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冶金工業(yè)是耗能大戶,，不論是有色冶金或黑色冶金工業(yè)都存在大量的節(jié)能問題。 以鋼鐵企業(yè)為例,，焦爐,、高爐及煉鋼工序均有相當數(shù)量的余熱未能回收利用。余熱的溫度最高可達 1600℃,，熱能的形態(tài)有固體、氣體,、液體,，其中很多為間隙排放，因之給余熱回收帶來了一定的難度,。 由于熱管的眾多特點,，特別適用于上述場合的余熱回收利用，從 70 年代開始國內冶金界的廣大工程技術人員和熱管技術工作者進行了卓有成效的合作開發(fā),，取得了相當可喜的成果,。 目前在燒結排氣顯熱和熱風爐燃燒廢氣的余熱回收方面，已可達到定型設計和系列化,、標準化的程度,。 近年來高溫熱管及高溫熱管空氣預執(zhí)器、高溫熱管蒸汽發(fā)生器開發(fā)運用成功,，給冶金企業(yè)的高品位余能利用帶來了新的希望,。
軋鋼連續(xù)加熱和均熱爐是鋼鐵企業(yè)中耗能較多的設備。其熱效率一般只有 20%～30%,，約有 70%～80%的熱量散失于周圍環(huán)境和被排煙帶走,。其中煙氣帶走的熱損約占 30%～35%。 加熱爐的煙氣量根據(jù)爐型大小不同,，一般在（標準狀態(tài)）7000～300000m3/h 的范圍內,。煙氣溫度一般為550～990℃，也有超過 1000℃以上的,。 從直接節(jié)能來考慮,，工程界希望將煙氣的余熱用來加熱助燃空氣。當助燃空氣被加熱到 400℃時,，可以得到節(jié)能 20%～25%的效果,。 以下為數(shù)例典型應用和設計實例 1.1 坯件加熱爐熱管空氣預熱器 一鋼坯加熱爐,，爐內溫度高于 1000℃，煙氣溫度大于900℃,，通過鈉熱管空氣預熱器將 40℃的空氣加熱至 400～450℃與二次風（800℃）混合后入爐助燃,。其流程如圖7-1所示。  表 7-1為該設備設計參數(shù),，該工程燃料節(jié)約率為 18%,，設備投資回收期約1.2年。 1.2 線材退火爐 圖7-2所示一線材退火爐,。  爐內溫度為 1000℃左右,，排煙溫度約800℃，在煙道中放置一高溫熱管空氣預熱器,，高溫煙氣通過熱管換熱器熱管的蒸發(fā)段,， 煙氣降 至150～170℃排空。20℃的常溫空氣通過換熱器熱管的冷凝段,，被加熱到 400～500℃,，作為助燃空氣進入燃燒噴嘴。 應用結果表明,，節(jié)約燃料可達23%,。表 7-2為其設計參數(shù)。  1.3 軋鋼連續(xù)加熱爐 軋鋼連續(xù)加熱爐排出的煙氣溫度很高,，有時可達 1000～1100℃,，余熱回收利用的方式首推采用空氣預熱器。 回收的余熱除了熱損100%地用于燃燒爐內,，這樣雖然可以達到節(jié)能的目的,，但不能直接節(jié)約燃料，也得不到由于燃燒條件改善而對產品產量質量方面帶來的好處,。 當前國外很多工廠采用余熱鍋爐和空氣預熱器相結合的辦法來達到兼顧的目的,。 圖 7-3 為國外某鋼鐵公司的 330t/h步進式板坯加熱爐的煙氣余熱鍋爐和空氣預熱器的布置方式，即將空氣預熱器布置在余熱鍋爐的尾部,。  這種方式的缺點是余熱鍋爐尾部煙氣溫度不高,，溫差較小，空氣預熱器預熱空氣的溫度不高,，大約260℃左右,。 由于高溫熱管空氣預熱器及高溫熱管蒸汽發(fā)生器的工業(yè)應用開發(fā)成功，給軋鋼加熱爐的余熱回收帶來了非常大的靈活性,。 可以直接用高溫煙氣加熱助燃空氣使空氣升溫至 400℃以上,，也可以采用余熱鍋爐方式產生蒸汽并入蒸汽管網。 與常規(guī)余熱鍋爐相比,，熱管蒸汽發(fā)生器具有明顯的優(yōu)越性,，其體積緊湊,、傳熱效率高、結構簡單,、維修方便,，更重要的是單根熱管破壞不影響設備運行，提高了設備長期運行的可靠性,。 不論是采用高溫空氣預熱器方式還是采用高溫熱管蒸汽發(fā)生器方式,，煙氣溫度均可降至 200℃以下。這對大型加熱爐的熱回收效率的提高有很大意義,。以下介紹兩種回收流程,。 1.3.1空氣預熱器流程 如圖 7-4 所示，加熱爐煙氣 1200℃左右直接進入高溫熱管空氣預熱器,，降至 140～170℃排入煙囪,。20℃常溫空氣被加熱至 450℃以上作為助燃空氣進入加熱爐助燃。其燃料節(jié)約率在 20%以上,。  國內工業(yè)使用結果表明,，其投資回收時間根據(jù)燃料品種不同大概在 1～1.5 年左右。 圖 7-4 的布置方式適用于小型加熱爐,。對于大型軋鋼加熱爐由于處理的煙氣量大， 設備重量和體積都比較大,，采用地面布置的方式更為適合,，以下為一設計實例。 某大型加熱爐排煙溫度為 850℃,，煙氣量為（標準狀態(tài)）170000m3/h,，要求將（標準狀態(tài)）150000m/h 的常溫空氣加熱到 550℃，煙氣側允許壓力降為 150Pa,，采用列管式或熱管式兩種方案,，設計結果列于表7-3。  由表 7-3 可以看出,，在允許的壓力降范圍內,，熱管換熱器在傳熱效率、體積,、重量方面均優(yōu)于列管式換熱器,。 1.3.2 余熱鍋爐流程 國內外許多軋鋼加熱爐采用了余熱鍋爐和空氣預熱器相結合的流程來回收煙氣的高溫余熱。 即首先將高溫煙氣通過余熱鍋爐 （蒸汽發(fā)生器）降至 500~600℃溫度范圍,，產生 1.9~3.0MPa 的蒸汽,，降溫后的煙氣通過空氣預熱器將常溫空氣預熱至 250℃，煙氣溫度降至 300℃以下進入熱管省煤器,，將 105℃的脫氧水加熱至 250℃左右,，煙氣溫度降至 200℃以下,，經引風機送至煙囪排放。 這種流程的優(yōu)越性在于,，余熱鍋爐可以以較少的設備投資回收煙氣高溫部分的余熱,，所產生的蒸汽如果可以外銷，則可在極短的時間內收回投資,。 空氣通過預熱器可預熱至 300℃以上,，一次能耗可以節(jié)約 14%～18%，這是最合算的流程,。 如果采用蒸汽透平發(fā)電,，再將背壓蒸汽外銷，也是一種經濟效益很好的方案,。 熱管空氣預熱器和熱管省煤器可以在較低的條件下充分發(fā)揮其傳熱效率高和體積緊湊的特點,。 以下通過一設計實例來說明其優(yōu)越性。 設計條件∶ 煙氣量（標準狀態(tài)）170000m2/h,，煙氣溫度 950℃,，采用余熱鍋爐及空氣預熱器組合流程?？諝饬髁浚藴薁顟B(tài)））150000m3/h,，要求從常溫預熱至 350℃以上。余熱鍋爐產生的蒸汽壓力為 3.9MPa,，鍋爐給水為105℃脫氧水,。 設計結果示于表7-4，流程圖示于圖7-5,。   經濟效益分析∶ ① 熱管蒸汽發(fā)生器 熱管蒸汽發(fā)生器回收熱量 25417kW,，折合蒸汽量 30/h，按外供蒸汽60元/t 計,，則每小時回收 1800元,，年工作日按8000小時計，年回收金額為144萬元,。設備投資回收期限為0.1年,。 ② 熱管空氣預熱器 空氣預熱器回收熱量為 20043kW，相當于72.2GJ/h,，按高爐煤氣 5.4元/GJ計,，則年回收金額為312萬元，設備\n333\n投資回收期為0.6年,。 ③ 熱管式省煤器 省煤氣回收熱量為 6390kW,，相當于 23GJ/h，按高爐煤氣 5.4 元/GJ計，年回收金額為99.4 萬元,，設備投資回收期為0.48 年,。 從以上分析可見各臺設備投資的回收期均在 0.6 年以下。該工程最大設備重量為 95 噸,，若設備置于平地,，則施工費用僅限于地面基礎及支架平臺，估計工程施工費用不會超過設備費用的 1/3,。因之整個工程費用回收期不多于1年,。
燒結工序是高爐礦料入爐以前的準備工序。有塊狀燒結和球團狀燒結兩種工藝,。 塊狀燒結是將不能直接加入爐的煉鐵原料,，如精礦粉、高爐爐塵,、硫酸渣等配加一定的燃料和溶劑,，加熱到 1300～1500℃，使粉料燒結成塊狀,。 球團燒結則是將細磨物料,， 如精礦粉配加一定的黏結劑，在造球設備上滾成球,，然后在燒結設備上高溫燒結,。 兩種燒結過程都要消耗大量的能源。據(jù)統(tǒng)計,，燒結工序的能耗約占冶金總能耗的 12%,。而其排放的余熱約占總消耗熱能的 49%?；厥蘸屠眠@些余熱，顯然極為重要,。 燒結工序內廢氣溫度分布示意圖見圖 7-6,。  由圖可知，回收余熱主要在成品顯熱及冷卻機的排氣顯熱兩個方面,。 燒結礦生產時,，在燒結機尾部及溜槽部分，燒結礦熱料溫度可達700～800℃,，除熱廢氣外,，料品還以輻射形式向外界散發(fā)熱量。這部分高品位熱量主要通過余熱鍋爐回收,。 熱管技術目前主要應用在冷卻機廢氣的余熱回收,。 熱燒結礦從燒結機尾部落下經過單輾破碎振動篩篩分后，落到冷卻機傳送帶上，在冷卻機上布置有數(shù)個冷卻風罩,，風罩內裝有軸流風機（吸風式）,，使冷卻風通過礦料層，通過礦料層后的風溫在第一風罩內一般可達到 250～400℃,，第二風罩內風溫一般為 200℃左右,。 冷卻礦料的另一種形式是鼓風冷卻， 即風機在礦料層底部鼓風,，通過礦層后進入風罩排空,。 國內開發(fā)的燒結余熱回收的熱管技術應用流程如圖 7-7。  在第一風罩內布置熱管蒸汽發(fā)生器,，冷風通過熱的礦料,，被加熱到 250～350℃，通過熱管蒸汽發(fā)生器熱管的蒸發(fā)段,，溫度降為 150℃左右排空,。 第二風罩的熱風溫度較低，一般為 200℃左右,。在此風罩內布置軟水加熱器,，加 熱汽包的給水。在溜槽或冷卻機前端的密封罩內布有蒸汽過熱器,，過熱從汽包產出的飽和蒸汽,。 以下為一典型應用實例。 某鋼廠126m2帶式抽風冷卻機配有 3 臺 60A-12 型 No.24 立式軸流風機,，其風量為（標準狀態(tài)）3000m2/min,，壓力為 588～688Pa。熱風溫度分別為250～350℃及215～250℃,?；厥諢崃?800kW，產汽量（設計能力）3～4t/h,，蒸汽壓力0.5～0.6MPa,，飽和蒸汽溫度 169℃。有關特性見表7-5,。  按一般燒結機作業(yè)率 90%,，每小時產 0.5MPa 蒸汽 3.5 噸計算，則每年產蒸汽量為∶3.5×24×365×0.9=27594 t\n,，一般燒結廠內部蒸汽價為50元/噸,，則年產蒸汽價值為 138萬元； 系統(tǒng)年耗電費：0.22×5.5×24×365×0.9=9540元,， 系統(tǒng)年耗水費：0.735×3.5×1.02×24×365×0.9=20687元,， 年實際經濟效益為∶ 138-0.954-2.0687 = 135 萬元 此外,，將所產蒸汽用于混合物料， 可提高進燒結機的礦料溫度,，在燒結過程中可以消除料層中的過濕帶,，提高料層透氣性，從而可提高燒結生產率并降低電耗,。 3. 高爐熱風爐余熱回收 高爐熱風爐是產生熱風的設備,，由于風溫可高達 1200℃以上，因之熱風爐都是蓄熱式,。 其工作原理是先使煤氣和助燃空氣在燃燒室燃燒,，燃燒生成的高溫煙氣進入蓄熱室將室內的格子磚加熱，然后停止燃燒,，再將鼓風機送來的冷空氣通過蓄熱式格子磚,，將格子磚所積蓄的熱量帶走，冷空氣被加熱到所需的溫度進入高爐,。 熱風爐煙道廢氣的溫度一般限制在 300～350℃,，最高不得超過 400℃。使用熱管換熱器回收這部分余熱,，用來加熱助燃空氣則可以改善蓄熱爐內的燃燒狀況,，從而使爐頂溫度提高。 我國馬鞍山第一煉鐵廠是首先采用熱管技術回收熱風爐余熱加熱助燃空氣的單位,。使用結果表明,，由于出爐熱風溫度的提高，使每噸鐵減少 10kg 焦炭,，同時用于燃燒的煤氣節(jié)省 40%,。 這一效果的獲得大大促進了熱管換熱器在冶金行業(yè)的推廣應用。目前我國大型鋼鐵企業(yè)的高爐熱風爐大都采用了熱管技術回收余熱技術,。對于以煤氣為燃料的單位,，一般多采用分離式熱管換熱器回收排煙余熱，回收的余熱同時用來加熱空氣和煤氣,，因之稱為'雙預熱',。 雙預熱流程如圖7-8 所示。 系統(tǒng)由3 臺熱管管箱組成,，熱風爐的煤氣燃燒所產生的煙氣溫度約 250℃左右進入煙氣管箱,，在煙氣管箱中,，煙氣將熱量分別傳給煤氣加熱側的管束和空氣加熱側的管束,。 兩組管束并聯(lián)布置。煙氣分二路流過管箱,。煤氣和空氣加熱側的管束吸收煙氣的熱量后,，分別由各自的管內的工作液體所產生的蒸汽通過各自的上升管分別傳送到煤氣和空氣加熱側的管箱。 為便于現(xiàn)場調試及整套裝置不影響高爐熱風爐的生產運行，在各組換熱管箱的風道上均設置了旁路,。該系統(tǒng)的運行參數(shù)如表7-6所示,。 投產后，熱風爐的熱風出口溫度提高 42.4℃,，噸鐵煤氣消耗減少0.102GJ,，單爐煤氣消耗減少 1.6×m3/h，蓄熱爐拱頂溫度提高 78℃,。 一般認為,，高爐煉鐵風溫在 1000℃以上時，每提高 100℃風溫相當于每噸鐵少用15kg焦炭,。每噸焦炭按364元計,，該高爐月產鐵為184787 噸。 按此可算出焦炭的節(jié)約率及人民幣值∶ 184787×（42.2/100）×（15/1000）×364=4277893元/月≈42.8萬元/月 由于助燃空氣溫度的提高,， 每噸鐵的燃料煤氣消耗值減少了0.102GJ,，按高爐煤氣5.4元/GJ計， 其節(jié)省金額為∶ 184787×0.102×5.4=10178.68元/月≈10.18萬元/月,， 全年節(jié)約總金額為∶ （42.8+10.18）×12=635.76萬元 |
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