呂 震

（河鋼邯鋼集團(tuán)邯寶熱軋廠，河北 邯鄲 056001）

我國每年能源總能耗中的13%～15%來自于鋼鐵行業(yè)，二氧化碳排放量占總排放量的12%，節(jié)能減排一直是行業(yè)內(nèi)最重要的課題之一，可以說是“碳達(dá)峰，碳中和”的重要一環(huán)。提高鋼鐵生產(chǎn)的工藝，有效利用工序中產(chǎn)生的余熱，可以有效減少能源消耗，繼而減少全周期的碳排放。邯鋼邯寶熱軋廠2008年投入生產(chǎn)，設(shè)計(jì)4座加熱爐，通過燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的混合氣體產(chǎn)生熱量來加熱鋼坯。設(shè)計(jì)產(chǎn)量375t/h，年產(chǎn)量500萬噸。產(chǎn)生煙氣量煙氣量：160000Nm3/h～183000Nm3/h，煙氣入口溫度420℃，產(chǎn)生大量的剩余熱量。設(shè)計(jì)投產(chǎn)初期，采用的是通過在加熱爐煙道內(nèi)串聯(lián)布置空氣換熱器和煤氣換熱器對(duì)煙氣的熱量進(jìn)行回收的方式回收煙氣熱量，這種方法回收效率低，大部分熱量通過煙氣排出到大氣中，造成大量的能源浪費(fèi)。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排規(guī)劃，改造新增加余熱回收系統(tǒng)，提高熱量利用率，邯寶熱軋廠2010年新建了余熱回收系統(tǒng)，有效的降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源，保護(hù)環(huán)境，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工程概述

考慮實(shí)際生產(chǎn)情況，新增加的余熱回收系統(tǒng)采用余熱鍋爐系統(tǒng)。余熱鍋爐系統(tǒng)有產(chǎn)量大，產(chǎn)點(diǎn)集中，連續(xù)性強(qiáng)，易于回收和利用等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）由于排煙溫度、煙氣阻力及位置的限制，本余熱鍋爐受熱面只設(shè)蒸發(fā)器，不設(shè)“省煤器”。

（2）蒸發(fā)器分為二組受熱面，便于檢修。

（3）蒸發(fā)器斷面呈梯形結(jié)構(gòu)，有效的利用了煙道截面，減少煙氣的擾動(dòng)，以充分回收煙氣余熱，節(jié)約能源。

（4）每組蒸發(fā)器均設(shè)有獨(dú)立的進(jìn)水集管和出水集箱，且在蒸發(fā)器頂板上設(shè)有吊耳，便于生產(chǎn)過程中受損蒸發(fā)器的起吊、更換。

（5）蒸發(fā)器采用光管“蛇形管”的型式，其水循環(huán)方式為強(qiáng)制循環(huán)，減少了煙道的改動(dòng)量，縮短建設(shè)周期。

（6）4套余熱鍋爐的設(shè)備（除蒸發(fā)器外）全部集中布置在“余熱鍋爐設(shè)備樓”內(nèi)，降低了建設(shè)費(fèi)用，降低了檢修、維護(hù)工作強(qiáng)度。

（7）“余熱鍋爐設(shè)備樓”為無人值守站房。

1.2 工藝流程

新增加的余熱回收系統(tǒng)通過設(shè)在煙道內(nèi)的換熱系統(tǒng)，將管道內(nèi)的水加熱，部分水蒸發(fā)行成汽水混合物，然后汽水混合物循環(huán)到設(shè)在余熱樓內(nèi)的汽包內(nèi)汽水分離，蒸汽經(jīng)由并網(wǎng)管路，輸送到外部用汽單位，產(chǎn)生效益，水繼續(xù)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。這套余熱系統(tǒng)，主要分為兩個(gè)主系統(tǒng)：煙氣流動(dòng)系統(tǒng)，水循環(huán)系統(tǒng)；一個(gè)輔助系統(tǒng)：給水除氧系統(tǒng)，一共三個(gè)子系統(tǒng)。

1.2.1 煙氣流動(dòng)系統(tǒng)

煙氣流動(dòng)系統(tǒng)采用的是采用自然循環(huán)方式，是熱量由加熱爐傳導(dǎo)到余熱系統(tǒng)的途徑。加熱爐爐內(nèi)氣體的燃燒產(chǎn)生的熱量，依靠煙囪吸力，流經(jīng)埋設(shè)在煙道內(nèi)的兩套蒸發(fā)器，將熱量交換到余熱系統(tǒng)，換熱蒸發(fā)器布置在加熱爐的主煙道內(nèi)，不設(shè)旁通煙道，不設(shè)排煙風(fēng)機(jī)，因此屬于自然循環(huán)方式。主要路徑為：加熱爐煙氣→空氣預(yù)熱器→余熱鍋爐蒸發(fā)器→煙道閘板→煙囪→大氣。

1.2.2 水循環(huán)系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)方式

水循環(huán)系統(tǒng)是將水作為介質(zhì)，將加熱爐煙氣中的熱量，經(jīng)由蒸發(fā)器，加以回收利用的系統(tǒng)。四座加熱爐分別配備一套循環(huán)系統(tǒng)，配備汽包，電動(dòng)循環(huán)水泵，蒸發(fā)器，消音器，爐水取樣冷卻器，蒸汽取樣冷卻器等主要設(shè)備。本系統(tǒng)中采用強(qiáng)制水循環(huán)的方式，通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，主要路徑為：汽包→循環(huán)水泵→蒸發(fā)器→汽包[1]。

1.2.3 輔助系統(tǒng)為集中給水除氧系統(tǒng)

給水除氧系統(tǒng)用于補(bǔ)償蒸汽外送并網(wǎng)損耗的水份以及對(duì)循環(huán)水進(jìn)行除氧。采用強(qiáng)制補(bǔ)水方式。四座爐子共用一套給水除氧系統(tǒng)，包括：補(bǔ)給水箱，電動(dòng)補(bǔ)水泵，大氣式旋膜除氧器，電動(dòng)給水泵，給水取樣冷卻器，氨加藥裝置，聯(lián)胺加藥裝置等主要設(shè)備。主要路徑為：廠區(qū)補(bǔ)給水→補(bǔ)給水箱→補(bǔ)水泵→除氧器→給水泵→給水母管→各個(gè)汽包[2]。

2 自動(dòng)化控制

這套余熱回收系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人值守的24小時(shí)不間斷運(yùn)行，兼顧先進(jìn)性、可靠性、完善性、可擴(kuò)展性以及系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。采用電控、儀控一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)通過星型交換式快速工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；電控、儀控系統(tǒng)與傳動(dòng)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)儀表通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議和分層網(wǎng)絡(luò)，充分保證整個(gè)系統(tǒng)的通訊暢通，并且系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充也非常方便。

自動(dòng)化系統(tǒng)只設(shè)置L1級(jí)一級(jí)系統(tǒng)，即基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)。主要完成新增預(yù)熱鍋爐的電氣設(shè)備順控及儀表設(shè)備監(jiān)控：汽包水位控制；給水除氧系統(tǒng)控制，補(bǔ)給水箱控制以及其他介質(zhì)的測(cè)量和控制；汽包壓力控制、除氧器壓力及水溫控制、汽包壓力過高時(shí)放散閥自動(dòng)開啟、壓力正常時(shí)自動(dòng)關(guān)閉控制等。

2.1 設(shè)備配置

整個(gè)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)有1套PLC裝置，采用Siemens公司的Simatic S7-400 PLC產(chǎn)品，通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到現(xiàn)有的加熱爐區(qū)的PLC系統(tǒng)，各自的數(shù)據(jù)通過CPU之間的通訊實(shí)現(xiàn)交換。PLC柜放置在新增的低壓配電室內(nèi)；設(shè)置擴(kuò)展ET200M遠(yuǎn)程IO站，采集和輸出儀表、電氣信號(hào)，儀表、電氣IO均設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、完善性、可擴(kuò)展性以及系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。電氣傳動(dòng)和儀表設(shè)備主要選用國內(nèi)外先進(jìn)、成熟可靠、性價(jià)比高的產(chǎn)品。主要設(shè)備為：3臺(tái)一級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，一臺(tái)工程師站，一臺(tái)15KVA的UPS電源，三套一級(jí)系統(tǒng)軟件（采用與現(xiàn)有爐區(qū)系統(tǒng)一致的wincc版本），一臺(tái)8口交換機(jī)等。

2.2 主要控制功能

2.2.1 PLC的控制功能

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的傳感器，收集設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理。

（2）控制現(xiàn)場(chǎng)各種電氣設(shè)備，包括水泵氣動(dòng)閥等。

（3）控制其他的輔助設(shè)備。

2.2.2 操作站的主要功能

操作站的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控、設(shè)備模擬顯示、事件記錄、輔助設(shè)備操作等。

2.3 操作方式

余熱回收系統(tǒng)有兩種操作方式：自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。主要設(shè)備都可以在兩種方式間切換。

2.3.1 自動(dòng)方式

系統(tǒng)根據(jù)各設(shè)備的傳感器收集的數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，自動(dòng)地完成各工作順序、設(shè)備之間的運(yùn)行連鎖等。比如，各水泵的啟停，各氣動(dòng)閥的開斷等。因?yàn)樽詣?dòng)方式自動(dòng)化程度高，對(duì)操作人員的要求少，能減輕操作人員的工作量，減少人為產(chǎn)生的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)可靠性，所以自動(dòng)方式是余熱回收系統(tǒng)主要的操作方式。

2.3.2 手動(dòng)方式

操作員通過操作臺(tái)、箱或HMI對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行的單項(xiàng)操作。主要用在機(jī)械維修或故障時(shí)的緊急操作方式。手動(dòng)方式分為機(jī)旁和遠(yuǎn)控2種方式，機(jī)旁方式優(yōu)先，需要在機(jī)旁操作箱上選擇手動(dòng)方式，才可以實(shí)現(xiàn)。

3 環(huán)境保護(hù)

環(huán)境保護(hù)作為國家的大政方針，邯寶熱軋廠一直十分重視環(huán)境保護(hù)工作，此次余熱回收改造項(xiàng)目，也是優(yōu)先考慮環(huán)境保護(hù)問題，做到環(huán)境友好型改造。加熱爐使用清潔的氣體燃料煤氣，其排出煙氣主要煙氣成分為：二氧化碳（16.328%），氧氣（0.681%），氮?dú)猓?9.019%），水蒸氣（13.972%）?？梢姡欧艔U氣主要成分中不含有有毒有害氣體，經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)，排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB9078二級(jí)進(jìn)行排放，符合國家節(jié)能減排的環(huán)保要求，余熱回收系統(tǒng)不需要額外的煤氣燃燒，因此不會(huì)產(chǎn)生廢氣。設(shè)計(jì)上，水泵等電氣設(shè)備采用低損耗、低噪音型，每個(gè)汽包蒸汽排大氣口設(shè)有排汽消聲器，能有效降低噪音等污染，同時(shí)也更節(jié)能。“余熱鍋爐設(shè)備樓”內(nèi)設(shè)有排水溝，站房外設(shè)有排水井，生產(chǎn)中產(chǎn)生的排水，液體廢物，經(jīng)排水井后排入污水管網(wǎng)，收集后做集中無害化處理，污水管網(wǎng)與生活污水管網(wǎng)并不相連，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，也不會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

4 安全

（1）余熱鍋爐設(shè)有安全供水，當(dāng)補(bǔ)給水總管斷水時(shí)，人工判斷后切換到安全水系統(tǒng)，確保余熱鍋爐受熱面（蒸發(fā)器）安全。

（2）冷卻水回水溫度過高或流量過低時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

（3）汽包水位設(shè)置工業(yè)電視遠(yuǎn)方監(jiān)視。

（4）汽包排汽設(shè)有排汽消聲器，排汽管道引至室外。

（5）供配電、電氣傳動(dòng)及基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)均設(shè)置生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行連鎖和電氣安全保護(hù)及事故報(bào)警，確保設(shè)備和人身安全。

（6）電氣設(shè)備正常不帶電的金屬外殼均可靠接地。

（7）在汽包、除氧及布置在高位的閥門等設(shè)備附近均設(shè)有操作平臺(tái)和防護(hù)欄桿。

（8）在“余熱鍋爐設(shè)備樓”站內(nèi)均按有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)有通風(fēng)、火災(zāi)報(bào)警和消防設(shè)施。

（9）余熱鍋爐系統(tǒng)有兩套獨(dú)立的電源供電。

5 改造效果

在不改變?cè)袩煹馈焽杞Y(jié)構(gòu)的情況下，在加熱爐煙道內(nèi)改造中增設(shè)余熱鍋爐，可以把煙氣的溫度比較穩(wěn)定的控制在325℃～335℃之間。在正常的加熱爐生產(chǎn)中：

生產(chǎn)量：375t/h～400t/h。

余熱鍋爐煙氣的側(cè)阻力總和：50Pa～65Pa。

煙氣量：160000Nm3/h～183000Nm3/h。

加熱爐達(dá)到最大產(chǎn)量時(shí)，在不增加抽煙機(jī)的情況下，也能保證煙氣能順利排出。

在煙氣排放量為160000Nm3/h，煙氣入口420℃，出口330℃的條件下，可以達(dá)到額定每座加熱爐9.2t/h的蒸汽產(chǎn)量；在煙氣排放量達(dá)到183000Nm3/h，煙氣入口420℃，出口330℃的條件下，產(chǎn)氣量可以達(dá)到最大值，即每座加熱爐10.3t/h的蒸汽產(chǎn)量[2]。

余熱鍋爐的工作制度按照相應(yīng)加熱爐的工作制度執(zhí)行，采用四班三運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)工作制，節(jié)假日不休息，加熱爐四座爐子，保持用三備一狀態(tài)，即有三座爐子生產(chǎn)，一座爐子停產(chǎn)維護(hù)，每座爐子的有效年工作時(shí)間6000h。由此可以算出，余熱系統(tǒng)每年可以產(chǎn)生蒸汽量：9.2t/h×6000h×3=165600t，可以很好的利用余熱，減少能源消耗，減少碳排放，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

6 總結(jié)

邯鋼邯寶熱軋廠加熱爐余熱回收改造，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的高效回收，實(shí)現(xiàn)了能源的二次利用，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）新增加的余熱回收系統(tǒng)控制穩(wěn)定，不影響原有加熱爐的正常生產(chǎn)。

（2）自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人值守，減少人為失誤和工作量。

（3）節(jié)能效果好，減少能源消耗和碳排放，降低噸鋼能耗，降低了生產(chǎn)成本。

（4）實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，為早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”貢獻(xiàn)一份力量。