉、加热炉上，蓄热燃烧技术还是有一定生命力的。但是蓄热燃烧技术应用于冷压延退火炉上还有诸多需改进的地方,这项技术的应用也是有条件和局限性的, 在不同条件下, 常规燃烧有更多的优越性。

对炉温的要求主要来自于不同钢种的退火温度要求、钢板厚度和机组速度。C412机组生产的厚度能力最大差异近5倍，钢板宽度最大差异近2倍，不同钢种小时产量最大差30%[3]。

作为连续退火炉，C412机组生产的品种规格较多，工况变化较大，因此对炉子升降温速度有着较高的要求。机组速度变化较大，而且各个区的炉温分布也较离散。蓄热式燃烧由于高温烟气预热与燃烧的切换，具有一定的温度惯性。在蓄热式燃烧过程中，为了达到所要求的热工参数，需要根据蓄热体的蓄热能力来确定换向时间。在换向过程中，炉温与时间的关系曲线波动较大[4]。

从C412机组速度变化和炉温控制分布看，即使是正常运行时工况变化也较大；而且按照工艺技术规范，对退火曲线有严格的要求。退火温度代码共36个。虽然集批生产有利于发挥机组产品同时节约能源，但是由于合同限制和过渡料需要，钢种变化较多，经统计在1小时内有5个退火温度，1个钢卷最短只要3分钟不到。从蓄热式燃烧特点看，在炉况控制精度高和温度变化的加热炉上使用有一定的局限性。

2.4 加强型辐射管换热器研究

C412机组使用的每一组烧嘴都设有独立的余热器，利用辐射管尾部排出的高温废气对烧嘴助燃空气进行预热，提高助燃空气显热，降低烟气温度，提高燃料利用率。

强化换热效果，提高预热后的主空气温度，最终提高辐射管温度，从而直接减少主煤气的需求量。国内许多学者开展了辐射管性能研究、高效换热器研究[5]。多种插入物强化传热国内外做了大量研究[6]。

强化换热的一种方式是增加换热面，即增加换热器长度。但是由于受炉膛尺寸、现有辐射管结构、助燃空气和废气的功率限制，只能有限的增加换热器长度。

如图2所示，辐射管内高温烟气通过对流换热和辐射换热，将热量传递给换热器外管壁，B至B'温度递减；常温空气进入换热器外管，在炙热的外管内壁面通过对流换热和辐射换热进行热量传递，A'至A温度递增；在内管内管壁内空气进一步进行对流换热和辐射换热，B与A温度相等无换热，C至C'温度递减。

研究中，更换了两组加强型换热器，与现有换热器进行了对比测试。加强型换热器从理论计算可以节约7%煤气，但实际检测结果表明：效果未达到。主要原因是由于各烧嘴煤气流量分配细微差异掩盖了预热效果提升。由于C412机组有331个烧嘴，各炉区各烧嘴之间燃烧调整十分困难，如果大面积推广使用后，燃烧调整和压力平衡更加难以控制，理论节能量更加无法确保。

3 退火炉管理节能研究

工序能耗是C412机组的核心指标之一，经过持续改进，原有管理措施只能保持用能水平在基准水平上维持，满足不了进一步节能的要求，只能通过研究寻找新的管理措施，挖掘新的节能增量。

3.1 退火炉主煤气热值研究

燃气的品质对燃气消耗至关重要，如使用低品质燃气，为了提供足够的热量，需要更多体积的燃气，实际烟气量也大幅提升，烟气损失总量也随之增加。C412机组在与日本样板机组对标时，同口径燃气单耗有明显差距，其中一个因素样板机组使用纯焦炉煤气，而C412机组使用由高炉煤气和焦炉煤气混合而成的混合煤气，两者热值相差2.5倍。

如果燃料热值增加或减小，废气量随着减小或增加，单耗将减小或增加，其变化幅度见表1[7]。

3.2 燃料结构经济性研究

C412机组燃料成本是所有能源成本中占第二位。C412机组燃料成本核算采用关联交易价，结合市场化机制，近年来煤气单价进行了多次调整。公司利润是公司生产经营出发点与目的，节能工作也要兼顾经济性，否则本末倒置，失去了节能工作的意义。从燃料结构经济性分析，也是提高焦炉煤气比例有利于降低能源成本；从降低燃料单耗分析，提高焦炉煤气比例提高混合煤气热值有利于节能。两者结论恰好一致，即提高焦炉煤气比例。目前通过公司正常流程，对能源技术规程和煤气岗位规程进行了修订，将混合煤气标准由7537kJ/Nm3调整为8200kJ/Nm3，以达到节约煤气和降低燃料成本的目的。

3.3 提高机组产能、稳定产品质量的研究

评价加热炉的能源消耗水平一般使用单位合格产品的能源使用量。C412机组能耗评价指标包括工序能耗、卷能耗。工序能耗是用机组使用的电、蒸汽、煤气、氢气、氮气除以机组出口产量。卷能耗是统计每卷钢卷使用的耗能量，主要用来分析钢种、规格对能耗的影响。

C412机组出口产量与机组生产稳定性密切相关，与机组小时产量、成材率等指标强相关。见图3。

图3 小时产量与煤气消耗关系

表1 燃料热值变化对单耗的影响

3.4 工艺一贯制改进研究

在管理节能举措中，工艺节能潜力巨大，如果从全工序、全流程工艺设计、产品设计出发，改进各工序产品质量控制要求，一定也能获得可观的节能效果。

工艺节能也是重要的节能措施。C412机组煤气消耗其中一个重要取决因素就是工艺上的退火温度。高温退火虽然有利于某些产品性能特性，但是高温对设备维护、生产运行也带来一定的弊端，如：炉辊易结瘤，带钢易产生小黑点或麻点缺陷；高温时薄料已瓢曲，严重时容易造成断带。如果在产品工艺设计上使用低温退火工艺，不仅有利于设备维护及生产操作，更主要是能减少煤气消耗。由于冷压延工艺中，影响产品性能质量的不仅包括本工序工艺，还要受到前工序工艺及产品性能的影响，因此必须推进工艺一贯制改进。

对于低温退火公司曾经取得过一定进展，但是由于是需要全工序一贯制管理，因此进一步推动有一定难度。但是，首先针对已取得的成绩，不能放弃。由于C412机组产品规程繁多，产品设计时应一定程度上考虑节能的因素，根据用户不同的需求，在产品设计时考虑不同的工艺规范，从而达到工艺节能的目的。同时，在开展产品拓展研究时，要兼顾能源的影响，贯彻节能环保理念，从工艺设计上达到节能的目的。

4 总结与展望

在技术节能方面，对节能方案可行性、节能量、风险性、经济性综合进行研究后，认为增设蒸汽汽包是最佳选择，并对增设蒸汽汽包进一步开展了可行性研究，初步确定了改造方案。C412机组增设蒸汽汽包回收烟气余热已列为2013年公司技改项目实施推进，通过增设蒸汽汽包回收蒸汽，预计可回收蒸汽16000t，节约1700t标准煤，年经济效益400万元。项目实施后最终烟气排放温度可以降低到160℃。

管理节能方面对影响C412机组能源消耗水平和能源利用率的各个因素进行了系统研究。通过煤气热值及经济性研究，明确了优化燃料结构的方向。优化燃料结构提高焦炉煤气比例，不仅减少排烟损失，而且能降低能源成本，提高机组小时产量，目前已开展第一阶段工作，节能效果显著。通过对机组产能、成材率与能耗的相关性分析，量化了影响因素，为C412机组生产运行指明了节能方面。通过理论分析以及卷能耗数据分析，认为一贯制工艺改进管理节能潜力巨大，已经取得的成果需保持，并进一步推动工艺节能、操作节能。

此外，计划在烟气系统上增设残氧量在线监测系统。由于考虑炉内保护气体气氛和颗粒度管理，保护气体放散量有1600Nm3/h，温度在500℃左右，这部分热量尚未有效利用。同类机组也无成功利用经验，下一步计划通过科研或合同能源管理，寻求余热利用途径。

[1]Tanaka R New progress of energy saving technologytowardthe21thcentury:Frontierof combustion＆heattransfertechnology.In: Proceedings of 11 th Inernation flame Research Foundation(IFRF)MembeasConference,The Netherlands,1995.

[2]吕以清,蓄热式燃烧技术在轧钢连续加热炉应用的合理性与适用性(上)[J].,工业炉,2007,(01)

[3]何剑锋,1800CAPL培训教材[R].

[4]徐华,高温空气燃烧技术的研究[D],北京工业大学,2002.

[5]涂卫国.辐射管加热技术综述[J],工业炉, 2007(05).

[6]钱颂文,朱冬生,李庆领等.管式换热器强化传热技术[M].北京:化工工业出版社,2003.

[7]姜正候,郭文博,燃气燃烧与应用.[M].北京:中国建筑出版社,1988:4-14.

2013徐汇区“斜土·索广·南洋（初）杯”OM环保系列赛举行

2013徐汇区“斜土·索广·南洋（初）杯”OM环保系列赛于2013年12月1日在南洋中学举行。本次系列赛共设三个比赛项目，“低碳行动”废弃物模型设计与平面制作项目要求青少年以丰富的想象力和创造力对废弃物进行巧妙艺术的创作，使之成为具有艺术观赏性的作品。“绿色科技创新论坛”上，参赛队伍通过演讲和论文答辩环节将科技创新推向高潮，现场气氛紧张而热烈。通过该项活动使同学们能够结合生活实际，牢固树立低碳生活的责任意识，把自己的低碳理念传递给社区和家庭。

（区经信委）

The Application Research of Energy Saving on C412 Continous Annealing Furnace

Yu Feng

Chinafacesenormouspressureonenergysaving.Metallurgicalindustryis energy-hungry,many of the furnace,annealing is the key energy equipment.C412 continuous annealing furnace was put into operation in 2005,and the original design was considered a large number of energy-saving technologies.In recent years,with the continuous improvement of energy management,also encountered a bottleneck.Through this research,looking for further energy saving and energy-saving breakthrough new ideas.

energy conservation,radiative Tube,flue gas heat,heat exchanging，waste heat recovery

俞峰，男，本科，高级工程师，宝钢新日铁汽车板有限公司从事能源管理，现就读于上海交通大学。