每段热源都不放过：加热炉余热梯级回收技术
更新时间：2015-08-13 07:51
来源：中国冶金报
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我国面临着非常严峻的节能减排形势，而钢铁行业是我国的能源消耗大户，其总能耗占全国工业总能耗的15%左右。与国际先进水平相比，我国钢铁工业的资源和能源综合利用指标差距较大。因此，提高钢铁行业的余热能源利用率，对节能减排工作有巨大的促进作用。
以轧钢加热工序为例，余热资源主要包含排放烟气的物理显热、水梁及立柱冷却散热、炉墙及炉底开孔散热、开启炉门散热、钢坯物理显热、氧化铁皮烧损物理显热等。其中，炉墙散热、炉底开孔散热、开启炉门散热、氧化铁皮烧损物理显热由于排放量少且分布分散，难以集中进行回收。但是，占加热炉能耗约42%的烟气物理显热、水梁及立柱冷却散热约占低品质热源的92%，耗能相当于724MJ/t。同时，这两部分显热相对集中，便于回收。
余热利用逐层剖析
加热炉汽化冷却装置(ECS)可回收加热炉步进梁冷却散热。2000年以后，该技术在国内冶金企业中快速推广，现在几乎所有新建、改建的步进式加热炉都采用汽化冷却。国内加热炉汽化冷却产生的蒸汽压力低，主要用来供给工业用户和取暖等。在加热炉的余热热源中，汽化冷却(ECS)回收炉内温度约为1000℃的高温烟气热量，属于高温余热回收。
空气预热器设置在加热炉烟道中，利用加热炉的高温烟气将空气加热到约600℃，热空气被送入加热炉内助燃。这种方式是从加热炉工艺角度采取的节能措施，对加热工艺来说是直接有效的，节约了燃料消耗量。空气预热器可以回收大量余热，可将烟气中60%~70%的余热进行回收利用，节约20%~30%的燃料消耗。理论上，预热100℃的助燃空气，加热炉可以节能约5%。因此，空气预热温度越高则节能效果越好。该方法已经广泛应用于国内外各种加热炉。空气预热器回收加热炉出口处的烟气热量，且烟气温度在700℃以上，属于中温余热回收。当前加热炉中温余热回收的综合利用是能效最大的方式。
余热锅炉可以回收低温烟气余热。经过加热炉预热器后的烟气温度为300℃~500℃，温度较低，可利用余热锅炉回收，属于低温余热回收。国外一些发达国家非常重视低品质热源的回收，先进的钢铁企业普遍采用余热锅炉回收此热量，回收率均在70%以上，日本新日铁住金甚至达到92%。当前，我国冶金加热炉采用余热锅炉回收烟气余热的方法并未普及，但在国家节能减排政策的支持下，低温品质热源回收与综合利用逐渐得到重视。
汽化冷却不能满足降低加热炉排烟温度的需求，目前国内外多采用空气和煤气预热器的方式回收烟气余热，但降温也受到限制。加热炉余热锅炉可降低加热炉排烟温度，但先前须用辅助燃烧器产生蒸汽，能源消耗量较大，且多设有旁通烟道，工程占地和初始投资较大。结合现有加热炉的特点，将高温、中温、低温区的加热炉余热进行统一组织，形成组合式余热梯级回收工序系统，使其节能降耗的投入产出比进一步提高是大势所趋。中冶赛迪针对我国轧钢加热炉生产工序的余热回收利用现状，提出一种组成优化、结构合理的余热梯级回收工序和流程，并展开了相关的核心技术研究。
梯级研发成一体
加热炉余热梯级回收系统是根据余热热源性质的不同和温度的高低，将汽化冷却、空气预热和余热锅炉合理、有机地组合为一体，最大限度地回收加热工序余热，充分降低排烟温度，尽量减少工程投资，获得更大的经济效益和社会效益。
一级(高温)回收工序研究开发。加热炉水梁的冷却方式主要分为水冷却和汽化冷却。目前，汽化冷却具有水质好、有效保护水梁、延长水梁寿命、节水节电和可回收蒸汽等优势，是较佳的冷却方式，被绝大多数加热炉采用。在国内，技术人员开展了水梁及立柱的热负荷研究，通过建立水梁热负荷模型，确定了水循环的控制措施，开发的汽化冷却设计软件符合工程实际，满足了从热力计算、设备定型计算到水梁水动力循环计算等多种工程需求。
二级(中温)回收工序研究开发。二级回收工序属于直接性节能措施，节能效果非常明显。我国技术人员建设了高效换热器实验平台，进行关键技术、设备的实验研究，取得了丰硕的成果，形成多个系列产品。其主要优点是传热系数高、结构简单、寿命长、灵活性强和严密性好。
三级(低温)回收工序研究开发。依据加热炉工艺强制排烟和自然排烟、单烟道和双烟道的不同特点，技术人员针对自然循环和强制循环余热锅炉的特性，对传统烟道余热锅炉进行了匹配性研究，并依此对常规余热锅炉进行了结构优化，开发出冶金加热炉烟道内置式蒸汽余热锅炉，解决了加热炉安全生产和余热锅炉协调运行的重大难题。同时，研究人员根据工程试验成果开发了对应的设计软件，实现了各种设计需求计算、余热锅炉三维输出等功能，提供了余热锅炉本体结构设计平台。
组合优化再挖潜力
技术人员利用夹点理论对组合式余热回收工序进行了节能优化，开发出冶金加热炉汽化冷却与烟道内置式余热锅炉的联合装置系统；对余热梯级回收系统可能出现的同质子系统和功能相同的设备进行了组合优化；对工程上反映的重复投资、占地大、基础投入多的问题进行了布置优化。同时，相关工作已经形成了模块化成品，以期找到投资省、见效快的工程应用切入点。
为有效控制加热炉余热梯级回收系统各种温度、压力等指标，将各子系统组合成一个有机体，实现余热资源的高效回收和利用，技术人员对各工序系统的自动控制和各工序系统间的连锁进行了优化，研发了联合自动控制和稳定运行技术。
组合式回收效益显著
该加热炉余热梯级回收系统可将加热炉排烟温度降低至200℃以下。以邯钢已投产的余热工程为例，该余热梯级回收系统的一次性投资仅相当于独立的汽化冷却和余热锅炉的2/3，独立相关工程大约为1300万元。本项目通过技术创新，其投资大约为800万元，且通过系统和布置优化，降低了运行成本和维护成本，成本节约25%以上，具有明显的经济效益。此外，汽化冷却和余热锅炉产生蒸汽量的直接经济效益约为5元/吨钢，投资回收期可缩短1年~2年。
以加热炉余热梯级回收系统技术为支撑的项目在邯钢、宝钢等大型钢铁企业加热炉获得了实际应用，排烟温度等各项指标均达到了预期效果。
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