AOD炉烟气余热回收应用工程实践

赵丽 赵忠良

【摘 要】介绍了北海诚德镍业有限公新建3台70吨AOD炉各配置一套双压余热锅炉，三套余热锅炉产生的饱和蒸汽用于除尘系统汽轮机透平做功，驱动引风机工作，从而达到节能降耗、并为后续除尘系统安全运行提供保障。

【关键词】AOD炉烟气；翅片管式余热锅炉；蓄热器

1、概况

AOD精炼炉与一般转炉相比，有着冶炼时间长，吹氧强度低，脱碳速度小，CO含量低等特点，因此AOD精炼炉烟气中的CO回收价值不大。精炼炉炉气一般采用完全燃烧方式，冶炼时产生的含CO的烟气在炉口和吸入的空气混合燃烧后，产生的烟气温度～1450℃，完全燃烧后的精炼炉烟气具有温度高，烟温波动大，含尘量高等特点。目前AOD精炼炉烟气冷却一般采用水冷处理方式，即将AOD精炼炉冶炼所产生的烟气从其炉顶抽出，经水冷烟道冷却降温后，再经机力空冷机或直接混入冷风降到150℃，进入布袋除尘器净化，并经风机由烟囱排往大气。故采用水冷方式不仅浪费了烟气中大量高品位的能源，而且还要消耗大量水资源和电力，且水冷设备使用故障率高、寿命短，占地面积大，无经济效益。

北海诚德镍业有限公司新建有3台70吨AOD炉，为充分利用电炉冶炼产生的高温废气，将传统的水冷方式改为余热锅炉降温方式，为防止进入余热锅炉的温度过高损坏锅炉，在炉顶采用水冷弯头辐射受热，温度降至～1000℃进沉降室，沉降室出来的烟气进入余热锅炉冷却降温，然后进入后续布袋除尘器净化、排放。余热锅炉产生的低压蒸汽用于除尘系统汽轮机透平做功，驱动引风机工作，从而达到节能降耗、并为后续除尘系统安全运行提供保障的目的。

采用余热锅炉降温与水冷方式相比不仅产生了蒸汽，驱动除尘风机工作，而且大量节约了电能，同时余热锅炉的使用寿命比水冷烟道大为提高，并减少了烟道的维修时间及运行费用；系统也无需设置循环水冷却塔，所以，通过对AOD炉烟气余热进行回收，不仅节约了炼钢车间的电耗，减少了吨钢能耗指标，还提高了全厂的循环经济效益。

2、主要技术方案及措施

2.170吨AOD炉余热回收装置设计参数（单套）

废气量：110000Nm3/h

废气性质：AOD炉冶炼高温烟气

废气粉尘含量：<120g/m3（标态）

烟气CO含量：<3%

翅片管式余热锅炉入口烟气温度：平均630℃（最高900℃）

余热锅炉出口废气温度：≤250℃（平均）

余热锅炉系统阻力：<1000Pa

余热锅炉额定产汽压力（表显）：≤2.4MPa/0.3MPa

蓄热器出口饱和蒸汽压力（表显）：1.6MPa

蓄热器出口饱和蒸汽流量（表显）：13t/h（连续）

蓄热器出口饱和蒸汽温度（表显）：～204℃

进大气式热力氧器软水进水温度：20/60℃

大气式热力氧器出口水温：104℃

2.2余热回收系统流程

本工程主要是利用AOD炉沉降室出口的高温烟气余热产生饱和蒸汽，然后送入蓄热器蓄热、稳压，并用于除尘系统汽轮机透平做功，驱动引风机工作，其流程模块见图1。为充分利用余热，提高能量的利用率，本系统为双压产汽系统，即：利用高温烟气余热产中压蒸汽，进入蓄热器；之后的低温烟气用来产低压蒸汽。可供自身系统除氧用，实现了能量梯级利用，逐级回收。

图1余热回收系统模块图

2.2.1烟气系统

AOD炉烟气通过保温烟道进入翅片管式余热锅炉，烟气经锅炉蒸发器1、蒸发器2、低压蒸发器产生两种不同压力的饱和蒸汽后降温至～250℃，再通过锅炉出口低温烟道送至增压风机，经风机送入后续袋式除尘器。

考虑到烟气系统的含尘量较高，易积灰，余热锅炉本体设置了吹灰装置；底部设置输灰系统和集中贮灰槽，每组换热器底部设灰斗，插板阀、星型卸灰阀，灰尘通过输灰系统进入集中贮灰槽定期处理。

考虑冶炼时产生的含CO的烟气在炉口和吸入的空氣混合燃烧不充分，为提高系统安全性，防止锅炉进口温度超温，烟气高温段设置混风阀；且对锅炉进行温度监控，当进口温度>900℃时，控制室显示、报警。

2.2.2水汽系统

水汽系统设有集中式泵房（3套锅炉共用），自界区外来除盐水（～0.5MPa）进入软水箱，然后由设置的2台软水泵（1用1备）送入热力除氧器除氧；除氧后的除氧水分成两路，其中一路通过设置的4台低压给水泵（3用1备）送入3台低压汽包；另一路通过设置的4台中压给水泵（3用1备）送入3台中压汽包；蓄热器的补水通过备用中压给水泵供给。

本余热锅炉系统还配置了排污系统、取样系统、放空、放净系统、除灰系统及加药装置

2.3余热锅炉技术特点

翅片管余热锅炉是本次余热利用项目的核心设备，针对本项目的特点，余热锅炉设计采用中、低压两段复合型的翅片管式的结构，即余热锅炉采用中、低压两段复合型模块化组合结构。双压翅片式余热锅炉可适应废气温度大范围波动的工况，在烟气温度高达1000℃时仍然保证换热管强度及其管壁温度在允许范围内，相比热管式锅炉避免了因超温爆管而影响设备的使用寿命。锅炉本体设计采用模块化组合结构，减少了锅炉漏风热损失，同时能有效缩短现场安装周期。

本工程中翅片管式高效蒸汽发生器设计为上下集箱翅片管型式，采用高频焊接翅片管作为换热元件，通过翅片来强化传热，整套装置传热效率高，设备结构紧凑，热侧流体流动阻力小。其基本特点是锅筒和产汽部分分离，水的受热和汽化在翅片管内完成，众多翅片管通过上下集箱组成一片，再通过联络管与锅筒连接，这就使本套装置有别于一般上下锅筒结构的余热锅炉。产汽套管与锅筒间用导管相连，管道可任意调整长度，现场布置灵活，设计计算时充分考虑到废气温度的大范围的变化特点，设置合理的换热强度范围，从而适应大温变工作状况，适应了复杂现场的要求。全套设备除给水系统外，无运转部件，运行可靠，操作维修方便。

2.4主要技术措施

（1）本系统余热锅炉本体设脉冲除灰器，是防止换热器表面的积灰，实现余热锅炉的稳定、连续、安全运行的重要保障。所以余热锅炉本体必须布置足够数量的脉冲除灰器喷吹点，并均匀的布置在余热锅炉迎风面上。从而保证余热锅炉正常运行。

由于脉冲除灰器采用爆炸冲击波吹灰原理，在爆炸瞬间会有火花产生，如果锅炉本体内烟气中CO含量超过5%，则会给整个系统的运行带来极大的威胁。所以脉冲吹灰器系统吹灰的工作时间必须严格控制在出钢后期，这时锅炉中不存在CO，在线自动吹扫非常安全。

（2）由于AOD炉冶炼存在周期性，烟温波动大，余热锅炉产汽量不能连续、稳定输出，为确保进入汽轮机蒸汽压力、流量稳定，此时需要借助于变压式蒸汽蓄热器。蒸汽蓄热器使用时筒体内部充有90%以下的饱和热水，水面以上为蒸汽空间，水空间装有充热装置。当余热锅炉产汽量大于汽轮机用汽量时，蒸汽通过蓄热器内部充热装置喷入热水中，加热热水，提高热水温度，相应的使蓄热器空间内的饱和蒸汽压力升高。当余热锅炉产汽量低于汽轮机用汽量时，进蓄热器蒸汽压力就会降低，低于蓄热器汽空间饱和压力时，蓄热器中饱和水成过热水沸腾放热，产生蒸汽补给汽轮机用汽。从而实现汽轮机连续稳定运行。

（3）为了防止余热锅炉换热管及烟道出现磨损而影响设备的使用寿命，本工程设计时考虑了以下措施。

余热锅炉入口烟道垂直爬升20米后水平进锅炉，烟气中夹带的大颗粒粉尘在通过这段垂直烟道后均已沉降。

磨损程度与烟气流速的3次方成正比，因此严格将烟气流速设计为10m/s，在这种情况下，磨损程度能大大减小。

（4）本余热锅炉采用自然循环，设计锅炉上升、下降管必须充分考虑汽水流动的可靠性。针对本工程AOD炉烟气温度波动大的特点，在进行水力计算的设计中，采用最高烟气温度条件下，循环水管道内汽水循环倍率在20以上。

2.5设备布置

余热锅炉系统采用露天双跨立式布置，换热器布置在独立的钢架上，中压、低压汽包布置于钢架顶部，汽包平台边缘设置检修起重设施。余热锅炉周边留有余热锅炉检修空间。

余热回收系统软水箱（建议室外）、变频软水泵、中压变频给水泵、低压变频给水泵布置于泵房内EL0.000层；热力除氧器布置于泵房EL10.000楼层。取样器布置于泵房附近EL0.000地面上。

蓄热器、分汽缸布置于汽机房边上EL0.000地面。

3、设备运行状况

AOD炉烟气余热回收系统于2012年11月18日热试成功后投入使用，目前三套AOD炉两用一备，正常情况下运行两台。目前烟气进口温度最高890℃，未超900℃，这情况下，汽包出口压力2.2MPa，蓄热器出口压力1.6MPa，产汽量：27t/h，优于原设计13t/h（单台）。余热锅炉出口烟气温度约180～220℃，未高于250℃；吹氧期烟气量最大时系统阻力约为700～800Pa，未高于1000Pa，根據现场仪表记录，自动控制系统运行稳定。达到设计要求。

4、经济技术分析

运行费用计算：①软水：系统排污损耗8%，补水流量14.5t/h，折合14.5x1.32=19.2元/h；②电耗：工作电耗月86Kw，折合86x0.56=48.2元/h。

收益：饱和蒸汽：1.6MPa，13.5t/h，折合13.5x100=1350元/h。

按年工作330天计算330x24=7920，每套余热锅炉的年效益1015万元。

0.6年回收基建投资。

单套余热锅炉所产蒸汽按燃煤锅炉的折算，年节约标煤约0.86万t，减少CO2排放1.94万t/年，减少SO2排放171.4t/年。减少灰尘，灰渣等大气污染物排放0.24万t/年。

5、总结

该工程工艺简单，设备换热效率高，投资少，效益好，达到设计要求。AOD炉烟气余热回收系统将显热充分回收，产生蒸汽送入汽轮机，驱动除尘风机。从而降低AOD炉冶炼运行成本，经济效益显著，符合国家产业政策。该工程的成功应用，是钢铁行业节能和环保技术的重大突破。

参考文献：

[1]庄骏，张红，热管技术及其工程应用[M]，北京：化学工业出版社，2000

[2]李成，中国不锈钢的发展与面临的问题[A]，中国钢铁工业协会