加热炉低品质余热蒸汽的应用

吴春华，陈小芸，鲍志勤，倪俊

（1.南京市节能技术服务中心，南京 210007；2.上海梅山钢铁股份有限公司，南京 210039）

汽化冷却是一项应用广泛并且很成熟的技术，尤其在转炉上烟罩冷却和轧钢加热炉上应用最为广泛。以轧钢加热炉为例，汽化冷却的应用一方面可以回收设备冷却过程中的热量进行再次利用；另一方面可以保证高温运行设备在设定的工况下稳定运行，并且可以提高产品质量（比如消除板坯加热“黑印”）。但目前国内企业对汽化冷却饱和蒸汽的利用水平良莠不齐，原因是受汽化冷却工艺设备运行的稳定性及回收的二次能源的再利用制约，本文以国内某中型钢铁企业的实际运应用为例，着重阐述加热炉汽化冷却的产汽原理、汽源品质及回收使用情况，并提出使用改进建议，以使低品质的余热蒸汽得到更加合理和有效的利用。

1 加热炉汽化冷却应用

加热炉采用汽化冷却已有很多年，但在大型步进梁板坯加热炉（生产能力250t/h以上）的应用约在2000年前后，该汽化冷却系统自2002年投产以来运行稳定，使用效果良好，不但减轻了加热炉采用常规循环水冷却时带来的加热“黑印”对轧制过程及产品质量的影响，同时延缓了冷却水管的结垢，延长了设备的使用寿命，降低了维护成本。由于水的汽化潜热特点，用于冷却的给水在汽化时需要吸收大量热量，因此仅需少量的冷却水就能达到循环水冷却的效果，而且还可以避免循环水冷却方式在水系统故障时加热炉不能得到充分冷却而可能造成的事故。

尽管汽化冷却在初次应用就取得了较好的效果，但是该企业汽化冷却系统产生的蒸汽并没有得到合理充分的使用，而是采用了极不合理，现在看来甚至觉得有点不可思议的方式：将回收的蒸汽在汽化系统自身除氧使用后冷凝再循环利用，造成了极大的能源浪费，尽管通过减少循环冷却水量可以降低冷却水电耗，但是失去了汽化冷却回收能源和降低能耗的初衷，能源的利用不合理。为此，在与企业相关人员查阅了大量的资料并开展利用方式的探讨，最终在分析企业蒸汽管网（热电联产低压抽汽）和加热炉汽化冷却余热回收的蒸汽品质、用户需求、管网状况、回收和使用的各个环节后，将回收的蒸汽并入公司低压过热蒸汽管网，作为公司日常生产和生活的低压蒸汽汽源之一，实现两种不同品质蒸汽的共网运行。实践证明，加热炉汽化冷却系统及所产蒸汽并网利用是可行的，因此该公司在之后的技改及结构调整中所有的加热炉均采用了汽化冷却方式，并且所产蒸汽全部并网利用。

2 汽化冷却系统简介

加热炉汽化冷却系统由脱盐水制水系统、除氧系统、给水泵组及给水系统、循环水泵组及循环管路系统（活动梁、固定梁各有4个循环回路）和汽包等组成，系统组成见图1。

冷却循环水系统：软水箱中软水经软水泵打入除氧器，除氧后的水在给水泵作用下打入汽包。

蒸汽系统：汽包中的水经过分配联箱，进入下降管后分为两路，一路进入活动梁及立柱管路；另一路进入固定梁及立柱管路，吸收热量产生汽水混合物，重新进入汽包。汽包中分离出的蒸汽经过压力调节阀组进入分汽缸，产生饱和蒸汽或者将分汽缸出口的饱和蒸汽通过热交换器加热为具有一定过热度的过热蒸汽，所有的蒸汽在满足系统自身用汽需求后，剩余的部分并入公司低压蒸汽管网。

图1 加热炉汽化冷却系统组成简图

3 系统分析

该企业加热炉汽化冷却蒸汽并网利用以来，系统年回收并利用蒸汽已超过12万t，折标煤约1.5万t，节约成本近1000万元。

3.1 蒸汽特性

水吸热变为蒸汽主要有冷水（t1）→饱和水（t2）→湿饱和蒸气（t3）→干饱和蒸汽（t4）→过热蒸汽（t5）等过程[1]。上述转变过程均伴随着吸热，并且t1＜t2＝t3＝t4＜t5，一旦失去可以吸热的外界热源，以上过程将逆向进行。因此，低压蒸汽管网中的蒸汽一旦离开蒸汽发生装置，在输送过程中，其所携带的热量将不断散失，直至这种热传递方向的温度差异消失。

3.2 地形分布的影响

汽化冷却回收的蒸汽并网点在该公司的低压蒸汽管网中属于环形管网一级支管的末端，距离主干环网较远，无论是主干网向轧钢供汽，或是加热炉回收并网蒸汽，均需要长途输送才能发挥作用，在这过程中由于散热的存在，蒸汽的品质逐步劣化，由干饱和蒸汽变为湿饱和蒸汽，并且很有可能在局部形成相应压力下的饱和水与干饱和蒸气同样温度的饱和水通过沿途设置的疏水器流失，造成热量的损失和浪费[2]，而且还会降低蒸汽管网的综合运行效率。

3.3 工序间的影响

炼钢和轧钢一般都采用接壤布置，并且炼钢的汽化烟道余热回收工艺和装置与热轧加热炉汽化冷却余热回收属于同时期产物，相互之间并没有太多的联系，由于受到该企业实际蒸汽管网布局的影响，回收的低压蒸汽在并入蒸汽管网后，相互之间形成制约，并且更加进一步劣化了区域内的低压管网的蒸汽品质，造成更多的损失及系统效率低下。

上述的两种影响在日常的运行数据中表现为蒸汽的系统损失增大，由于企业在损失方面基本上采用分摊的方式进行处理，因此，最终在报表中显示的损失量均在“合理范围”，掩盖了系统运行效率低下的实际情况，需要管理者及技术人员细致的分析并采取解决问题的措施。

4 优化应用的建议

目前国内热力管网平均热能利用效率为40%，仅为国际先进水平的50%[3]。该企业作为一个由生铁基地逐步发展起来的钢铁联合企业，其企业内各种系统的规划和布置已经落后，如何在目前现状下通过对各回收工艺、用汽需求、系统平衡及供应方面的研究和优化，提高工艺回收和系统利用水平，是当前技术管理人员的工作着力点。目前，该企业仅仅回收了工艺余热，如何做到物尽其用，使之实现效率和效益的最大化，是急需解决的课题。

针对当前的低压蒸汽管网系统、产汽回收、用户用汽的分布状况，结合用户的用汽性质可以看出，低压蒸汽的用户绝大部分是使用蒸汽所携带的热量，也就是蒸汽的焓值。理论上这种需求对汽源的要求不高，很容易实现，但是从蒸汽的性质以及实际的管网运行上看，仍然有许多方面值得思考和改进。

（1）区域平衡。自从加热炉汽化冷却回收的饱和蒸汽并网应用开始，低压蒸汽打破了以往处于环网中心地带的热电联产抽汽向四周枝状支管的格局，变成由电厂抽汽辐射供汽与部分枝状支管吸纳各类工艺余热相结合的系统供汽格局。以轧钢及周边区域为例，加热炉汽化冷却产汽并网量为12t/h左右，而与热轧并列的冷轧用汽为20～30t/h，并且冷轧生产工艺主要用于油库及乳化液的保温、干燥热风的制备以及各机组清洗段的热水制备等，无论是保温还是制备80℃的热水（清洗带钢表面的氧化铁皮、轧制油、灰尘等杂质，提高带钢的表面质量）对蒸汽源的需求极低，应优先考虑冷轧使用加热炉汽化饱和蒸汽，它是提高低压管网蒸汽品质、减少冷凝损失、提高利用效率的最便捷措施。不但可以减少汽源远距离输送的损失，还能消化部分转炉的汽化冷却蒸汽，将系统的输送冷凝损失降至最低，有利于系统效率的提升。

（2）回收冷凝水。根据行业经验，蒸汽管道每100m的等效长度热损失为3%～5%[2]。对于饱和蒸汽而言，在饱和蒸汽并网点附近每100m冷凝损失达到3%～5%，利用回收的冷凝水每提高供水6℃则可节约1%的燃料[4]。按照沿并网蒸汽流向500m范围内回收冷凝水，依据以上数据分析，冷凝水的回收量为并网量的20%左右，回收这部分冷凝水的热量可用于汽化冷却系统循环补水或冷轧清洗段热水补水，全年可折合回收标准煤500 t。

(3)管网二次加热（过热）。热轧及周边区域存在大量对空排放的中低温废烟气（热轧加热炉、冷轧退火炉），排放温度均在300℃左右，部分烟气达到400～600℃，因此可以在区域内设置热交换装置，利用废烟气的显热来提升管网末端的气源品质，从而提高用户热利用效率，减少管网的冷凝损失。

5 结语

提高低压蒸汽的管网系统运行效率是一项复杂的系统工程，在实际运行中，提高系统效率仅考虑余热回收工艺及系统运用是远远不够的，因为低压蒸汽系统与煤气系统、电系统、高、中压蒸汽有着密切的联系。因此，在做好工艺余热回收和利用的基础上，设法拓展系统的边界，对企业整个热力系统进行节能的优化，努力使整个系统的效能达到最优，从而达到降耗增效的目的。

[1]沈维道，郑佩芝，蒋淡安.工程热力学（第二版）[M].北京：高等教育出版社,1983.

[2]秦伶俐.浅谈各种因素对蒸汽品质的影响 [J].科技信息，2009，（17）：690-691.

[3]王西兵，钱燕云，郁鸿凌，等.大型钢铁企业低压蒸汽系统优化调度研究[J].上海理工大学学报，2006，28（4）:391-395.

[4]陈英.蒸汽系统节能途径[J].节能与环保，2008，（7）：55.