煉鋼余熱分析與利用

楊 平，趙英春，楚友義，胡海燕，孫高峰，韓照建

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司,山東 煙臺 265500)

1 引 言

1.1 概 述

隨著我國經濟總量飛速提升，我國能源消費量已經是世界第二[1]，其中，能源總消耗量的70%多屬于工業能源消費量。

為了應對嚴峻的能源形勢，余熱利用就是解決問題的途徑之一。在生產生活中，排放出的高于環境溫度的物質(如氣態的高溫煙氣、廢氣，液態的如高溫冷卻水，固態如高溫鋼渣)，含有的熱能等，可以回收重復利用，以減少能源消耗。

尤其在高耗能的鋼鐵行業，在消耗能源推動能源轉變的同時會產生大量的余熱，如果直接排放掉，損失很大，很有回收價值。

1.2 中國鋼鐵企業余熱利用現狀簡介

隨著環保要求的提高及鋼鐵技術的發展，高溫余熱回收利用技術已經在鋼鐵，冶金等各方面進行了多種推廣，例如國內河鋼邯鋼等部分鋼廠，生產1 t焦炭，約能回收100 kg蒸汽[2]，部分煉鋼廠在進行高爐余熱回收研究[3]。趙坤等應用汽化冷卻系統來回收煙氣余熱[4]，為煤氣回收創造了條件，能做到較好的節能增效，但除了高溫余熱外,還有大量的低溫余熱沒有試圖回收利用，是一種較大的能源浪費。

為此，本文以某公司120 t氬氧精煉爐(AOD爐)余熱鍋爐為例，研究分析煙氣的高溫余熱和低溫余熱統一回收問題。

1.3 AOD爐流程簡介

AOD爐在煉鋼的過程中，因爐內激烈的氧化還原反應，產生的大量含塵、高溫(最高約2 000 ℃)煙氣，需要被處理符合國家排放標準后才能排入環境大氣。該煙氣經本文新設計的高溫煙道式余熱鍋爐系統及中溫鍋爐系統回收余熱、產生蒸汽且降溫處理，煙氣在灰倉中脫去大部分的灰塵，降至約200 ℃，經干煙道輸送至除塵裝置進行除塵。

2 設 計

2.1 概 述

本套余熱鍋爐系統主要由汽化冷卻煙道、中溫余熱鍋爐、鍋爐系統輔助設備組成，設備整體結構如圖1所示。

AOD爐余熱鍋爐采用低壓強制循環系統水冷系統、高壓強制循環汽化冷卻和自然循環汽化冷卻相結合的復合循環冷卻方式。熱負荷較高及結構復雜的爐口煙道、轉角煙道、中溫鍋爐采用高壓強制循環汽化冷卻，其余煙道自然循環汽化冷卻。AOD汽化冷卻煙道后為立式中溫余熱鍋爐，入口煙溫約1 000 ℃，出口煙溫約200 ℃，中溫余熱鍋爐后接AOD除塵系統，中溫余熱鍋爐與AOD汽化冷卻煙道公用汽包，高溫蒸發段采用自然循環系統，低溫蒸發段采用低壓強制循環系統。

2.2 設計參數

2.2.1 設計條件

煙氣參數如表1所示。

表1 煙氣參數

2.2.2 工藝條件

工藝條件參數見表2所示。

表2 工藝參數

2.3 設備布置

為滿足煉鋼生產運行中爐氣排出流暢。汽化冷卻煙道布置中盡量減少彎曲及水平布置，盡可能做到布置合理緊湊。

爐口煙道位于AOD轉爐爐口上方，爐口煙道轉角與斜煙道的夾角為50°。煙道達到最高點約+47 m時，煙道180°向下折返進入中溫段余熱鍋爐至+10 m左右再返回至約38 m與除塵管道相接。汽化冷卻煙道、中溫段余熱鍋爐系統全部支吊在鋼廠的各層平臺上。

2.4 設備組成

本套煙氣余熱回收鍋爐中的汽化冷卻煙道分以下幾個部分：汽包、爐口煙道、斜煙道、轉角煙道、鍋爐配管等。

1) 汽包(與中溫段余熱鍋爐共用)

汽包作為汽化冷卻系統及中溫段余熱鍋爐系統高壓強制循環及自然循環的配水及集汽裝置，首先容積要滿足吹煉1爐鋼不需要補水，在突發事故停水時，保證生產順利結束及安全停爐。

規格：DN2 800 mm×16 000 mm(筒體直段長度);

構造形式：臥式;

介質：水和飽和蒸汽;

工作壓力：3.2 MPa;

工作溫度：239 ℃。

2) 爐口煙道

煙罩安裝在AOD爐爐口之上，工況相當惡劣，直接受到了大量含塵、高溫(最高約2 000 ℃)煙氣的沖刷，非常容易損壞。設計時得考慮加固結構，合理布置加強筋。其煙道直徑2 800 mm，主體由高壓鍋爐無縫鋼管，中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結構。

3) 斜煙道

斜煙道直徑2 800 mm，主體由高壓鍋爐無縫鋼管，中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結構?？缭蕉鄬悠脚_，總長度約27 m。

4) 轉角煙道

轉角煙道直徑2 800 mm，展開長度約9 m，也是管板膜式壁式結構。至此，煙氣溫度被冷卻至約1 000 ℃。

5)中溫余熱鍋爐

立式鍋爐系統，入口煙溫1 000 ℃，出口煙溫200 ℃，鍋爐長寬高：5 m×7 m×30 m(兩段)，因采用管式支撐結構，大大減少了鍋爐的鋼結構及平臺的用鋼量，余熱鍋爐內部布置有蒸發器和省煤器。兩者主體都是由高壓鍋爐無縫鋼管加工而成，鍋爐爐墻采用膜式壁進行圓周密封，減少漏風，并提高熱效率。其系統內含在線激波清灰系統、卸灰裝置、支座、含鍋爐本體循環管道、控制系統、保溫材料等，與汽化冷卻系統共用汽包。

其中，高溫受熱面(蒸發器)與低溫受熱面(省煤器)之間采用絕熱煙道連接，絕熱煙道為V型下部灰倉，可以處理對煙氣除塵處理產生的灰塵。

2.5 余熱鍋爐計算

AOD爐煉鋼產生的煙氣首先經過煙罩依次進入爐口煙道，斜煙道，轉角煙道，中溫鍋爐，一次除塵系統,最終排向大氣。為了保證汽水循環正常運行和鍋爐安全可靠，按照設計條件，設備布置要求，分別建立不同工況下的煙氣流程(見圖2)，汽水循環流程(見圖3)和汽水循環計算模型等，再利用計算軟件多次迭代計算出符合要求的結果，據此進一步優化設計鍋爐部件本體結構，設備安裝照片見圖4。

3 結 論

本文主要探討了鋼鐵行業的余熱回收利用，以120 t AOD爐為例，優化設計了AOD爐余熱整體回收系統。

經過實際生產驗證，該系統車間平均產汽量約22 t/h，按年運行330天計算，蒸汽除去水、電等成本后約100元/t，每年可創造效益約330天×24 h×22 t/h×100 元/t=1 740.75萬元。而且該系統排煙溫度不大于200 ℃，滿足除塵系統的要求。

該系統打通了AOD爐高溫煙氣段和低溫煙氣段的煙氣處理流程，可以不再采用行業內通用的噴霧冷卻等技術來對1 000～800 ℃煙氣降溫至200 ℃的措施，使得原200 ℃以上的低溫煙氣也能夠和高溫煙氣一起同步進行余熱回收，具有一定的創新意義，在鋼鐵行業有一定的推廣價值。