我國面臨著非常嚴峻的節能減排形勢，而鋼鐵行業是我國的能源消耗大戶，其總能耗占全國工業總能耗的15%左右。與國際先進水平相比，我國鋼鐵工業的資源和能源綜合利用指標差距較大。因此，提高鋼鐵行業的余熱能源利用率，對節能減排工作有巨大的促進作用。

 

　　以軋鋼加熱工序為例，余熱資源主要包含排放煙氣的物理顯熱、水梁及立柱冷卻散熱、爐墻及爐底開孔散熱、開啟爐門散熱、鋼坯物理顯熱、氧化鐵皮燒損物理顯熱等。其中，爐墻散熱、爐底開孔散熱、開啟爐門散熱、氧化鐵皮燒損物理顯熱由于排放量少且分布分散，難以集中進行回收。但是，占加熱爐能耗約42%的煙氣物理顯熱、水梁及立柱冷卻散熱約占低品質熱源的92%，耗能相當于724MJ/t。同時，這兩部分顯熱相對集中，便于回收。

 

　　余熱利用逐層剖析

 

　　加熱爐汽化冷卻裝置(ECS)可回收加熱爐步進梁冷卻散熱。2000年以后，該技術在國內冶金企業中快速推廣，現在幾乎所有新建、改建的步進式加熱爐都采用汽化冷卻。國內加熱爐汽化冷卻產生的蒸汽壓力低，主要用來供給工業用戶和取暖等。在加熱爐的余熱熱源中，汽化冷卻(ECS)回收爐內溫度約為1000℃的高溫煙氣熱量，屬于高溫余熱回收。

 

　　空氣預熱器設置在加熱爐煙道中，利用加熱爐的高溫煙氣將空氣加熱到約600℃，熱空氣被送入加熱爐內助燃。這種方式是從加熱爐工藝角度采取的節能措施，對加熱工藝來說是直接有效的，節約了燃料消耗量�？諝忸A熱器可以回收大量余熱，可將煙氣中60%~70%的余熱進行回收利用，節約20%~30%的燃料消耗。理論上，預熱100℃的助燃空氣，加熱爐可以節能約5%。因此，空氣預熱溫度越高則節能效果越好。該方法已經廣泛應用于國內外各種加熱爐�？諝忸A熱器回收加熱爐出口處的煙氣熱量，且煙氣溫度在700℃以上，屬于中溫余熱回收。當前加熱爐中溫余熱回收的綜合利用是能效最大的方式。

 

　　余熱鍋爐可以回收低溫煙氣余熱。經過加熱爐預熱器后的煙氣溫度為300℃~500℃，溫度較低，可利用余熱鍋爐回收，屬于低溫余熱回收。國外一些發達國家非常重視低品質熱源的回收，先進的鋼鐵企業普遍采用余熱鍋爐回收此熱量，回收率均在70%以上，日本新日鐵住金甚至達到92%。當前，我國冶金加熱爐采用余熱鍋爐回收煙氣余熱的方法并未普及，但在國家節能減排政策的支持下，低溫品質熱源回收與綜合利用逐漸得到重視。

 

　　汽化冷卻不能滿足降低加熱爐排煙溫度的需求，目前國內外多采用空氣和煤氣預熱器的方式回收煙氣余熱，但降溫也受到限制。加熱爐余熱鍋爐可降低加熱爐排煙溫度，但先前須用輔助燃燒器產生蒸汽，能源消耗量較大，且多設有旁通煙道，工程占地和初始投資較大。結合現有加熱爐的特點，將高溫、中溫、低溫區的加熱爐余熱進行統一組織，形成組合式余熱梯級回收工序系統，使其節能降耗的投入產出比進一步提高是大勢所趨。中冶賽迪針對我國軋鋼加熱爐生產工序的余熱回收利用現狀，提出一種組成優化、結構合理的余熱梯級回收工序和流程，并展開了相關的核心技術研究。

 

　　梯級研發成一體

 

　　加熱爐余熱梯級回收系統是根據余熱熱源性質的不同和溫度的高低，將汽化冷卻、空氣預熱和余熱鍋爐合理、有機地組合為一體，最大限度地回收加熱工序余熱，充分降低排煙溫度，盡量減少工程投資，獲得更大的經濟效益和社會效益。

 

    一級(高溫)回收工序研究開發。加熱爐水梁的冷卻方式主要分為水冷卻和汽化冷卻。目前，汽化冷卻具有水質好、有效保護水梁、延長水梁壽命、節水節電和可回收蒸汽等優勢，是較佳的冷卻方式，被絕大多數加熱爐采用。在國內，技術人員開展了水梁及立柱的熱負荷研究，通過建立水梁熱負荷模型，確定了水循環的控制措施，開發的汽化冷卻設計軟件符合工程實際，滿足了從熱力計算、設備定型計算到水梁水動力循環計算等多種工程需求。

 

　　二級(中溫)回收工序研究開發。二級回收工序屬于直接性節能措施，節能效果非常明顯。我國技術人員建設了高效換熱器實驗平臺，進行關鍵技術、設備的實驗研究，取得了豐碩的成果，形成多個系列產品。其主要優點是傳熱系數高、結構簡單、壽命長、靈活性強和嚴密性好。

 

　　三級(低溫)回收工序研究開發。依據加熱爐工藝強制排煙和自然排煙、單煙道和雙煙道的不同特點，技術人員針對自然循環和強制循環余熱鍋爐的特性，對傳統煙道余熱鍋爐進行了匹配性研究，并依此對常規余熱鍋爐進行了結構優化，開發出冶金加熱爐煙道內置式蒸汽余熱鍋爐，解決了加熱爐安全生產和余熱鍋爐協調運行的重大難題。同時，研究人員根據工程試驗成果開發了對應的設計軟件，實現了各種設計需求計算、余熱鍋爐三維輸出等功能，提供了余熱鍋爐本體結構設計平臺。

 

　　組合優化再挖潛力

 

　　技術人員利用夾點理論對組合式余熱回收工序進行了節能優化，開發出冶金加熱爐汽化冷卻與煙道內置式余熱鍋爐的聯合裝置系統；對余熱梯級回收系統可能出現的同質子系統和功能相同的設備進行了組合優化；對工程上反映的重復投資、占地大、基礎投入多的問題進行了布置優化。同時，相關工作已經形成了模塊化成品，以期找到投資省、見效快的工程應用切入點。

 

　　為有效控制加熱爐余熱梯級回收系統各種溫度、壓力等指標，將各子系統組合成一個有機體，實現余熱資源的高效回收和利用，技術人員對各工序系統的自動控制和各工序系統間的連鎖進行了優化，研發了聯合自動控制和穩定運行技術。

 

　　組合式回收效益顯著

 

　　該加熱爐余熱梯級回收系統可將加熱爐排煙溫度降低至200℃以下。以邯鋼已投產的余熱工程為例，該余熱梯級回收系統的一次性投資僅相當于獨立的汽化冷卻和余熱鍋爐的2/3，獨立相關工程大約為1300萬元。本項目通過技術創新，其投資大約為800萬元，且通過系統和布置優化，降低了運行成本和維護成本，成本節約25%以上，具有明顯的經濟效益。此外，汽化冷卻和余熱鍋爐產生蒸汽量的直接經濟效益約為5元/噸鋼，投資回收期可縮短1年~2年。

 

　　以加熱爐余熱梯級回收系統技術為支撐的項目在邯鋼、寶鋼等大型鋼鐵企業加熱爐獲得了實際應用，排煙溫度等各項指標均達到了預期效果。

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