蒲洪權(quán)，武紹井，吳 斌，代雙葉

（1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司，重慶 401122）

連續(xù)退火是當(dāng)前冷軋后處理廣泛采用的工序之一[1]，連續(xù)退火爐是連續(xù)退火作業(yè)線上重要的能源消耗設(shè)備，其熱效率直接影響到整個(gè)連續(xù)退火機(jī)組的能源消耗指標(biāo)[2]。連續(xù)退火爐主要由預(yù)熱段（PHF）、加 熱 段（RTF）、均 熱 段（SF）、噴 氣 冷 卻 段（JCS）、均衡段（ES）和出口段組成[3]，其中加熱段和均熱段通常需要采用燃?xì)廨椛涔荛g接加熱[4]。燃?xì)廨椛涔茉诠ぷ鬟^程中將連續(xù)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，雖然從連續(xù)退火爐本身工藝出發(fā)已考慮了多級(jí)余熱利用系統(tǒng)（后面章節(jié)有詳細(xì)介紹），但連續(xù)退火爐的排煙溫度仍然較高，屬于300℃以上的中溫?zé)煔鈁5]，有較大的利用潛力。此時(shí)如果采用傳統(tǒng)方式，即在煙氣中摻冷風(fēng)降溫后直接排放[6-7]，將會(huì)造成煙氣余熱的浪費(fèi)，還污染環(huán)境。

余熱資源的回收利用方法包括直接回收利用、間接回收利用和綜合回收利用。考慮到連續(xù)退火機(jī)組的帶鋼清洗、烘干工藝等本身就需要熱源，且這些工藝對(duì)熱源的品位要求不高[8]，因此連續(xù)退火爐余熱資源最有效的回收利用方法是直接回收利用，即利用連續(xù)退火爐排出的中溫?zé)煔馍a(chǎn)蒸汽或過熱水供退火爐帶鋼清洗、烘干等使用。

下面以某公司冷軋廠新上一套年產(chǎn)量為60萬t的連續(xù)退火機(jī)組為例，通過對(duì)直接回收利用連續(xù)退火爐中溫?zé)煔庥酂豳Y源的兩種方式（即蒸汽余熱回收方式和過熱水余熱回收方式）進(jìn)行比較分析，然后選擇適合該廠連續(xù)退火機(jī)組的煙氣余熱回收技術(shù)并實(shí)施。

1 連續(xù)退火爐煙氣余熱分析

連續(xù)退火爐煙氣系統(tǒng)流程如圖1所示。本項(xiàng)目連續(xù)退火爐加熱段以天然氣為燃料，采用W型輻射管加熱。天然氣在輻射管內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔猓〔糠謸竭M(jìn)空氣中進(jìn)行煙氣余熱再循環(huán)利用（第一級(jí)煙氣余熱利用）以外，剩下的間接加熱輻射管的助燃空氣（第二級(jí)煙氣余熱利用）后，沿著各自的管道匯集到煙氣集管中。煙氣從煙氣集管出來，經(jīng)過保護(hù)氣體換熱器間接加熱退火爐需要的氮?dú)浔Ｗo(hù)氣體（第三級(jí)煙氣余熱利用）。保護(hù)氣體換熱器后的煙氣溫度大約為450℃，如不再加以余熱利用，傳統(tǒng)方式就是先摻冷風(fēng)，然后通過排煙風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪排出，這樣會(huì)造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。同時(shí)，摻冷風(fēng)會(huì)增加排煙量，從而增加排煙風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。本機(jī)組擬增設(shè)采用蒸汽余熱回收方式或過熱水余熱回收方式的余熱回收裝置對(duì)排煙余熱進(jìn)一步回收利用（第四級(jí)煙氣余熱利用），新增的余熱回收裝置的布置位置已在圖1中示意。

圖1 連續(xù)退火爐煙氣系統(tǒng)流程圖

1.1 連續(xù)退火爐的煙氣量計(jì)算

本項(xiàng)目所用天然氣的成分體積分?jǐn)?shù)如下：CH4占94%，C3H8占2%，C3H10占1.3%，N2占1.7%，CO2占1%，此外天然氣中還含有約15 mg/m3的H2S。連續(xù)退火爐天然氣消耗量Q為3 350 m3/h。取過量空氣系數(shù)α=1.05，按表1中的公式帶入數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出每立方天然氣燃燒的理論空氣量V0、每立方天然氣燃燒的實(shí)際煙氣量中三原子氣體的體積VRO2、每立方天然氣燃燒的實(shí)際煙氣量中氮?dú)獾捏w積VN2、每立方天然氣燃燒的實(shí)際煙氣量中氧氣的體積VO2、每立方天然氣燃燒的實(shí)際煙氣量中水蒸汽的體積VH2O和每立方天然氣燃燒的煙氣量Vy，然后求得連續(xù)退火爐燃燒的實(shí)際煙氣量V的值為37 855 m3/h。

表1 連續(xù)退火爐燃燒煙氣量計(jì)算

1.2 確定排煙溫度

降低排煙溫度是提高余熱回收裝置余熱回收效率的最佳途徑，但是受余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)形式和煙氣露點(diǎn)等因素的影響，連續(xù)退火爐的排煙溫度不能降得過低。由于具體的煙氣余熱回收技術(shù)未定，可暫不考慮煙氣余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)形式等，通過煙氣露點(diǎn)來確定其最低排煙溫度，從而計(jì)算出煙氣的最大余熱利用潛力。

本項(xiàng)目所用的天然氣中含有少量的H2S，根據(jù)煙氣成分，按穆勒曲線擬合公式[9]計(jì)算得出煙氣的露點(diǎn)溫度為100.7℃。連續(xù)退火爐的最低排煙溫度按比露點(diǎn)溫度高30℃左右考慮，因此初定新增煙氣余熱回收裝置后的煙氣溫度為130℃。

1.3 最大煙氣余熱利用潛力計(jì)算

根據(jù)天然氣燃燒后的煙氣成分及其體積焓，查表計(jì)算得出新增余熱回收裝置的進(jìn)口、出口煙氣焓分別為643.2 kJ/m3、179.2 kJ/m3。暫不考慮新增余熱回收裝置的漏風(fēng)系數(shù)和散熱系數(shù)，通過計(jì)算得出最大煙氣余熱利用潛力為4 878.5 kW。具體計(jì)算見表2。

表2 最大煙氣余熱利用潛力計(jì)算

通過以上計(jì)算可知連續(xù)退火爐保護(hù)氣體換熱器后的煙氣余熱利用潛力非?？捎^，值得通過新增余熱回收裝置對(duì)其進(jìn)行回收利用。

2 煙氣余熱回收技術(shù)方案

2.1 蒸汽余熱回收技術(shù)方案

蒸汽余熱回收技術(shù)方案，是通過在連續(xù)退火爐保護(hù)氣熱交換器后的煙道上增設(shè)蒸汽余熱鍋爐來實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)退火爐尾部中溫?zé)煔獾挠酂峄厥?，用以加熱除鹽水產(chǎn)生飽和或過熱蒸汽。用在連續(xù)退火爐煙道上的余熱鍋爐通常采用自然循環(huán)蒸汽余熱鍋爐，如果余熱鍋爐安裝位置的高度空間受限，也可采用強(qiáng)制循環(huán)蒸汽余熱鍋爐。蒸汽余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)最好與廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)匹配，這樣蒸汽余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可以優(yōu)先用作連續(xù)退火機(jī)組帶鋼的清洗和烘干，如有富裕（或不足）還可通過廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)外賣（或購(gòu)買）。本項(xiàng)目廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)的壓力為0.6 MPa，經(jīng)計(jì)算通過增加省煤器等換熱面后，蒸汽余熱鍋爐排煙溫度可以降到130℃左右。技術(shù)方案可行并可以最大程度回收煙氣余熱。

蒸汽余熱回收技術(shù)方案除了在煙道上設(shè)置余熱鍋爐以外，通常還需配置補(bǔ)水、給水除氧、蒸汽、取樣、加藥等輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含除鹽水箱、除鹽水泵、除氧器、給水泵、取樣冷卻器、加藥裝置等設(shè)備（如果余熱鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)方式，還需增加熱水循環(huán)泵），系統(tǒng)較復(fù)雜、設(shè)備較多。

2.2 過熱水余熱回收技術(shù)方案

過熱水余熱回收技術(shù)方案，是通過在連續(xù)退火爐保護(hù)氣熱交換器后的煙道上設(shè)置熱水鍋爐，利用煙氣的熱量將90℃的循環(huán)水加熱到140℃左右，供連續(xù)退火機(jī)組帶鋼的清洗和烘干等使用。整個(gè)過熱水系統(tǒng)采用密閉循環(huán)，循環(huán)水的工作壓力通常在0.5 MPa以上，在這個(gè)壓力下，熱水不會(huì)汽化。經(jīng)計(jì)算過熱水回收技術(shù)方案也可以做到排煙溫度130℃左右，技術(shù)方案可行。

由于連續(xù)退火機(jī)組用戶需求的熱功率和連續(xù)退火爐煙氣余熱利用潛力通常很難做到完全相等，很多廠區(qū)又沒有熱水管網(wǎng)，當(dāng)連續(xù)退火機(jī)組需求的熱功率比連續(xù)退火爐煙氣余熱利用潛力小時(shí)，就會(huì)存在無法最大程度回收連續(xù)退火爐煙氣余熱的情況。

過熱水余熱回收技術(shù)的主要系統(tǒng)包括過熱水循環(huán)系統(tǒng)、定壓補(bǔ)水系統(tǒng)等，主要設(shè)備包括熱水鍋爐、循環(huán)水泵和補(bǔ)水穩(wěn)壓裝置等，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單、設(shè)備較少。

2.3 方案比較

蒸汽余熱回收技術(shù)方案和過熱水余熱回收技術(shù)方案都比較成熟且都適用于本項(xiàng)目。蒸汽余熱回收技術(shù)方案的主要優(yōu)勢(shì)在于其蒸汽參數(shù)可以與廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)一致，可以通過向廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)購(gòu)買或外賣蒸汽來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，可以通過省煤器等組件做到最大限度地利用煙氣余熱。但是相比過熱水余熱回收技術(shù)方案，蒸汽余熱回收方案通常需要配置更多的輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)更為復(fù)雜，操作要求更嚴(yán)、占地面積更大、投資和維修管理成本更高。

雖然過熱水余熱回收技術(shù)方案存在因連續(xù)退火機(jī)組用戶需求的熱功率無法與退火爐煙氣余熱利用潛力完全匹配，當(dāng)用戶需求熱功率過小時(shí)無法最大限度利用煙氣余熱的情況，但是本項(xiàng)目連續(xù)退火機(jī)組帶鋼清洗等用戶需求的熱功率（5 200 kW）比最大煙氣余熱利用潛力（4 878.5 kW）要大得多，可以做到最大程度回收煙氣余熱。用戶需求的熱功率不足量可以通過增加蒸汽補(bǔ)熱器，用廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)來的蒸汽進(jìn)行補(bǔ)充。

綜上所述，本項(xiàng)目決定采用系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單、投資更低、運(yùn)行維護(hù)更小的過熱水余熱回收技術(shù)方案。

3 過熱水余熱回收技術(shù)方案介紹

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

采用過熱水余熱回收技術(shù)回收利用煙氣余熱的系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“過熱水余熱回收利用系統(tǒng)”，其主工藝系統(tǒng)包括：煙氣流程為保護(hù)氣體換熱器出口的～450℃的中溫?zé)煔猓?jīng)熱水鍋爐后降溫到130℃左右，通過排煙風(fēng)機(jī)從煙囪排出；過熱水流程為140℃的過熱水被送至過熱水用戶后冷卻至90℃左右，然后經(jīng)熱水循環(huán)泵增壓后，再送至熱水鍋爐加熱。過熱水用戶包括堿液浸泡洗、熱水刷新、電解清洗、熱水漂洗及清洗段烘干等。熱水循環(huán)泵采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，共設(shè)兩臺(tái)，一運(yùn)一備。過熱水回收利用系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 過熱水余熱回收利用系統(tǒng)流程圖

為保證過熱水回收利用系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)又不影響到連續(xù)退火機(jī)組整個(gè)生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)，本項(xiàng)目主要采取了以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)措施：

（1）設(shè)置熱水鍋爐旁通煙氣管道，并在排煙風(fēng)機(jī)前的煙氣管道上增設(shè)稀釋風(fēng)口。熱水鍋爐進(jìn)口煙氣管道、熱水鍋爐旁通煙氣管道和稀釋風(fēng)口管道上分別設(shè)置有自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門，熱水鍋爐的出口煙道上設(shè)置有切斷風(fēng)門，通過這些風(fēng)門的組合控制可確保在熱水鍋爐檢修、熱水鍋爐出口煙溫過高等事故工況下，連續(xù)退火爐機(jī)組主系統(tǒng)都能正常穩(wěn)定工作。

（2）將過熱水循環(huán)系統(tǒng)的定壓點(diǎn)設(shè)置在循環(huán)泵入口母管。過熱水循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)水系統(tǒng)，連續(xù)退火機(jī)組熱用戶要求到達(dá)熱用戶處的水溫需控制在140℃左右。按保證循環(huán)泵運(yùn)行或停止時(shí)系統(tǒng)中任何一點(diǎn)既不汽化也不超過設(shè)備、管道及管件允許工作壓力范圍的原則，通過水力計(jì)算，確定過熱水系統(tǒng)的正常運(yùn)行壓力應(yīng)維持在0.6～1.2 MPa之間。循環(huán)泵入口處為整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的最低壓力點(diǎn)，將循環(huán)水系統(tǒng)的定壓點(diǎn)選擇在循環(huán)泵入口處時(shí)，補(bǔ)水穩(wěn)壓裝置的出口壓力最小，補(bǔ)水穩(wěn)壓泵用電功率也最小，這樣更為經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

（3）在熱水管路上設(shè)置蒸汽補(bǔ)熱器。當(dāng)余熱鍋爐出口的過熱水溫度沒有達(dá)到用戶要求的140℃時(shí)，可通過廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)來的蒸汽加熱過熱水，以確保過熱水用戶穩(wěn)定工作。蒸汽補(bǔ)熱器入口蒸汽管道上設(shè)置有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，出口凝結(jié)水管道上設(shè)置有自動(dòng)疏水閥，整個(gè)蒸汽補(bǔ)熱過程可通過程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。

（4）設(shè)置熱水循環(huán)泵旁通管，并在旁通管上安裝止回閥，防止熱水循環(huán)泵因停電等故障突然停止工作時(shí)，水循環(huán)突然受阻，過熱水的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫λ?，熱水循環(huán)泵入口管路中水壓急劇增高，從而產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益

3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

新增熱水鍋爐的漏風(fēng)系數(shù)取0.1、散熱系數(shù)取1.6%，計(jì)算得出熱水鍋爐實(shí)際回收利用的煙氣余熱為4 581.86 kW。蒸汽補(bǔ)熱器的效率取0.95，電動(dòng)循環(huán)泵的電機(jī)功率為30 kW，該廠外購(gòu)蒸汽價(jià)格為115元/t，電價(jià)為0.57元/kW·h，按此數(shù)據(jù)計(jì)算，并與不設(shè)過熱水回收利用系統(tǒng)（連退機(jī)組烘干等全用外購(gòu)蒸汽）進(jìn)行比較可得：增設(shè)過熱水回收系統(tǒng)后每小時(shí)可節(jié)約外購(gòu)蒸汽量2.4 t；考慮過熱水回收系統(tǒng)電動(dòng)循環(huán)泵的用電費(fèi)用后，每小時(shí)可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用258.9元，見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

連續(xù)退火機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7 500 h，增設(shè)過熱水回收系統(tǒng)后每年可節(jié)省蒸汽采購(gòu)費(fèi)用（相當(dāng)于年收益）：

（319.7-60.8）×7 500=194.175萬元。

假定設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用：10萬元/年

年凈收益：194.175-10=184.175萬元

一次性投資：200萬元

靜態(tài)投資回收期：200/184.175年=1.08年

3.2.2 環(huán)保效益

按標(biāo)準(zhǔn)煤的收到基低位發(fā)熱量為29.27 MJ/kg[10]，每消耗1 t標(biāo)準(zhǔn)煤排放CO2約2.6 t，SO2約24 kg，NOx約7 kg[11]計(jì)算，本項(xiàng)目實(shí)施后將每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量1 182.88 t，減少CO2排放約3 075.49 t，減少SO2排放約28.39 t，減少NOx排放約8.28 t，環(huán)保效益明顯。

3.3 設(shè)備及管道布置

熱水鍋爐采用室內(nèi)布置的形式布置在廠房靠墻一側(cè)，這樣有利于減少散熱損失并方便檢修。熱水鍋爐旁邊設(shè)置有過熱水泵站，占地面積約12 m×6 m，過熱水回收利用系統(tǒng)的主要設(shè)備（熱用戶設(shè)備以外）集中布置在過熱水泵站內(nèi)。為了便于設(shè)備管理和維護(hù)，泵站不設(shè)墻柱和屋面。

過熱水回收利用系統(tǒng)的管道布置以安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀為原則：蒸汽管道和除鹽水管道從敷設(shè)在行車梁下方的蒸汽母管和除鹽水母管上引出后，沿著廠房柱下行，分別接至位于廠房柱附近的蒸汽補(bǔ)熱器和補(bǔ)水穩(wěn)壓裝置相應(yīng)接口；熱水鍋爐與用戶的之間的熱水母管沿著廠房柱子或墻面敷設(shè)，支管吊掛在樓板下方。熱水管道的高處及容易集氣的位置設(shè)置有自動(dòng)排汽閥，最低位置設(shè)置有放水閥。

熱水余熱鍋爐及過熱水泵站內(nèi)的設(shè)備布置如圖3所示。

圖3 熱水余熱鍋爐及過熱水泵站設(shè)備布置示意圖

3.4 項(xiàng)目實(shí)施后回訪

在項(xiàng)目實(shí)施投產(chǎn)1 a后，我公司組織相關(guān)專業(yè)人員對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了回訪。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來看，過熱水余熱回收利用系統(tǒng)整體運(yùn)行比較穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)熱的蒸汽量很少，節(jié)能效果非常明顯。另外，過熱水余熱回收利用系統(tǒng)投運(yùn)后，連續(xù)退火爐的排煙溫度只有約125℃，起到了很好的減排效果。

4 結(jié)論

煙氣余熱回收技術(shù)在某公司冷軋廠帶鋼連續(xù)退火機(jī)組中的應(yīng)用實(shí)踐說明：

（1）連續(xù)退火爐的煙氣余熱利用潛力可觀，具有回收價(jià)值。

（2）過熱水余熱回收技術(shù)因其具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資低、運(yùn)行維護(hù)小等優(yōu)點(diǎn)，成為本項(xiàng)目首選的煙氣余熱回收技術(shù)。

（3）過熱水余熱回收利用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，可供同類余熱回收項(xiàng)目借鑒。