煙氣余熱回收技術在連續(xù)退火機組中的應用

蒲洪權，武紹井，吳 斌，代雙葉

（1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪重慶信息技術有限公司，重慶 401122）

連續(xù)退火是當前冷軋后處理廣泛采用的工序之一[1]，連續(xù)退火爐是連續(xù)退火作業(yè)線上重要的能源消耗設備，其熱效率直接影響到整個連續(xù)退火機組的能源消耗指標[2]。連續(xù)退火爐主要由預熱段（PHF）、加 熱 段（RTF）、均 熱 段（SF）、噴 氣 冷 卻 段（JCS）、均衡段（ES）和出口段組成[3]，其中加熱段和均熱段通常需要采用燃氣輻射管間接加熱[4]。燃氣輻射管在工作過程中將連續(xù)產生大量的高溫煙氣，雖然從連續(xù)退火爐本身工藝出發(fā)已考慮了多級余熱利用系統(tǒng)（后面章節(jié)有詳細介紹），但連續(xù)退火爐的排煙溫度仍然較高，屬于300℃以上的中溫煙氣[5]，有較大的利用潛力。此時如果采用傳統(tǒng)方式，即在煙氣中摻冷風降溫后直接排放[6-7]，將會造成煙氣余熱的浪費，還污染環(huán)境。

余熱資源的回收利用方法包括直接回收利用、間接回收利用和綜合回收利用。考慮到連續(xù)退火機組的帶鋼清洗、烘干工藝等本身就需要熱源，且這些工藝對熱源的品位要求不高[8]，因此連續(xù)退火爐余熱資源最有效的回收利用方法是直接回收利用，即利用連續(xù)退火爐排出的中溫煙氣生產蒸汽或過熱水供退火爐帶鋼清洗、烘干等使用。

下面以某公司冷軋廠新上一套年產量為60萬t的連續(xù)退火機組為例，通過對直接回收利用連續(xù)退火爐中溫煙氣余熱資源的兩種方式（即蒸汽余熱回收方式和過熱水余熱回收方式）進行比較分析，然后選擇適合該廠連續(xù)退火機組的煙氣余熱回收技術并實施。

1 連續(xù)退火爐煙氣余熱分析

連續(xù)退火爐煙氣系統(tǒng)流程如圖1所示。本項目連續(xù)退火爐加熱段以天然氣為燃料，采用W型輻射管加熱。天然氣在輻射管內燃燒后產生高溫煙氣，除小部分摻進空氣中進行煙氣余熱再循環(huán)利用（第一級煙氣余熱利用）以外，剩下的間接加熱輻射管的助燃空氣（第二級煙氣余熱利用）后，沿著各自的管道匯集到煙氣集管中。煙氣從煙氣集管出來，經過保護氣體換熱器間接加熱退火爐需要的氮氫保護氣體（第三級煙氣余熱利用）。保護氣體換熱器后的煙氣溫度大約為450℃，如不再加以余熱利用，傳統(tǒng)方式就是先摻冷風，然后通過排煙風機經煙囪排出，這樣會造成能源浪費和環(huán)境污染。同時，摻冷風會增加排煙量，從而增加排煙風機的負荷。本機組擬增設采用蒸汽余熱回收方式或過熱水余熱回收方式的余熱回收裝置對排煙余熱進一步回收利用（第四級煙氣余熱利用），新增的余熱回收裝置的布置位置已在圖1中示意。

圖1 連續(xù)退火爐煙氣系統(tǒng)流程圖

1.1 連續(xù)退火爐的煙氣量計算

本項目所用天然氣的成分體積分數如下：CH4占94%，C3H8占2%，C3H10占1.3%，N2占1.7%，CO2占1%，此外天然氣中還含有約15 mg/m3的H2S。連續(xù)退火爐天然氣消耗量Q為3 350 m3/h。取過量空氣系數α=1.05，按表1中的公式帶入數據，分別計算出每立方天然氣燃燒的理論空氣量V0、每立方天然氣燃燒的實際煙氣量中三原子氣體的體積VRO2、每立方天然氣燃燒的實際煙氣量中氮氣的體積VN2、每立方天然氣燃燒的實際煙氣量中氧氣的體積VO2、每立方天然氣燃燒的實際煙氣量中水蒸汽的體積VH2O和每立方天然氣燃燒的煙氣量Vy，然后求得連續(xù)退火爐燃燒的實際煙氣量V的值為37 855 m3/h。

表1 連續(xù)退火爐燃燒煙氣量計算

1.2 確定排煙溫度

降低排煙溫度是提高余熱回收裝置余熱回收效率的最佳途徑，但是受余熱回收裝置的結構形式和煙氣露點等因素的影響，連續(xù)退火爐的排煙溫度不能降得過低。由于具體的煙氣余熱回收技術未定，可暫不考慮煙氣余熱回收裝置的結構形式等，通過煙氣露點來確定其最低排煙溫度，從而計算出煙氣的最大余熱利用潛力。

本項目所用的天然氣中含有少量的H2S，根據煙氣成分，按穆勒曲線擬合公式[9]計算得出煙氣的露點溫度為100.7℃。連續(xù)退火爐的最低排煙溫度按比露點溫度高30℃左右考慮，因此初定新增煙氣余熱回收裝置后的煙氣溫度為130℃。

1.3 最大煙氣余熱利用潛力計算

根據天然氣燃燒后的煙氣成分及其體積焓，查表計算得出新增余熱回收裝置的進口、出口煙氣焓分別為643.2 kJ/m3、179.2 kJ/m3。暫不考慮新增余熱回收裝置的漏風系數和散熱系數，通過計算得出最大煙氣余熱利用潛力為4 878.5 kW。具體計算見表2。

表2 最大煙氣余熱利用潛力計算

通過以上計算可知連續(xù)退火爐保護氣體換熱器后的煙氣余熱利用潛力非常可觀，值得通過新增余熱回收裝置對其進行回收利用。

2 煙氣余熱回收技術方案

2.1 蒸汽余熱回收技術方案

蒸汽余熱回收技術方案，是通過在連續(xù)退火爐保護氣熱交換器后的煙道上增設蒸汽余熱鍋爐來實現對連續(xù)退火爐尾部中溫煙氣的余熱回收，用以加熱除鹽水產生飽和或過熱蒸汽。用在連續(xù)退火爐煙道上的余熱鍋爐通常采用自然循環(huán)蒸汽余熱鍋爐，如果余熱鍋爐安裝位置的高度空間受限，也可采用強制循環(huán)蒸汽余熱鍋爐。蒸汽余熱鍋爐的蒸汽參數最好與廠區(qū)蒸汽管網匹配，這樣蒸汽余熱鍋爐產生的蒸汽可以優(yōu)先用作連續(xù)退火機組帶鋼的清洗和烘干，如有富裕（或不足）還可通過廠區(qū)蒸汽管網外賣（或購買）。本項目廠區(qū)蒸汽管網的壓力為0.6 MPa，經計算通過增加省煤器等換熱面后，蒸汽余熱鍋爐排煙溫度可以降到130℃左右。技術方案可行并可以最大程度回收煙氣余熱。

蒸汽余熱回收技術方案除了在煙道上設置余熱鍋爐以外，通常還需配置補水、給水除氧、蒸汽、取樣、加藥等輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含除鹽水箱、除鹽水泵、除氧器、給水泵、取樣冷卻器、加藥裝置等設備（如果余熱鍋爐采用強制循環(huán)方式，還需增加熱水循環(huán)泵），系統(tǒng)較復雜、設備較多。

2.2 過熱水余熱回收技術方案

過熱水余熱回收技術方案，是通過在連續(xù)退火爐保護氣熱交換器后的煙道上設置熱水鍋爐，利用煙氣的熱量將90℃的循環(huán)水加熱到140℃左右，供連續(xù)退火機組帶鋼的清洗和烘干等使用。整個過熱水系統(tǒng)采用密閉循環(huán)，循環(huán)水的工作壓力通常在0.5 MPa以上，在這個壓力下，熱水不會汽化。經計算過熱水回收技術方案也可以做到排煙溫度130℃左右，技術方案可行。

由于連續(xù)退火機組用戶需求的熱功率和連續(xù)退火爐煙氣余熱利用潛力通常很難做到完全相等，很多廠區(qū)又沒有熱水管網，當連續(xù)退火機組需求的熱功率比連續(xù)退火爐煙氣余熱利用潛力小時，就會存在無法最大程度回收連續(xù)退火爐煙氣余熱的情況。

過熱水余熱回收技術的主要系統(tǒng)包括過熱水循環(huán)系統(tǒng)、定壓補水系統(tǒng)等，主要設備包括熱水鍋爐、循環(huán)水泵和補水穩(wěn)壓裝置等，系統(tǒng)較為簡單、設備較少。

2.3 方案比較

蒸汽余熱回收技術方案和過熱水余熱回收技術方案都比較成熟且都適用于本項目。蒸汽余熱回收技術方案的主要優(yōu)勢在于其蒸汽參數可以與廠區(qū)蒸汽管網一致，可以通過向廠區(qū)蒸汽管網購買或外賣蒸汽來實現系統(tǒng)平衡，可以通過省煤器等組件做到最大限度地利用煙氣余熱。但是相比過熱水余熱回收技術方案，蒸汽余熱回收方案通常需要配置更多的輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)更為復雜，操作要求更嚴、占地面積更大、投資和維修管理成本更高。

雖然過熱水余熱回收技術方案存在因連續(xù)退火機組用戶需求的熱功率無法與退火爐煙氣余熱利用潛力完全匹配，當用戶需求熱功率過小時無法最大限度利用煙氣余熱的情況，但是本項目連續(xù)退火機組帶鋼清洗等用戶需求的熱功率（5 200 kW）比最大煙氣余熱利用潛力（4 878.5 kW）要大得多，可以做到最大程度回收煙氣余熱。用戶需求的熱功率不足量可以通過增加蒸汽補熱器，用廠區(qū)蒸汽管網來的蒸汽進行補充。

綜上所述，本項目決定采用系統(tǒng)較為簡單、投資更低、運行維護更小的過熱水余熱回收技術方案。

3 過熱水余熱回收技術方案介紹

3.1 系統(tǒng)簡介

采用過熱水余熱回收技術回收利用煙氣余熱的系統(tǒng)簡稱“過熱水余熱回收利用系統(tǒng)”，其主工藝系統(tǒng)包括：煙氣流程為保護氣體換熱器出口的～450℃的中溫煙氣，經熱水鍋爐后降溫到130℃左右，通過排煙風機從煙囪排出；過熱水流程為140℃的過熱水被送至過熱水用戶后冷卻至90℃左右，然后經熱水循環(huán)泵增壓后，再送至熱水鍋爐加熱。過熱水用戶包括堿液浸泡洗、熱水刷新、電解清洗、熱水漂洗及清洗段烘干等。熱水循環(huán)泵采用電機驅動，共設兩臺，一運一備。過熱水回收利用系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 過熱水余熱回收利用系統(tǒng)流程圖

為保證過熱水回收利用系統(tǒng)安全經濟運行，同時又不影響到連續(xù)退火機組整個生產線的正常生產，本項目主要采取了以下幾點關鍵技術措施：

（1）設置熱水鍋爐旁通煙氣管道，并在排煙風機前的煙氣管道上增設稀釋風口。熱水鍋爐進口煙氣管道、熱水鍋爐旁通煙氣管道和稀釋風口管道上分別設置有自動調節(jié)風門，熱水鍋爐的出口煙道上設置有切斷風門，通過這些風門的組合控制可確保在熱水鍋爐檢修、熱水鍋爐出口煙溫過高等事故工況下，連續(xù)退火爐機組主系統(tǒng)都能正常穩(wěn)定工作。

（2）將過熱水循環(huán)系統(tǒng)的定壓點設置在循環(huán)泵入口母管。過熱水循環(huán)系統(tǒng)是一個封閉的循環(huán)水系統(tǒng)，連續(xù)退火機組熱用戶要求到達熱用戶處的水溫需控制在140℃左右。按保證循環(huán)泵運行或停止時系統(tǒng)中任何一點既不汽化也不超過設備、管道及管件允許工作壓力范圍的原則，通過水力計算，確定過熱水系統(tǒng)的正常運行壓力應維持在0.6～1.2 MPa之間。循環(huán)泵入口處為整個循環(huán)水系統(tǒng)的最低壓力點，將循環(huán)水系統(tǒng)的定壓點選擇在循環(huán)泵入口處時，補水穩(wěn)壓裝置的出口壓力最小，補水穩(wěn)壓泵用電功率也最小，這樣更為經濟和節(jié)能。

（3）在熱水管路上設置蒸汽補熱器。當余熱鍋爐出口的過熱水溫度沒有達到用戶要求的140℃時，可通過廠區(qū)蒸汽管網來的蒸汽加熱過熱水，以確保過熱水用戶穩(wěn)定工作。蒸汽補熱器入口蒸汽管道上設置有自動調節(jié)閥，出口凝結水管道上設置有自動疏水閥，整個蒸汽補熱過程可通過程序實現自動控制。

（4）設置熱水循環(huán)泵旁通管，并在旁通管上安裝止回閥，防止熱水循環(huán)泵因停電等故障突然停止工作時，水循環(huán)突然受阻，過熱水的動能轉變?yōu)閴毫λ?，熱水循環(huán)泵入口管路中水壓急劇增高，從而產生水擊現象。

3.2 經濟效益及環(huán)保效益

3.2.1 經濟效益

新增熱水鍋爐的漏風系數取0.1、散熱系數取1.6%，計算得出熱水鍋爐實際回收利用的煙氣余熱為4 581.86 kW。蒸汽補熱器的效率取0.95，電動循環(huán)泵的電機功率為30 kW，該廠外購蒸汽價格為115元/t，電價為0.57元/kW·h，按此數據計算，并與不設過熱水回收利用系統(tǒng)（連退機組烘干等全用外購蒸汽）進行比較可得：增設過熱水回收系統(tǒng)后每小時可節(jié)約外購蒸汽量2.4 t；考慮過熱水回收系統(tǒng)電動循環(huán)泵的用電費用后，每小時可節(jié)約運行費用258.9元，見表3。

表3 經濟效益計算

連續(xù)退火機組的年運行小時數為7 500 h，增設過熱水回收系統(tǒng)后每年可節(jié)省蒸汽采購費用（相當于年收益）：

（319.7-60.8）×7 500=194.175萬元。

假定設備年運行維護費用：10萬元/年

年凈收益：194.175-10=184.175萬元

一次性投資：200萬元

靜態(tài)投資回收期：200/184.175年=1.08年

3.2.2 環(huán)保效益

按標準煤的收到基低位發(fā)熱量為29.27 MJ/kg[10]，每消耗1 t標準煤排放CO2約2.6 t，SO2約24 kg，NOx約7 kg[11]計算，本項目實施后將每年節(jié)約標準煤量1 182.88 t，減少CO2排放約3 075.49 t，減少SO2排放約28.39 t，減少NOx排放約8.28 t，環(huán)保效益明顯。

3.3 設備及管道布置

熱水鍋爐采用室內布置的形式布置在廠房靠墻一側，這樣有利于減少散熱損失并方便檢修。熱水鍋爐旁邊設置有過熱水泵站，占地面積約12 m×6 m，過熱水回收利用系統(tǒng)的主要設備（熱用戶設備以外）集中布置在過熱水泵站內。為了便于設備管理和維護，泵站不設墻柱和屋面。

過熱水回收利用系統(tǒng)的管道布置以安全可靠、經濟合理、整齊美觀為原則：蒸汽管道和除鹽水管道從敷設在行車梁下方的蒸汽母管和除鹽水母管上引出后，沿著廠房柱下行，分別接至位于廠房柱附近的蒸汽補熱器和補水穩(wěn)壓裝置相應接口；熱水鍋爐與用戶的之間的熱水母管沿著廠房柱子或墻面敷設，支管吊掛在樓板下方。熱水管道的高處及容易集氣的位置設置有自動排汽閥，最低位置設置有放水閥。

熱水余熱鍋爐及過熱水泵站內的設備布置如圖3所示。

圖3 熱水余熱鍋爐及過熱水泵站設備布置示意圖

3.4 項目實施后回訪

在項目實施投產1 a后，我公司組織相關專業(yè)人員對該項目進行了回訪。從現場運行情況來看，過熱水余熱回收利用系統(tǒng)整體運行比較穩(wěn)定。整個系統(tǒng)補熱的蒸汽量很少，節(jié)能效果非常明顯。另外，過熱水余熱回收利用系統(tǒng)投運后，連續(xù)退火爐的排煙溫度只有約125℃，起到了很好的減排效果。

4 結論

煙氣余熱回收技術在某公司冷軋廠帶鋼連續(xù)退火機組中的應用實踐說明：

（1）連續(xù)退火爐的煙氣余熱利用潛力可觀，具有回收價值。

（2）過熱水余熱回收技術因其具有系統(tǒng)簡單、投資低、運行維護小等優(yōu)點，成為本項目首選的煙氣余熱回收技術。

（3）過熱水余熱回收利用系統(tǒng)運行穩(wěn)定且具有較好的經濟效益和環(huán)保效益，可供同類余熱回收項目借鑒。