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某钢企加热炉在不同余热回收方式下节能效果分析


本文通过对某钢企轧钢加热炉烟气回收技术中换热式技术、蓄热式技术以及热管余热锅炉技术的发展历程回顾,以及三项余热回收技术在企业轧钢加热炉领域的应用实际,综合分析轧钢加热炉采用不同余热回收方式所取得的节能效果,同时通过三种回收方式的投资、效益分析,得出不同余热回收方式在轧钢加热炉系统中的的使用条件,为加热炉节能减排提供参考依据。


一、前言


轧钢加热炉是轧钢生产工序的能源消耗大户,占整个轧钢工序消耗的80%,高温烟气带走的热量占加热炉供热负荷的20~50%。如何最大限度地高效回收并利用好这部分余热资源,是工业炉节能降耗的关键技术之一。加热炉的节能方式大体分为两部分,其一为提高加热炉的效率,通过提高坯料带出热量、降低炉膛温度等方式降低煤气的负荷;其二为提高烟气的余热回收量,通过降低加热炉排烟损失的方式减少加热炉的热损失,进而降低燃料的消耗。


现有加热炉烟气余热的主要方式有三种,其一为换热式技术,其二是蓄热式技术,其三是基于换热式技术之上的余热锅炉技术,三种方式各有利弊。本文通过某钢铁企在三种余热回收方式上的尝试,研究轧钢加热炉采用不同余热回收方式取得的效果,为加热炉的节能减排提供参考依据。


二、加热炉采用不同余热回收技术的发展历程


1、换热器技术的发展历程


换热式技术为最早出现的加热炉烟气余热利用技术,70年代我国锻造加热炉采用整体针状、块状对流换热器;80年代初期在火焰炉上采用管式换热器,同时对辐射换热器开展深度研究,并在80年代末期开展喷流换热器的研究。1984年该钢企在9号热风炉率先应用了大型热管换热器。近年为提高换热器的效率,螺旋扁管换热器、板式换热器等高效率换热器逐渐应用于余热回收领域。


2、蓄热式技术的发展历程


蓄热式技术通过蓄热体将烟气中的余热直接回用到炉内,将空、煤气预热温度提高到900℃以上,降低加热炉的单耗。国外从18世纪开始采用蓄热式余热回收技术,包括高炉热风炉、初轧均热炉等;到20世纪80年代,英国两家公司协同完成了世界上第一座陶瓷小球蓄热式加热炉;20世纪90年代,日本工业炉株式会社完成了世界上第一座蜂窝状蓄热体加热炉改造;国内从1997年开始,北岛工业炉公司首次在国内完成了高炉煤气、空气双蓄热(内置式)加热炉改造;2000年北京神雾公司率先引进、开发了蜂窝体蓄热式加热炉。之后,新一代蓄热式加热炉在我国众多中、小型钢厂普遍推广,生产能力由小到大,加热品种由单一到多样。


3、热管余热锅炉技术的发展历程


采用热管余热锅炉技术将加热炉的烟气余热通过热管余热锅炉转化为可用蒸汽,可以有效降低加热炉排烟温度,实现节能的目标。


60年代之前,我国只有少数大型工业企业在建设中引进了余热锅炉。70年代至80年代是我国余热锅炉快速发展时期。在有色冶金、钢铁、建材、轻工、石油化工等行业相继出现了我国自行开发的余热锅炉产品。1988年至今,我国余热锅炉的发展进入了一个新阶段,新产品开发速度减缓,产品开发的技术难度提高、领域拓宽。国内自行开发了干熄焦余热锅炉、燃气一蒸汽联合循环余热锅炉、城市生活垃圾焚烧锅炉等,掌握了制作工艺要求较高的产品,如大型炼钢转炉余热锅炉部件等的制作技术。


加热炉的余热锅炉技术作为该项技术的分支,在60年代就有应用,但随着换热器技术的逐渐成熟,该技术被取代,现有热管余热锅炉技术指在换热器后进一步回收烟气余热的二次回收技术。


三、该钢企应用余热回收技术的历程


该钢企作为大型联合钢铁企业,具有从选矿到冷轧工艺的全部生产流程,因此具备齐备的能源动力条件,有独立的高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气系统,同时具备高、焦混合煤气及高、焦、转炉煤气混合加压系统。其中50%的高炉煤气被高炉自用,用于热风炉燃烧,5~10%的高炉煤气供给CCPP发电机组,其余高炉煤气进入混合煤气系统用于燃烧。焦炉煤气全部用于混合燃烧。转炉煤气少量用于耐火生产工艺,大部分用于混合燃烧。因此混合煤气的燃烧是该企业供热生产的主流。


该钢企现有多条轧钢生产线,具有大型步进式加热炉20余台,其中绝大部分采用加压混合煤气为燃料,采用常规加热方式,即均热段+加热段+预热段的燃烧方式,余热利用采用空、煤气双预热方式回收烟气热量。常规换热器的热效率在30%左右,空气换热器温度效率不高于50%。


2009年该企业在一炼钢连轧作业区进行蓄热式燃烧技术的初次尝试,应用高炉煤气为燃料进行双蓄热燃烧方式的加热炉改造。加热炉的单耗有所降低,氧化烧损降低了10%左右,但在三年的运行中发现,加热炉仍存在着较多的问题,加热炉炉压不能有效控制,冒火严重,加热炉产量受冷装料加热的限制,不能满足生产需求,全炉冷装加热时间达8h以上。加热炉的维护量大,“节能不节钱”。2012年对该座加热炉进行改造,增加辅助烟道控制炉压,并采用长寿蓄热体、分腔式烧嘴等结构方式,简化加热炉的控制点,减少加热炉的维护量。通过这些技术的应用,加热炉的单耗大幅降低,生产统计单耗达0.8GJ/t,与同期生产的加热炉相比低20%。见图1、图2。


图1 蓄热式加热炉全貌


图2 蓄热式加热炉现场运行图


2010年企业在2150生产线开展加热炉烟气余热发电技术的尝试。针对该厂排烟温度高的问题,首先进行换热器技术改造,增加换热面积,同时减少出炉烟气的掺冷风量,提高进换热器烟气温度100℃,经过改造后空气预热温度从350℃提高到450℃,煤气预热温度由220℃提高到300℃,排烟温度也由450℃降低至370℃。之后针对370℃的烟气安装分体式热管余热锅炉,小时产气量30t,蒸汽温度330℃,蒸汽压力1.1MPa,产生蒸汽并入企业蒸汽管网,同时加热炉的排烟温度降至160℃。实现了加热炉的综合节能。


图3 加热炉余热锅炉系统流程


图4加热炉余热锅炉全貌


四、三种余热回收技术的比较


综合以上三种技术在企业的应用实际,分析三种烟气余热利用方式的节能效果。由于企业采用蓄热式技术、热管余热锅炉技术、换热技术的加热炉规格、型号、产量存在较大差异,因此均将其折算为吨钢节能效益进行比较分析。


1、蓄热式技术的应用效益计算


1.1效益计算


企业采用蓄热结构形式加热炉,提高空煤气预热温度,降低燃料消耗,改造前统计单耗为1.24GJ/t,改造后统计单耗0.88GJ/t,年产量64.57 万吨。采用折标煤的方式计算吨钢节约煤气产生的经济效益,其吨标煤单价按1040 元计算(下同)。


(1.24-0.88)×106/7000/4.18×1040/1000=12.79元/t


1.2工程投资、维护以及消耗


进行蓄热式加热炉改造的费用为1150万元/座左右,使用寿命10年,则加热炉年折旧费用115万元左右。备件费年增加100万元,维修费用每年增加30万元,能源消耗增加10万元,则年增加维护费用255万元,年产量64.57万吨。折合吨钢产品的消耗为3.95元/t。


进而计算改造蓄热式加热炉产生的效益为12.79-3.95=8.84元/t。


2、高效换热技术应用效益计算


2.1效益计算


以企业现有换热技术的应用,最终排烟温度达到450℃左右,很难满足烟气的余热回收。从国内外先进换热技术的调研结果来看,常规换热器的预热温度最高实现600℃,煤气预热300℃的目标,这样可以把烟气温度控制在300℃以下,实现节能20%。通过这种指标反算2150生产线采用高效换热技术实现的加热炉单耗。计算结果见表1。


表1 高温换热器计算结果


通过计算结果来看,加热炉提高空煤气预热温度,需要提高较大的换热面积,其中空、煤气侧换热面积分别提高一倍,因此在保证换热器高度及宽度的条件下,需要增加换热器的行程数,提高保护管组、空气换热器、煤气换热器为4行程换热器。同时由于换热面积的增加,空气侧的阻力提高两倍,烟气阻力提高50%,需要进一步提高烟囱高度,在本次计算中采用引风机方式,计算电耗。


其产生效益为减少煤气消耗的效益,原2150加热炉的平均单耗为1.244 GJ/t,原空煤气预热温度分别为350℃、220℃,按计算结果空气预热温度提高350℃,煤气预热温度提高了80℃,则生产工艺不变的条件下,加热炉的单耗降低至1.01GJ/t,加热炉产量为420万吨/年。


(1.24-1.01)×106/7000/4.18×1040/1000=8.18元/t


2.2工程投资、维护以及消耗


原2150线轧钢加热炉换热器投资费用为空气换热器114万元/台,煤气换热器30万元/台,通过计算采用高温换热器后换热面积提高近一倍,则投资费用提高至288万元/台,换热器使用寿命在5年左右,则年折旧费用增加28.8万元/台,耗电增加50%,费用增加10万元,全厂折合吨钢消耗0.23元/t。


实际吨钢节能效益为:8.18-0.23=7.95元/t。


3、热管余热锅炉技术应用效益计算


3.1效益计算


通过2150线加热炉应用余热锅炉技术的数据分析来看,加热炉的平均进口烟气温度为467℃,排烟温度为160℃,产生平均蒸汽30t/h,蒸汽压力平均1.1MPa,平均过热蒸汽温度330℃。计算过热蒸汽热焓量为H’=3072.3kJ/kg,则小时蒸汽热焓为H=91.47GJ/h。企业余热蒸汽的内部价格为34元/GJ,则小时蒸汽效益为3109.08元/h。按年生产7200小时计算,年效益2239万元/年,折合吨钢效益为5.33元/t。


通过换热器改造加热炉空气预热温度达到450℃,煤气预热温度达到300℃,加热炉生产单耗由原1.24 GJ/t 降低至1.14 GJ/t。则换热技术实现经济效益为:


(1.24-1.14)×106/7000/4.18×1040/1000=3.55元/t

实际改造效益为:5.33+3.55=8.88元/t


3.2工程投资、维护以及消耗


通过对加热炉烟气余热利用系统进行分析,其耗能种类主要是软水、环水、电、蒸汽四种能源介质。其中软水作为热管余热锅炉用水产生蒸汽,是主要的消耗资源,环水作为泵与风机的冷却水,消耗量不大,电主要维持水泵、冷却风机、引风机等设备的运行,蒸汽主要用于除氧机,同时冬季少量设备供暖。消耗合计785万元/年。项目投资2300万元,使用寿命为10年,年折旧费为230万元,增加维护费用55万元/年。


合计吨钢消耗:2.55元/t

实际节能效益=8.88-2.55=6.33元/t。


4、三种节能方式的节能比较


三种节能方式进行对比分析,结果见表2。


表2 采用不同余热回收方式的对比


从结果来看,蓄热式产生的实际效益较大,但其隐含的人工费用未计算在内,蓄热式技术最大的优势在于燃烧低热值煤气,替代高热值煤气,以解决目前企业煤气不平衡的问题。换热式技术产生的直接效益较少,但其投资与维护费用较低,生产稳定。热管余热锅炉技术产生的效益较高,排烟温度可降至160℃,能最大限度回收烟气余热,但其消耗过多的新水、除盐水及电耗。


五、结论


(1)通过比较结果来看,加热炉采用蓄热式技术,充分回收烟气中的热量,同时不增加其他能源损失,有利于加热炉的烟气余热回收。同时采用蓄热式技术可以有效的解决低热值煤气的燃烧问题,实现煤气资源优化利用,煤气按品质实现梯级利用,企业效益最大化。但蓄热式的运行成本、人工成本偏高,关键设备的长寿化是进一步研究的方向。


(2)采用高效换热器技术,生产稳定,运行后基本没有消耗,运行周期长,人工消耗成本低,适用于大工业生产,但排烟温度降不下来,造成余热资源的浪费,如何在不提高生产成本条件下,提高换热器的效率是进一步研究的方向。


(3)热管余热锅炉技术作为现有换热技术的补充,可以最大范围回收加热炉的余热,余热资源可以充分的得到回收利用,但消耗较大,多次能源的转换,造成其效率的降低。

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