AOD精炼炉余热锅炉结构设计浅析

2022-11-28黄聪仕赵英春陈广胜陈元升

工业加热 2022年10期

黄聪仕,赵英春,陈广胜，陈元升

(烟台国冶冶金水冷设备有限公司，山东烟台 265500)

1968年，美国率先试验出工业化的氩氧脱碳(Argon Oxygen Decarburization，以下简称AOD)工艺，即以氩氧精炼不锈钢，其主要原理是：通过氧枪设备及炉子底部或侧部内置管路，导入主要成分是氧气与氩气或氮气的混合气体，炼制过程中，调节炉子内部的氧氩比，建立合适的炼钢气氛，减少CO分压，完成不锈钢炼制。在这一过程中，伴随着CO燃烧及大量含尘高温烟气的生成。

某公司现有的一座90 t AOD炉，除尘系统原采用水冷烟道+自然空冷器+除尘器的形式。烟道采用水冷结构形式，其冷却水每小时循环量约1 800 m3，不仅耗电量巨大，而且每一次循环还需要补充约3%～10%损耗掉的循环水。1 500 ℃左右的烟气流经烟道，循环水吸热温升约5～30 ℃后，就需要被冷却塔处理冷却，然后再一次循环。高温烟气中的辐射热量没有得到利用，属于高耗能系统。

为了响应国家相关的节能减排政策，节约能源，让AOD炉排烟中的热量得以利用，本设计将原烟道的水冷系统改造为汽化冷却系统，将排烟中的热量进行回收利用，所产生的蒸汽进入蓄热站供余热发电，以最大限度节约能源，降低炼钢成本。

1 汽化冷却烟道的设计

1.1 汽化冷却烟道的设计条件

AOD炉容量/t：90

冶炼周期/min： 65±5

入口烟气量(标准)/m3·h-1：约130 000

烟道入口烟气温度/℃：约1 500

烟道出口烟气温度/℃：约800

炉气成分:φ(CO)=85%;φ(CO2)=15%

烟气成分:φ(O2)=6%;φ(CO2)=28%;φ(N2)=66%

炉气含尘度(标准)/g·m-3:约80

1.2 汽化冷却烟道的设计参数

锅炉型式：烟道式余热锅炉

烟道直径/mm： 2 880

受热管规格：炉口段Φ38 mm×5 mm (其他烟道Φ51 mm×5 mm)

受热管材质：20 G

汽包额定工作压力/MPa：1.6

汽包额定工作温度/℃：204

额定蒸发量/t·h-1：13

锅炉给水温度/℃：104

水循环方式：炉口段：强制循环

1.3 结构、系统改造优化简介

按为业主着想，节省投资，优化生产的原则，尽量保有业主现有系统、管路等设备设施，改进设备结构，优化现有生产流程，充分回收利用热量，整个烟道式余热锅炉布置图见图1，整个工艺流程见图2。

图1 烟道式余热锅炉示意图

图2 工艺流程示意图

1.3.1 工艺设备改造

原烟道位于炉口之上，由212根直径为42 mm的无缝钢管组成的密排管式水冷烟道，图3为原烟道结构剖面示意图，根据锅炉规范及热力计算的相关结果，将烟道结构优化为膜式水冷壁结构，管与板之间进行气密性焊接，而且该焊缝尽可能使用膜式壁焊机进行自动焊接。保证了烟道整体气密性好，能适应炼钢工艺对锅炉的要求，不易沾渣、漏风少，提高余热锅炉热效率。

图3 原烟道结构剖面示意图

受热管的壁厚涉及锅炉的换热效率及安全运行，而在不锈钢冶炼过程中，烟气、烟尘等冲刷磨损是导致管壁厚度减薄的原因之一，另以腐蚀机理而言，当废钢原料中含有部分硫，氯等元素后，产生的烟气会产生高温腐蚀等，加速管壁减薄的进程，容易导致受热管破损漏水，迫使系统不能正常运行。

为了提高烟道使用寿命，保证锅炉安全平稳运行，可在烟道的内表面进行特殊的处理即用镍基焊丝(INCONEL625)进行表面堆焊。该技术是在普通低碳钢表面堆焊镍基合金1.6～2.5 mm(见图4、图5)，其合金层在870 ℃下裸露16 000 h后的高温非比例延伸强度为435 MPa(远大于受热管常温非比例延伸强度：245 MPa)，延伸率30%，布氏硬度≤220 HB, 可隔离受热管与外界的烟尘，具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性好、抗冲蚀性强的特点，对烟道寿命有明显的提升效果。

图4 堆焊试样

烟道的设计参数根据锅炉系统设计的要求进行提高，按锅炉要求做相应的修改，制作、监检等环节都按锅炉规范进行。

炉口处拐点以上的烟道倾斜布置，锅炉运行时，易发生汽水分层现象，在部分烟道加装不锈钢的螺旋扰流板，以改善传热效果，尽量减少爆管现象的发生。

图5 烟道堆焊成品

汽化冷却烟道体积庞大，属于锅炉类特种设备，各段均整体安装，设计时配合考虑烟道在业主厂房内的安装和更换通道。

增配1台汽包，其内径2.4 m，直段长8 m，其水容积满足不补充新水可炼一炉钢的要求，因事故断水时保证AOD炉冶炼顺利结束和安全停炉；其次，内部蒸汽分离装置要充分分离汽包内的汽水化合物，保证蒸汽品质；第三，汽包内设有给水分配装置，高压强制循环的下降管增设防旋涡装置。

汽包额定工作压力1.6 MPa,额定工作温度204 ℃。为确保安全，在汽包上设置安全阀二套、紧急放散阀组一套及相应的排汽消声器，当系统超压时进行紧急排放，以保系统安全。

按系统配置需要，增设泵组、除氧器、排污扩容器、加药装置取样冷却器、阀组等相关设施。

1.3.2 系统改造优化

汽化冷却系统的结构设计和参数设计等，都影响着锅炉效率、锅炉安全经济运行水平以及环境污染。为了进一步提高锅炉热效率，降低锅炉系统设备造价，提高锅炉的运行自动化水平，优化锅炉及其辅助设备的运行可靠性，降温除尘减少对环境的污染，根据90吨 AOD炉汽化冷却烟道的设计条件及参数，建立受热面的烟气侧及汽水侧流程和汽水循环模型等，按照标准《锅炉机组热力计算标准方法》(1973年)计算锅炉受热面，烟气传热等。依据结果，优化锅炉受热面的布置、锅炉蒸汽参数，调节烟气动力等。

设计计算锅炉受热面及进行热力计算，相关结果见图6及表1。

图6 热力计算示意图

表1 各分段热力计算汇总表

热力计算作为汽水和烟气动力计算、烟气阻力计算、设备强度计算等的基础，必须严格计算，不能仅凭感觉、经验或按路由方便，在没有基础数据支持的基础上，随意布置循环管路系统，这将导致管路负荷不合理，可能引发事故。

为了优化系统，本系统采用我公司自主研发的余热锅炉复合式自动循环系统发明专利技术，本技术根据AOD炉烟气的初始工况选用最安全经济的热水循环泵，随工况变化运行，可达到节约运行成本和增加系统产汽量的目的。

以此技术应用的本案90T AOD炉余热锅炉(高温段烟道部分)为例，相比常规的设计，平均产汽量增加约1.5 t/h，平均电耗节约50 kW/h，按设备年工作330天，蒸汽单价100元/t，电价0.85元/(kW·h)计算，年收益增加约150万。

1.3.3 优化后的汽水系统简介

1) 给水系统

由炼钢软水站送来的软水接入软水箱，由软水泵加压送入除氧器，经除氧器除氧后，储存在除氧水箱，除氧水由锅炉给水泵加压送入汽包。

2) 蒸汽系统

汽包内的锅水经下降管分配至各段烟道，被加热变为汽水混合物后进入汽包进行分离，分离后的水通过下降管再次进入烟道进行循环。由于汽化冷却烟道产生的蒸汽是间断的，并且蒸汽量也在不断变化，如果直接送入管网将使管网的压力产生波动，影响用户的正常使用。因此，为了使余热锅炉产生的蒸汽连续稳定地送入管网，减少对管网的冲击，系统设变压式蓄热器。余热锅炉所产蒸汽与蓄热器并网，经蓄热器后送至厂区管网供用户使用。

3) 排污系统

为保证余热锅炉安全运行，采用连续排污系统来控制炉水碱度及含盐量。连续排污水送入连续排污扩容器，减温降压后分离出的二次蒸汽送入除氧器，废热水则排入排污降温池，经冷却后排入下水管道。