带钢热处理机组退火炉烟气余热综合利用

杨柏松

（重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆401122）

全辐射管炉间接加热带钢至退火温度，辐射管加热采用自身预热式烧嘴，热交换器安装在辐射管排烟的末端，将助燃空气预热到450 ℃左右，辐射管烧嘴排出的废气温度约650 ℃。对于大型立式全辐射管炉，一般设置预热段将辐射管炉燃烧废气由保护气体换热器加热气体，通过对流传热预热带钢，将废气温度降至500 ℃左右。将出预热段约500 ℃的废气降至最终排放温度200 ℃以下排出烟囱[1]。在不考虑全线用户点的前提下，最直接的热能回收是在烟道中设置过热水换热器或者余热锅炉产生蒸汽。

本文针对处理线以镀锌机组为例分析系统能源利用的可能性。

如图1 所示，一条机组所用的热源点或者潜在的热源点一般包括：

（1）三个干燥点，即清洗段干燥、水淬槽干燥和光整机出口干燥。这三个点的共同特点都是钢板表面由湿变干，目前通用的做法是采用翅片管式蒸汽换热器为每个干燥点提供11 000～17 000 m3/h、90～110 ℃的清洁空气作为干燥热风，统计参数是每个点消耗1～1.4 t 饱和蒸汽（140 ℃）。

（2）四个水系统。带钢热处理机组的清洗段配置组成较为相似，各种水介质包括漂洗热水、碱洗热水及电解水热水。除此之外水淬槽的补热也在潜在需要热源的用户点范围内，因此理论上讲一条处理线至少有7 个点需要补热，最简单的办法就是采用饱和蒸汽（140 ℃）进行循环补热。

1 现有的余热利用

如何将处理线潜在用户点的热源利用和热处理炉的余热回收直接联系在一起？ 以某国企的连退机组为例，全线以蒸汽为加热介质的用户点包括清洗段的三个水系统（漂洗、电解清洗、碱洗）；一个水淬槽加热系统；三个干燥点（清洗段干燥、水淬槽干燥、平整机干燥），上述7 点采用蒸汽方式每小时需要7 t 饱和蒸汽（140 ℃）。

图1 以镀锌机组为例阐述潜在热源用户点

该厂于2014 年投产；生产产品为CQ、DQ、DDQ、EDDQ、SEDDQ 的产品，涵盖建筑、家电用板、汽车用板，年产量70 万t，机组速度最大为450 m/min。

根据图2 中的布置，产生的烟气分别来自两个辐射管加热炉，所产生的烟气汇总后经过现有的热水锅炉排出厂外。所产生的烟气参数见表1。

图2 退火炉布置图

表1 烟气利用参数表

可以看到45 000～58 000 m3/h 的烟气量要达到排烟风机的安全排气温度则还需要掺冷风才能达到250 ℃以下的要求。因此该机组一方面余热利用并不彻底，大量热能外排；同时每小时全机组还需要外部提供7 t 饱和蒸汽（140 ℃）。

本设计基于本线内部消化退火炉余热的目的，在充分考虑了余热锅炉、 过热水等间接利用的方法后，寻求更加直接的利用方法，同时保证设备的安全性，就是说余热利用装置不能改变炉子的生产工况，不能因为产量的高低、 产线运行速度的快慢而失去调整和控制能力。

2 余热利用的优化设计

改进余热利用系统的目的是更直接地利用烟气余热，不需要将余热交换给蒸汽再经过热交换变成干燥热风，而是直接利用全机组现有的三个用户点，设计烟气-热空气的低温换热器，直接供给清洗段干燥、水淬槽干燥、光整机干燥。

2.1 干燥器的余热利用工作原理

根据图3 所示，改进后的干燥器采用预热空气取代原有经过蒸汽加热的干燥热风，这一优点是正常生产后完全不用蒸汽了，当时原有蒸汽换热器可以保留作为辅助系统。

根据图4 所示，改进后的干燥器预热空气采用吸入式换热器并联结构，这样三个干燥点只需要一台换热器，同时各个干燥风机布置在干燥器附近便于压力控制。

图3 干燥器改进示意图

图4 改进后的干燥点分布示意图

2.2 各种清洗段水介质的余热利用工作原理

清洗段原有各种清洗介质的加热也是通过蒸汽的换热器对个循环槽进行加热的，改进后的供热改为热水，循环系统的原理如图5 所示。

图5 各种清洗介质加热循环系统原理图

（1）热水系统最优的设计是不用旁通，用热水水箱循环加热系统是安全的，但设计方的安全系统包括换热器前后的保护是十分重要的。

（2）水系统的换热器和烟气的换热最好不要受到产量高低的影响，同时能有效应对水质各种离子，尤其是氯离子的腐蚀作用。

（3）水换热器的选择介质最好不要多样性，不起泡、不腐蚀、不结垢等。

3 采用热风干燥和热水循环余热利用系统的设计参数

根据表2~表4 所示，所有干燥器采用了一台换热器给三个点提供干燥热风；相当于三个点，每个干燥点11 000 m3/h 的热空气由一台换热器提供；采用负压式操作；这一设计的特点是控制方便、免维护，同时这一部分的辅助蒸汽彻底不用了，这三个点节约4.2 t 饱和蒸汽（140 ℃）。

表2 烟气利用参数表

表3 干燥空气用换热器设计计算表

表4 热水用换热器设计计算表

所有水系统加热器采用了一台换热器给三个点提供热水；相当于三个点消耗量110 t/h，节约3 t 饱和蒸汽（140 ℃）。

根据图5 优化后的设计，消除了碱洗水、电解洗水等起泡、气堵、超温等不利因素；换热器采用开式内部循环，不存在介质内部堵塞腐蚀的现象，温度调节能力体现在不锈钢水箱上面，不需要旁通烟道；同时没有炉区改变工况。

本次改造优化余热利用的总原则： 根据余热资源的数量、品质（温度）和用户需求，按照能级相匹配的原则，按质回收温度对口，梯级利用，若有合适的热用户,直接利用余热最为经济[2]。

因此，本着上述原则的完整余热利用系统包括负压式干燥换热器和开式热水循环系统。

4 改造后的经济效益分析

本机组的余热利用改造用热风代替现有清洗出口、水淬出口、光整机出口的带钢烘干；用热水取代清洗段的各种介质的蒸汽加热，合计解决蒸汽用户7 个点，每小时减少蒸汽用量7 t（140 ℃饱和蒸汽）。

饱和蒸汽按照140 元/t 计算：

7 800×7×（0.8）×140/10 000=611.5（万元）

5 结论

（1）单独循环水系统方式，设备安全简单，但占地面积大。

（2）热风干燥系统采用吸入式并联负压换热器，完全满足清洗、水淬、光整的技术要求。

（3）采用余热利用系统，完全取代蒸汽加热，满足整线的各工艺点的热能需要。

（4）针对镀锡板、不锈钢光亮机组等极薄和较高的炉子，该余热利用系统完全取代预热炉。