轧钢加热炉烟气余热回收工程实践

侯中晓，胡砚斌，何 赛

（钢铁研究总院有限公司冶金工艺研究所，北京 100081）

1 前言

钢铁企业加热炉是轧钢车间的关键设备，同时也是轧钢生产环节过程中主要耗能设备，钢铁企业通常利用煤气（高炉煤气、转炉煤气或焦炉煤气）作为燃料对钢坯进行加热［1］，加热炉内燃料燃烧后高温区域温度1 300 ℃左右，通常加热炉尾部布置空气加热器预热空气，加热炉尾部排出烟气温度基本在300 ℃以上，其排出烟气的热量相当于送入炉内热量的30%左右［2］。随着钢铁行业能耗标准的提高，现阶段国内许多研究工作者致力于研究减少加热炉能源消耗及能源回收［3］，大部分研究工作集中在加热炉燃烧控制、风燃比及烟气余热利用等方面［4-6］，这些措施均能降低加热炉能源消耗，为积极落实钢铁行业“碳中和、碳达峰”国家战略具有一定的促进作用［7］。本文通过介绍在加热炉原有排烟管道旁并列增设余热锅炉的工程实践，对加热炉外排烟气余热资源的回收利用具有一定的参考价值。

2 加热炉烟气量及余热锅炉设计

2.1 加热炉烟气主要参数

加热炉烟气基本参数如表1所示，加热炉煤气燃烧后，经加热炉内预热钢坯后，加热炉外排烟气温度在300～350 ℃波动，正常生产条件下烟气量平均为46 000 m3/h。

2.2 余热锅炉设计参数及布置

根据现表1中加热炉烟气的相关参数条件，设计了相应的水冷管式余热锅炉，其具体设计参数为：平均蒸汽产量≥3.6 t/h；烟气进口温度300～350 ℃；烟气出口温度180 ℃；烟气阻力损失≤400Pa；过热蒸汽温度≥240 ℃；输出蒸汽压力≥1.27 MPa（根据管网实际要求）；余热锅炉炉型卧式。余热锅炉设计蒸汽产量为3.6 t/h；余热锅炉给水采用软化水，其要求符合GB/T 1576—2000《低压锅炉用水质标准》；软化水水泵设计流量最大6 t/h；余热锅炉使用压缩空气压力为0.3～0.4 MPa；供电380 V-50 Hz；余热锅炉采用定压运行设计，年运行小时数＞8 000 h。

表1 轧钢加热炉烟气参数

图1为余热锅炉系统的布置。从图1中可以看出，余热锅炉与原有烟气外排管道并列布置，余热锅炉前后安装有切断阀。1 号切断阀直径为1 800 mm，3 号切断阀直径为1 700 mm；当余热锅炉正常生产时，将2号切断阀关闭，1号和3号切断阀打开；当余热锅炉需要检修时，关闭1号和3号切断阀，打开2 号切断阀。为了减少余热锅炉的阻力损失，余热锅炉采用卧式布置。余热锅炉主要由省煤器、蒸发器、过热器及汽包组成。热风炉产生的烟气粉尘量较少，但也存在一定量的粉尘，为了减少对后续风机运行过程中的磨损，设计过程中在余热锅炉尾部设计有沉降室。

图1 加热炉余热锅炉布置

3 实际生产效果分析

根据项目设计前期对余热锅炉风量的检测，在稳定生产过程中加热炉风量平均为46 000 m3/h，余热锅炉设计最大外排烟气温度为350 ℃时，经过余热锅炉后烟气温度为180 ℃，温降为170 ℃；烟气比热按照1.32 kJ/（m3·℃）计算。根据余热锅炉设计参数，根据式（1）计算可知，设计余热锅炉每小时可以带走平均热量为10 338 040 kJ/h。

式中：Q为热量，kJ/h；△T为温降，℃；V为烟气的流量，m3/h。

余热锅炉实际投产后，对余热锅炉运行60 d数据进行了统计，其平均进口烟气温度约为330 ℃，出口烟气温度174 ℃，根据式（1）计算可知，实际生产过程中烟气经过余热锅炉后烟气外排减少的热量约为9 472 320 kJ/h。运行60 d 内，过热蒸汽平均温度为260 ℃，蒸汽压力为1.3 MPa左右，蒸汽平均流量为3.0 t/h，查表得到此条件下过热蒸汽的焓值约为2 900 kJ/kg，蒸汽每小时带走热量约为8 700 000 kJ/h。

根据实际烟气减少热量（9 472 320 kJ/h）和生产蒸汽热量（8 700 000 kJ/h）计算结果，可以看出实际生产过程中蒸汽带走的热量与余热锅炉设计实际蒸汽产量略低于设计产能；同时，实际产能蒸汽带走的热量与实际烟气减少热量存在一定的偏差，但余热锅炉投产后热风炉烟气量的波动、管道的散热、锅炉本身的利用效率及排污等因素影响，其差值也在合理的范围内，实际生产效果验证了锅炉设计、计算的正确性，余热锅炉的正常生产也验证了加热炉增设余热锅炉对烟气余热进行回收利用具有一定的可行性。

4 经济效益分析

项目总投资约为120 万元，经过近2 a 的生产运行，余热锅炉蒸汽产量基本可以维持在3.0 t/h左右，其中加热炉按照年作业率75%计算，蒸汽年产量约为19 656 t。按照企业内部蒸汽定价为100元/t，年效益接近200 万元。余热锅炉沿用原有引风机，经过生产发现，引风机电量并没有增加，这主要是因为随着外排烟气温度下降，实际工况下烟气量下降，同时余热锅炉采用卧式布置，其阻力损失较小。余热锅炉需要增设水泵、控制设备等，年消耗电量成本约5.4 万元。扣除相关人工成本、维护成本及折旧费后，项目运行1 a后可完全收回投资。

5 结语

在加热炉外排烟气管道并列增设余热锅炉回收烟气余热的方式，经过2 a多正常、满负荷的生产运行，余热锅炉各项指标均达到设计要求。通过对比增设余热锅炉前后引风机用电量发现增设余热锅炉后引风机耗电量不仅没有增加，而且引风机叶轮维护成本下降，这主要是余热锅炉投入使用后降低了引风机进口烟气温度，减少高温对叶轮的破坏。余热锅炉投入运行半年后对余热锅炉水冷管检查发现水冷管没有出现明显的磨损现象，这主要是因为加热炉烟气中粉尘量少，没有对锅炉水冷管造成磨损。生产实践证明这种烟气余热回收利用锅炉很好地实现了加热炉外排烟气余热的回收利用，项目投资1 a即可回收成本，具有较大的市场推广价值。