提高轉(zhuǎn)爐汽化系統(tǒng)壽命及效率的技術(shù)創(chuàng)新

王 林 劉 婧 吳仕明

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司)

轉(zhuǎn)爐煉鋼在全球煉鋼工藝中產(chǎn)量占比約70.8%，是煉鋼生產(chǎn)的主要形式[1-3]。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中會產(chǎn)生大量煙氣，總熱量高達(dá)1 116.2 MJ/t，是重要的二次能源[4-8]。目前國內(nèi)外普遍采用汽化冷卻技術(shù)回收轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣余熱，可降低煙溫、回收蒸汽等?，F(xiàn)有汽化冷卻技術(shù)存在系統(tǒng)能耗大、設(shè)備故障率高、煙道壽命短、蒸汽產(chǎn)量低和品質(zhì)差等問題，已無法滿足鋼鐵行業(yè)升級轉(zhuǎn)型的需求。為實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色發(fā)展，響應(yīng)國家雙碳號召，對轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

1 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)及優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)

1.1 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)主要用于回收轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾挠酂?。轉(zhuǎn)爐汽化冷卻裝置由汽化冷卻煙道、汽包、循環(huán)水管道、除氧器、給水泵、高壓循環(huán)水泵、低壓循環(huán)水泵等組成[4]。其中，汽化冷卻煙道作為高溫?zé)煔廨斔偷奈ㄒ煌ǖ溃钦麄€系統(tǒng)的核心設(shè)備。

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)按照介質(zhì)通道可大致劃分為循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽蓄熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、氮封系統(tǒng)、排污系統(tǒng)和雜項系統(tǒng)等[4]。其中，循環(huán)水系統(tǒng)通過與煙道換熱吸收高溫?zé)煔鈧?cè)的熱量，是汽化冷卻系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。循環(huán)水系統(tǒng)有三種循環(huán)方式：低壓強制循環(huán)、高壓強制循環(huán)和自然循環(huán)。

1.2 優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)

汽水循環(huán)一般包括自然循環(huán)和強制循環(huán)。

自然循環(huán)僅依靠工質(zhì)(水和汽水混合物)的密度差克服沿程阻力損失和局部阻力損失并形成循環(huán)。自然循環(huán)動力應(yīng)滿足公式(1)[4]，保證介質(zhì)能正常流通。

Pz=H×(ρ-ρ′)×10-5>∑ΔP

(1)

式中：Pz為汽水介質(zhì)密度差產(chǎn)生的靜壓勢能，MPa；H為沿程高差，m；ρ為水密度，kg/m3；ρ′為蒸汽密度，kg/m3；∑ΔP為總阻力損失，MPa。

強制循環(huán)系統(tǒng)的動力是強制循環(huán)泵和汽水介質(zhì)密度差。強制循環(huán)泵和介質(zhì)密度差產(chǎn)生的動力需克服介質(zhì)沿程和局部總阻力損失，并留有一定裕度。強制循環(huán)泵壓頭P應(yīng)滿足式(2)[9]。

P+Pz>∑ΔP

(2)

在冶煉初期，自然循環(huán)介質(zhì)密度差較小，循環(huán)動力不足，易在尾部轉(zhuǎn)角阻力較大處產(chǎn)生汽泡堆積、循環(huán)受阻現(xiàn)象，使得轉(zhuǎn)角處溫度較高，同一節(jié)圓管束流速、受熱不均，導(dǎo)致管束膨脹和收縮幅度不一致，最終在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生變形和破損，影響煙道壽命。

為避免上述問題，結(jié)合強制循環(huán)與自然循環(huán)的特點及優(yōu)勢，提出優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)：在自然循環(huán)啟動初期，密度差接近于零，自然循環(huán)動力不足，遷移強制循環(huán)的富裕動壓頭補充自然循環(huán)的動力源，改善自然循環(huán)流速分布不均、動力不足等問題，使尾部煙道根據(jù)冶煉周期實現(xiàn)自然循環(huán)和強制循環(huán)的快速切換。

與傳統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)相比，優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)通過關(guān)鍵設(shè)備(射流裝置)將強制循環(huán)泵中的富裕能頭遷移以啟動或加速自然循環(huán)而實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化用能，為自然循環(huán)初期提供可靠動力，緩解尾部煙道熱負(fù)荷不均勻的問題，保證尾部煙道循環(huán)可靠有效。優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)解決了系統(tǒng)節(jié)能與煙道長壽無法兼顧的技術(shù)難關(guān)，在保證循環(huán)的同時提高系統(tǒng)能效。

工程實踐表明：在不增加電耗的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)爐煙道汽化冷卻優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)加強了尾部煙道循環(huán)效果，提高了受熱管冷卻效果，減少了煙道的漏水、漏汽現(xiàn)象，增加了產(chǎn)汽量的同時降低了煙道檢修率，延長了煙道壽命。

2 煙道長壽節(jié)能技術(shù)

2.1 新型隨動密封裝置

活動煙罩置于爐口正上方，以未燃法為主的轉(zhuǎn)爐煙氣處理方式，要求活動煙罩升降順暢、密封性能良好，以保證煤氣高效、高質(zhì)回收?；顒訜熣峙c爐口固定段之間的密封屬于動靜面密封，目前，國內(nèi)密封形式通常采用水密封、N2密封和機械密封等。水密封易在水封槽處積塵堵塞，故障率高，且具有安全隱患。N2密封結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量很少，運行操作簡便，但存在密封口大、N2消耗量多的缺點。機械密封能耗較低，轉(zhuǎn)爐周期性冶煉易造成機械密封變形，存在煙罩卡澀、泄漏煤氣的安全隱患，故障率較高，使用壽命短。

針對上述密封缺陷，深入研究國內(nèi)外活動煙罩密封結(jié)構(gòu)存在的問題[10]，借鑒其他領(lǐng)域動靜面密封解決辦法，以縮小前部煙道中爐口固定段與活動煙罩的間隙、輔以N2密封為思路，開發(fā)并應(yīng)用了活動煙罩隨動密封結(jié)構(gòu)。

活動煙罩隨動密封結(jié)構(gòu)，借助特定機構(gòu)彈性作用力使密封面大面積貼合煙道壁面，端部滾輪結(jié)構(gòu)能相對固定段煙道壁面上下滾動，與壁面的微小空隙借助N2密封，大大節(jié)省了N2的消耗量?；顒訜熣蛛S動密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效解決了活動煙罩密封效果差、N2消耗量高、升降不暢等共性技術(shù)難題，可大幅度提升活動煙罩的安全性與經(jīng)濟性。

2.2 煙道防大噴濺掛渣技術(shù)

國內(nèi)中小型轉(zhuǎn)爐普遍存在超負(fù)荷生產(chǎn)導(dǎo)致爐口固定段受熱管爆管、漏水等問題。通過現(xiàn)場采集，對破損受熱管進(jìn)行宏觀外貌、金相顯微鏡、掃描電鏡分析，固定段受熱面掛渣導(dǎo)致受熱管受熱不均勻、傳熱惡化，引起受熱管爆管[11]。

針對爐口固定段容易掛渣問題，開發(fā)并應(yīng)用防大噴濺掛渣技術(shù)，又稱受熱面超音速鍍膜技術(shù)。受熱管煙氣側(cè)應(yīng)用一種煙道受熱面合金噴涂保護(hù)涂料，可有效減輕轉(zhuǎn)爐煙氣大顆粒粉塵對受熱面的直接沖刷磨損，降低受熱管表面粗糙度，當(dāng)轉(zhuǎn)爐大噴濺時受熱面不易掛渣。多個項目工程應(yīng)用實踐表明，防大噴濺掛渣技術(shù)可有效避免受熱面掛渣，保護(hù)受熱管，提高煙道壽命。

3 高效節(jié)能動力設(shè)備

3.1 蒸汽濾潔器

轉(zhuǎn)爐周期性冶煉使得汽化冷卻系統(tǒng)負(fù)荷及汽包水位變化較大，造成汽包分離出的蒸汽含水量過高，輸送高溫高壓蒸汽的管道內(nèi)易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，損壞蒸汽管道及閥門。

蒸汽濾潔器是蒸汽外供蓄熱器前的過濾裝置，安裝于汽包出口蒸汽管道上，介于汽包和蓄熱器之間。工程實踐表明，蒸汽帶水率能降低至1%，有效提高了蒸汽品質(zhì)，避免了蒸汽管道帶水發(fā)生水錘現(xiàn)象，提高管道輸送率5%～10%，濾除的潔凈凝結(jié)水可回收利用，檢修量降低90%，減少系統(tǒng)熱損失。

3.2 變壓式球形蒸汽蓄熱器

蓄熱器是汽化蒸汽蓄熱系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前工程常采用的變壓式蒸汽臥式蓄熱器普遍存在占地面積大、蒸汽含水率高、疏水量大、故障率高等問題。針對臥式球蓄的弊端，研發(fā)并應(yīng)用了變壓式球形蒸汽蓄熱器。

對球形蒸汽蓄熱器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場、汽水循環(huán)大空間的溫度場、冷熱頻繁交替工況下的大厚度金屬疲勞、內(nèi)部受沖擊元件的耐久性等方面做了深入細(xì)致的研究，在充熱、液位、蒸汽脫水等方面突破常規(guī)技術(shù)，具有如下特點[12-14]：

(1)內(nèi)部設(shè)置穩(wěn)定循環(huán)的充熱混合系統(tǒng)，呈環(huán)形多層均布，保證不產(chǎn)生溫度分層，不留充熱死區(qū)，充熱平穩(wěn)均勻；

(2)汽水分離裝置采用模塊化設(shè)計，雙重分離結(jié)構(gòu)，汽空間是傳統(tǒng)臥式蓄熱器的二倍，降低蒸汽含水率，滿足用戶蒸汽品質(zhì)需求；

(3)補、放水裝置環(huán)管布置，保持蓄熱器液位在合理范圍，液位測量采用安裝、檢修方便導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器。

與臥式蓄熱器相比，變壓式球形蒸汽蓄熱器占地節(jié)省50%～70%，散熱減少50%；配套系統(tǒng)材料用量減少50%，總體投資降低25%～30%；汽空間大，蒸汽含水率低；結(jié)構(gòu)簡單，維修量少。

3.3 一體式長效除氧器

現(xiàn)有熱力除氧一般采用帶除氧頭的除氧器。為了使鍋爐給水達(dá)到規(guī)定的含氧量，帶除氧頭的除氧器至少需要約15%～27%的鍋爐額定蒸發(fā)量，除氧后的蒸汽直接排放，能耗較高。同時，水箱上帶除氧頭，設(shè)備占地空間較大，配管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接管、檢修不便。

一體式長效除氧器利用高效復(fù)合彈簧噴嘴及水箱內(nèi)部裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱力除氧器的除氧頭。霧化噴嘴利用彈簧調(diào)節(jié)，使給水在10%～110%負(fù)荷情況下都能良好成膜，更好地適應(yīng)變工況條件、減少除氧蒸汽耗量和排汽損失。一體式長效除氧器由除氧器本體、平臺樓梯及附件組成。除氧器本體由殼體、支座、給水裝置、彈簧噴嘴、阻流板、加熱蒸汽裝置、再沸騰裝置及再循環(huán)管等組成。無除氧頭設(shè)計簡化了常規(guī)除氧器結(jié)構(gòu)，降低了常規(guī)除氧器的安裝難度和廠房平臺設(shè)計要求。

3.4 提高設(shè)備壽命方向的創(chuàng)新

為滿足活動煙罩的循環(huán)水配管隨活動罩上下提升，活動煙罩與循環(huán)水管道間通常采用金屬軟管、金屬補償器等連接。因活動煙罩升降罩頻繁，金屬軟管或金屬補償器極易產(chǎn)生疲勞損壞。單臺爐子大約需要6個金屬補償器，占用安裝空間大、檢修不便。針對舊連接方式的弊端，研發(fā)并應(yīng)用活動煙罩柔性裝置，單臺爐子只需2臺，壽命相對舊連接方式延長2～3 a，同時具有運行安全、無泄漏等優(yōu)點。

為提高汽化冷卻泵組的使用壽命，開發(fā)并應(yīng)用直降多濾除污器，安裝于泵入口處，既解決了常規(guī)的管道過濾器結(jié)構(gòu)無法承受高溫高壓的問題，又解決了傳統(tǒng)除污器結(jié)構(gòu)簡單、過濾流速高、易堵塞的缺點。

為防止循環(huán)水管路中雜質(zhì)進(jìn)入煙道影響煙道使用壽命，在煙道的各段循環(huán)水管路入口設(shè)置新型過濾裝置——受熱管防堵裝置。受熱管防堵裝置內(nèi)設(shè)置過濾裝置，通過多點支撐使得過濾裝置的受力較為分散，具有較佳的承壓能力，從根本上解決了裝設(shè)臨時過濾網(wǎng)容易使煙道受熱管堵塞的問題，減少了煙道的檢修和更換次數(shù)，保證整個循環(huán)水系統(tǒng)的正常安全運行。

4 應(yīng)用效果

4.1 節(jié)能減排和延長煙道壽命

結(jié)合自然循環(huán)的環(huán)保節(jié)能、強制循環(huán)的循環(huán)效果好和煙道壽命長的技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)了全系統(tǒng)資源的綜合利用和平衡分配。與國外同類產(chǎn)品技術(shù)相比，系統(tǒng)降耗30%，投資降低約50%，運行成本減少50%以上；煙道壽命大幅提高，活動煙罩、固定段和移動段壽命由1～2 a提升至3～5 a，中段和末段壽命由5～6 a提升至10 a以上。隨動密封裝置的應(yīng)用使活動煙罩密封用N2量減少90%。

4.2 降低系統(tǒng)故障率

受熱面超音速鍍膜技術(shù)克服了活動煙罩、固定段和移動段煙道受熱面易掛渣、受熱管易爆管漏水、活動煙罩圈梁易變形導(dǎo)致故障率頻發(fā)的技術(shù)缺陷，降低了安全生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險，保障生產(chǎn)順利運行。與國內(nèi)外同類技術(shù)產(chǎn)品相比，受熱管水側(cè)阻力降低15%，無汽堵爆管故障；降低噴濺掛渣，大大減少了過熱爆管事故的發(fā)生。

4.3 提高冷卻效果和蒸汽回收品質(zhì)

常規(guī)轉(zhuǎn)爐汽化技術(shù)中融入優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)、一體式長效除氧器、變壓式球形蒸汽蓄熱器等技術(shù)后，在減少系統(tǒng)外部能源輸入的同時，實現(xiàn)了蒸汽產(chǎn)出的量質(zhì)并舉。汽化冷卻系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量最高可達(dá)130 kg/t，排污熱損失減少50%，除氧器排汽熱損失減少50%，除氧自用蒸汽節(jié)省3%。

4.4 效益

汽化系統(tǒng)系列技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)了節(jié)電、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)保的綠色發(fā)展經(jīng)濟理念，具有低耗能、高效率、低排放的特點，噸鋼節(jié)能約14.11 kgce、減排CO2約35.19 kg、減排SO2約0.12 kg、減排NOx約0.104 kg，響應(yīng)國家雙碳政策號召，助力企業(yè)減碳綠色生產(chǎn)。