C412連續(xù)退火爐機組節(jié)能研究

上海交通大學 俞 峰

C412連續(xù)退火爐機組節(jié)能研究

上海交通大學 俞 峰

中國面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。冶金行業(yè)是耗能大戶，眾多的加熱爐、退火爐是重點用能設備之一。C412連續(xù)退火爐是2005年投產的生產線，原設計已考慮了大量節(jié)能技術，但近年來隨著節(jié)能管理工作的持續(xù)改進，也遇到了瓶頸。通過本次研究，尋找進一步節(jié)能的突破點和節(jié)能新思路。

節(jié)能，輻射管，煙氣余熱，換熱，余能回收

0 前言

寶鋼新日鐵汽車板有限公司（以下簡稱公司）是上海市耗能重點單位，同時列入了全國節(jié)能低碳行動計劃千家企業(yè)和上海市碳交易試點企業(yè)，面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。公司有4座退火爐，其中C412連續(xù)退火爐機組（以下簡稱C412機組）是其中最大的一座。國內外退火爐煙氣余熱利用改造目前正在如火如荼地開展。母公司新日鐵樣板鍍鋅機組通過蓄熱式燃燒改造，煤氣單耗下降了30%。另一家母公司寶鋼股份已有多條退火爐實施了節(jié)能改造，正在對同類機組進行推廣。由于各退火爐工藝、設備差異、燃料差異、場地布局差異等，煙氣余熱利用改造需要因地制宜，采取最合適的改造方案。C412連續(xù)退火爐是日本新日鐵制鐵公司設計的2005年投產的生產線，主體設備為國外引進，原設計已考慮了大量節(jié)能技術，但近年來隨著節(jié)能管理工作的持續(xù)改進，也遇到了瓶頸。通過本次研究，尋找進一步節(jié)能的突破點和節(jié)能新思路。節(jié)能措施主要分為技術節(jié)能和管理節(jié)能。技術節(jié)能需資金投入，而且改造存在風險，但是節(jié)能效果顯著；管理節(jié)能通過日常管理措施進行節(jié)能，需日積月累，持續(xù)改進。兩者缺一不可，只有這樣才能使節(jié)能量最大化。

1 退火爐節(jié)能綜述

節(jié)能主要是新能源的替代或傳統(tǒng)能源的節(jié)約。節(jié)能技術主要分為節(jié)電與節(jié)氣。節(jié)電技術主要包括提高功率因素、變頻改造、高效電機、高效泵與風機、潤滑耐磨添加劑以及機械密封等，有的技術是直接節(jié)電，有的是通過提高效率或減少浪費和損耗間接節(jié)電。節(jié)氣技術主要包括熱轉熱送、低溫煙氣余熱回收、蓄熱式燃燒、高效燒嘴、高效換熱器等。C412機組設計時已采用大量變頻電機，由于投產時間已有8年，因此計劃部分電機采用高效電機進行替換。其它一些節(jié)能技術近年來也不斷在應用實踐。由于C412機組現狀和本身特點，本文將節(jié)能技術聚焦在煙氣余熱回收技術上。

連續(xù)退火機組的加熱方式有直接加熱和和間接加熱。其中間接加熱常使用輻射管(Radiative Tube)通過輻射換熱來加熱。采用輻射管加熱的爐子與采用傳統(tǒng)直接加熱的爐子在煙氣余熱利用技術上有很大不同。目前針對采用輻射管加熱的系統(tǒng)，燃燒后高低溫廢氣余熱利用的不同的爐子專業(yè)廠家有不同的設計，各有優(yōu)缺點，主要節(jié)能措施有下列幾個方面：

（1）每一個輻射管增設換熱器，通過換熱器高溫煙氣對助燃空氣進行預熱，加熱后的助燃空氣再與燃氣進行預混燃燒。

（2）集氣室后的煙氣風管增設循環(huán)換熱器，對爐膛內預熱段的氮氫氣體進行預熱。

（3）增設余熱回收蒸汽汽包，通過高溫煙氣余熱產生蒸汽。

（4）產生熱水或過熱水。冷軋工藝漂洗段通常需要熱水，而過熱水作為載能工質，可以將熱量帶到其它需要的用能點進行進一步換熱利用。

（5）預熱工藝吹掃用空氣，漂洗后的帶鋼需熱風進行干燥。

（6）預熱低燃燒值的燃料。

（7）用廢氣加熱爐輥，爐輥預熱帶鋼。

（8）蓄熱式燃燒，單向或雙向換熱。

（9）低溫熱源，用于生活供熱。

煙氣排放溫度除了與現有加熱爐原設計硬件設置有關外，與爐況、工況密切相關。因此，節(jié)能方向包括管理節(jié)能與改造節(jié)能兩大塊。一方面，隨著節(jié)能工作的不斷推進，退火爐管理趨向專業(yè)化、精細化管理。管理節(jié)能包括燃料結構優(yōu)化、燃燒狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測與調整、生產工藝優(yōu)化、爐窯專業(yè)化管理等。另一方面，由于近幾年不斷的挖掘節(jié)能管理潛力，可進一步改進的余地越來越小，難以滿足國家、企業(yè)的節(jié)能要求。只有通過節(jié)能技術應用，對現有設備裝置進行節(jié)能改造，才能取得顯著的節(jié)能效果。在低溫煙氣余熱利用技術研究方面，目前國內外開展了不少研究，研究熱點包括薄壁輻射管的研究、高效換熱器研究、蓄熱式燃燒技術應用研究等。近年來政府大力推廣合同能源管理，通過合同能源管理模式，冶金企業(yè)開展了不少節(jié)能項目，在軋鋼加熱爐區(qū)域主要包括增設煙氣余熱汽包回收蒸汽、煙氣預熱過熱水。另外，工業(yè)低溫煙氣余熱用于民用供熱也是一大亮點，在歐洲有效果顯著的示范項目，寶鋼也開展了類似移動供熱項目，世博會上已進行了展示。

2 退火爐技術節(jié)能應用研究

2.1 現狀調研

經統(tǒng)計，C412機組最終排煙溫度算術平均溫度為293.5℃，最高374℃，高負荷情況下廢氣風機冷風閥打開，進行冷風摻混。因此在大負荷情況下實際煙氣排放溫度大于400℃。煤氣流量與排煙溫度關系見圖1。

機組不僅有煙氣余熱利用的潛力，還可以通過降低煙氣溫度，減少或杜絕冷風稀釋，降低排煙風機負荷，起到節(jié)電的效果。

C412機組最終煙氣溫度偏高，節(jié)能潛力較大，但具有非穩(wěn)態(tài)的特點。煙氣污染物均大大低于排放。對于煤氣輻射管燃燒過程中污染物排放的研究，國內外研究表明助燃空氣的溫度越高，NOx的生成量越大[1]。因此，可以考慮提高一定助燃空氣溫度，NOx可以確保在可控范圍內。通過目前煙氣余熱利用趨勢和應用實踐，研究重點聚焦在增設蒸汽回收汽包、加強型輻射管換熱器、蓄熱式燃燒改造三個方案。其中加強型輻射管換熱器、蓄熱式燃燒改造兩個方案都是提高助燃空氣溫度，可以直接節(jié)約燃氣消耗。而增設蒸汽回收汽包是產生蒸汽，減少機組本蒸汽消耗，多余蒸汽可以回供總管網。2.2 增設蒸汽回收汽包的研究

（1）載能工質的確定

確認煙氣余熱后，首先需確定回收的載能工質。就C412機組而言，包括保護氣體、空氣、熱水、蒸汽。原則上首先是機組本身需求。其次是考慮能源利用效率，必須減少換熱或轉換環(huán)節(jié)。機組目前熱水過剩，過剩熱水已排放至酸軋機組回用，而且正面臨減排壓力，因此基本不考慮。熱空氣機組只用于熱風干燥，因此也沒有進一步需求，也不考慮。

以外，在能源審計中也有建議采用導熱油，利用煙氣余熱對導熱油進行加熱，熱導油作為載能工質再輸送到需要熱源的用戶點。蒸汽是C412機組除電、煤氣外第三大能源消耗，占機組耗能總量的7%。綜上所述，選擇蒸汽作為載能工質是第一選擇。

（2）廢氣風機適應性研究

廢氣風機現有2臺，能力為2400m3/min× 4.9kPa。廢氣風機全部為德國進口設備，如果因為節(jié)能改造需要對風機或馬達進行改造，改造投入將大幅增加，對項目經濟性、回報年限影響較大。研究主要是分析C412機組最大煤氣流量下，風機運行功率是否低于風機額定功率。經過理論計算，改造后廢氣風機實際消耗功率小于未改造前的功率。因此可以利用，不需要對風機馬達進行擴容改造。

（3）換熱器選型研究

熱管作為高效傳熱元件之一，近年來在各類工程中有著極為廣泛的應用，并結合實際應用中遇到的問題，不斷予以改進。目前熱管換熱器的設備制造工藝、換熱技術都有了巨大改進，已成為一種成熟的傳熱方式。與其它傳統(tǒng)的換熱形式相比較而言，有較為顯著的優(yōu)點。包括：

1）由于C412機組煙氣已經過多道換熱，煙氣溫度已較低。鑒于熱管傳熱的特點，更適合較小換熱溫差時使用。

2）穩(wěn)定性好，故障風險小。即使熱管發(fā)生局部腐蝕或穿孔，也不會影響整套裝置的運行。

3）熱管特有形式有利于強化換熱，蒸汽產出率在其他參數不變時，最終取決于換熱效率，熱管在這方面具有優(yōu)勢。

4）與普通換熱器比內在構成并不復雜，檢修維護難度不高。

（4）增設余熱回收汽包方案研究

方案研究主要包括：

1）原有三個換熱器是否保留；

2）是否考慮旁通，如增設旁通如何確保無擾動切換；

3）改造部分現場布置研究。

在原有PHF換熱器、熱風干燥換熱器、熱漂洗換熱器三級利用中，PHF余熱回收能力最大，而且涉及工藝，必須予以保留；熱風干燥也是工藝必須的，即使是拆除了現有的換熱器，也還是另設換熱器對冷空氣進行預熱，換熱環(huán)節(jié)越少越有利于能源利用率，因此也予以保留。

改造方案有兩個，方案一是直接在煙道管路上增設余熱回收裝置，即串聯(lián)形式；方案二是除了增設余熱回收裝置以外，考慮旁通回路，及并聯(lián)模式。綜合比較了改造影響范圍、改造風險性/故障處理投資和占地面積后，確定采用方案二。

2.3 蓄熱式燃燒改造研究

實踐與理論證明, 在連續(xù)加熱爐上蓄熱燃燒技術對提高爐子的熱利用效率并無實質性改進,某些情況下甚至比采用其他節(jié)能措施的常規(guī)加熱爐還要遜色, 其核心原因是蓄熱式加熱爐高風溫是利用爐膛內有效熱量換取的, 而常規(guī)爐余熱回收是利用排放煙氣中余熱[2]。

針對低熱值燃氣，在某些鍛造爐、加熱爐上，蓄熱燃燒技術還是有一定生命力的。但是蓄熱燃燒技術應用于冷壓延退火爐上還有諸多需改進的地方,這項技術的應用也是有條件和局限性的, 在不同條件下, 常規(guī)燃燒有更多的優(yōu)越性。

對爐溫的要求主要來自于不同鋼種的退火溫度要求、鋼板厚度和機組速度。C412機組生產的厚度能力最大差異近5倍，鋼板寬度最大差異近2倍，不同鋼種小時產量最大差30%[3]。

作為連續(xù)退火爐，C412機組生產的品種規(guī)格較多，工況變化較大，因此對爐子升降溫速度有著較高的要求。機組速度變化較大，而且各個區(qū)的爐溫分布也較離散。蓄熱式燃燒由于高溫煙氣預熱與燃燒的切換，具有一定的溫度慣性。在蓄熱式燃燒過程中，為了達到所要求的熱工參數，需要根據蓄熱體的蓄熱能力來確定換向時間。在換向過程中，爐溫與時間的關系曲線波動較大[4]。

從C412機組速度變化和爐溫控制分布看，即使是正常運行時工況變化也較大；而且按照工藝技術規(guī)范，對退火曲線有嚴格的要求。退火溫度代碼共36個。雖然集批生產有利于發(fā)揮機組產品同時節(jié)約能源，但是由于合同限制和過渡料需要，鋼種變化較多，經統(tǒng)計在1小時內有5個退火溫度，1個鋼卷最短只要3分鐘不到。從蓄熱式燃燒特點看，在爐況控制精度高和溫度變化的加熱爐上使用有一定的局限性。

2.4 加強型輻射管換熱器研究

C412機組使用的每一組燒嘴都設有獨立的余熱器，利用輻射管尾部排出的高溫廢氣對燒嘴助燃空氣進行預熱，提高助燃空氣顯熱，降低煙氣溫度，提高燃料利用率。

強化換熱效果，提高預熱后的主空氣溫度，最終提高輻射管溫度，從而直接減少主煤氣的需求量。國內許多學者開展了輻射管性能研究、高效換熱器研究[5]。多種插入物強化傳熱國內外做了大量研究[6]。

強化換熱的一種方式是增加換熱面，即增加換熱器長度。但是由于受爐膛尺寸、現有輻射管結構、助燃空氣和廢氣的功率限制，只能有限的增加換熱器長度。

如圖2所示，輻射管內高溫煙氣通過對流換熱和輻射換熱，將熱量傳遞給換熱器外管壁，B至B'溫度遞減；常溫空氣進入換熱器外管，在炙熱的外管內壁面通過對流換熱和輻射換熱進行熱量傳遞，A'至A溫度遞增；在內管內管壁內空氣進一步進行對流換熱和輻射換熱，B與A溫度相等無換熱，C至C'溫度遞減。

研究中，更換了兩組加強型換熱器，與現有換熱器進行了對比測試。加強型換熱器從理論計算可以節(jié)約7%煤氣，但實際檢測結果表明：效果未達到。主要原因是由于各燒嘴煤氣流量分配細微差異掩蓋了預熱效果提升。由于C412機組有331個燒嘴，各爐區(qū)各燒嘴之間燃燒調整十分困難，如果大面積推廣使用后，燃燒調整和壓力平衡更加難以控制，理論節(jié)能量更加無法確保。

3 退火爐管理節(jié)能研究

工序能耗是C412機組的核心指標之一，經過持續(xù)改進，原有管理措施只能保持用能水平在基準水平上維持，滿足不了進一步節(jié)能的要求，只能通過研究尋找新的管理措施，挖掘新的節(jié)能增量。

3.1 退火爐主煤氣熱值研究

燃氣的品質對燃氣消耗至關重要，如使用低品質燃氣，為了提供足夠的熱量，需要更多體積的燃氣，實際煙氣量也大幅提升，煙氣損失總量也隨之增加。C412機組在與日本樣板機組對標時，同口徑燃氣單耗有明顯差距，其中一個因素樣板機組使用純焦爐煤氣，而C412機組使用由高爐煤氣和焦爐煤氣混合而成的混合煤氣，兩者熱值相差2.5倍。

如果燃料熱值增加或減小，廢氣量隨著減小或增加，單耗將減小或增加，其變化幅度見表1[7]。

3.2 燃料結構經濟性研究

C412機組燃料成本是所有能源成本中占第二位。C412機組燃料成本核算采用關聯(lián)交易價，結合市場化機制，近年來煤氣單價進行了多次調整。公司利潤是公司生產經營出發(fā)點與目的，節(jié)能工作也要兼顧經濟性，否則本末倒置，失去了節(jié)能工作的意義。從燃料結構經濟性分析，也是提高焦爐煤氣比例有利于降低能源成本；從降低燃料單耗分析，提高焦爐煤氣比例提高混合煤氣熱值有利于節(jié)能。兩者結論恰好一致，即提高焦爐煤氣比例。目前通過公司正常流程，對能源技術規(guī)程和煤氣崗位規(guī)程進行了修訂，將混合煤氣標準由7537kJ/Nm3調整為8200kJ/Nm3，以達到節(jié)約煤氣和降低燃料成本的目的。

3.3 提高機組產能、穩(wěn)定產品質量的研究

評價加熱爐的能源消耗水平一般使用單位合格產品的能源使用量。C412機組能耗評價指標包括工序能耗、卷能耗。工序能耗是用機組使用的電、蒸汽、煤氣、氫氣、氮氣除以機組出口產量。卷能耗是統(tǒng)計每卷鋼卷使用的耗能量，主要用來分析鋼種、規(guī)格對能耗的影響。

C412機組出口產量與機組生產穩(wěn)定性密切相關，與機組小時產量、成材率等指標強相關。見圖3。

圖3 小時產量與煤氣消耗關系

表1 燃料熱值變化對單耗的影響

3.4 工藝一貫制改進研究

在管理節(jié)能舉措中，工藝節(jié)能潛力巨大，如果從全工序、全流程工藝設計、產品設計出發(fā)，改進各工序產品質量控制要求，一定也能獲得可觀的節(jié)能效果。

工藝節(jié)能也是重要的節(jié)能措施。C412機組煤氣消耗其中一個重要取決因素就是工藝上的退火溫度。高溫退火雖然有利于某些產品性能特性，但是高溫對設備維護、生產運行也帶來一定的弊端，如：爐輥易結瘤，帶鋼易產生小黑點或麻點缺陷；高溫時薄料已瓢曲，嚴重時容易造成斷帶。如果在產品工藝設計上使用低溫退火工藝，不僅有利于設備維護及生產操作，更主要是能減少煤氣消耗。由于冷壓延工藝中，影響產品性能質量的不僅包括本工序工藝，還要受到前工序工藝及產品性能的影響，因此必須推進工藝一貫制改進。

對于低溫退火公司曾經取得過一定進展，但是由于是需要全工序一貫制管理，因此進一步推動有一定難度。但是，首先針對已取得的成績，不能放棄。由于C412機組產品規(guī)程繁多，產品設計時應一定程度上考慮節(jié)能的因素，根據用戶不同的需求，在產品設計時考慮不同的工藝規(guī)范，從而達到工藝節(jié)能的目的。同時，在開展產品拓展研究時，要兼顧能源的影響，貫徹節(jié)能環(huán)保理念，從工藝設計上達到節(jié)能的目的。

4 總結與展望

在技術節(jié)能方面，對節(jié)能方案可行性、節(jié)能量、風險性、經濟性綜合進行研究后，認為增設蒸汽汽包是最佳選擇，并對增設蒸汽汽包進一步開展了可行性研究，初步確定了改造方案。C412機組增設蒸汽汽包回收煙氣余熱已列為2013年公司技改項目實施推進，通過增設蒸汽汽包回收蒸汽，預計可回收蒸汽16000t，節(jié)約1700t標準煤，年經濟效益400萬元。項目實施后最終煙氣排放溫度可以降低到160℃。

管理節(jié)能方面對影響C412機組能源消耗水平和能源利用率的各個因素進行了系統(tǒng)研究。通過煤氣熱值及經濟性研究，明確了優(yōu)化燃料結構的方向。優(yōu)化燃料結構提高焦爐煤氣比例，不僅減少排煙損失，而且能降低能源成本，提高機組小時產量，目前已開展第一階段工作，節(jié)能效果顯著。通過對機組產能、成材率與能耗的相關性分析，量化了影響因素，為C412機組生產運行指明了節(jié)能方面。通過理論分析以及卷能耗數據分析，認為一貫制工藝改進管理節(jié)能潛力巨大，已經取得的成果需保持，并進一步推動工藝節(jié)能、操作節(jié)能。

此外，計劃在煙氣系統(tǒng)上增設殘氧量在線監(jiān)測系統(tǒng)。由于考慮爐內保護氣體氣氛和顆粒度管理，保護氣體放散量有1600Nm3/h，溫度在500℃左右，這部分熱量尚未有效利用。同類機組也無成功利用經驗，下一步計劃通過科研或合同能源管理，尋求余熱利用途徑。

[1]Tanaka R New progress of energy saving technologytowardthe21thcentury:Frontierof combustion＆heattransfertechnology.In: Proceedings of 11 th Inernation flame Research Foundation(IFRF)MembeasConference,The Netherlands,1995.

[2]呂以清,蓄熱式燃燒技術在軋鋼連續(xù)加熱爐應用的合理性與適用性(上)[J].,工業(yè)爐,2007,(01)

[3]何劍鋒,1800CAPL培訓教材[R].

[4]徐華,高溫空氣燃燒技術的研究[D],北京工業(yè)大學,2002.

[5]涂衛(wèi)國.輻射管加熱技術綜述[J],工業(yè)爐, 2007(05).

[6]錢頌文,朱冬生,李慶領等.管式換熱器強化傳熱技術[M].北京:化工工業(yè)出版社,2003.

[7]姜正候,郭文博,燃氣燃燒與應用.[M].北京:中國建筑出版社,1988:4-14.

2013徐匯區(qū)“斜土·索廣·南洋（初）杯”O(jiān)M環(huán)保系列賽舉行

2013徐匯區(qū)“斜土·索廣·南洋（初）杯”O(jiān)M環(huán)保系列賽于2013年12月1日在南洋中學舉行。本次系列賽共設三個比賽項目，“低碳行動”廢棄物模型設計與平面制作項目要求青少年以豐富的想象力和創(chuàng)造力對廢棄物進行巧妙藝術的創(chuàng)作，使之成為具有藝術觀賞性的作品。“綠色科技創(chuàng)新論壇”上，參賽隊伍通過演講和論文答辯環(huán)節(jié)將科技創(chuàng)新推向高潮，現場氣氛緊張而熱烈。通過該項活動使同學們能夠結合生活實際，牢固樹立低碳生活的責任意識，把自己的低碳理念傳遞給社區(qū)和家庭。

（區(qū)經信委）

The Application Research of Energy Saving on C412 Continous Annealing Furnace

Yu Feng

Chinafacesenormouspressureonenergysaving.Metallurgicalindustryis energy-hungry,many of the furnace,annealing is the key energy equipment.C412 continuous annealing furnace was put into operation in 2005,and the original design was considered a large number of energy-saving technologies.In recent years,with the continuous improvement of energy management,also encountered a bottleneck.Through this research,looking for further energy saving and energy-saving breakthrough new ideas.

energy conservation,radiative Tube,flue gas heat,heat exchanging，waste heat recovery

俞峰，男，本科，高級工程師，寶鋼新日鐵汽車板有限公司從事能源管理，現就讀于上海交通大學。