节能

冷轧硅钢厂退火炉烟气余热回收利用

2020-02-26 09:22:54 烟气余热利用

我国的工业炉窑是能源消耗大户,其能耗约占全国总能耗的21%。我国炉窑的平均热效率仅为30%左右,先进国家一般在50%以上,产生如此差距的主要原因之一就是我国对余热的回收和利用不够,热损失占供给热量的30%~60%。

冷轧硅钢生产存在大量的退火炉,其余热利用方式主要为直接助燃空气和预热带钢(即一次利用),而经过一次利用后的烟气温度约350℃,还有大量的热量可继续回收利用(即二次利用),但硅钢连退机组中大部分没有进行余热二次利用,而是将这部分烟气吸入冷风降温后排放,只有少数机组将余热资源二次利用,加热热风干燥器所需热空气。由于可回收余热热源多,单个热源量并不大,目前,对二次余热利用仅限于单个机组或者单热源—单用户的形式,余热还没有得到充分利用。可见,硅钢厂节能降耗还有很大的提升空间。

目前,烟气余热利用方式较多,若采用点对点利用,则能源匹配存在差异,余热利用不充分,且设备换热类型多样导致整个系统复杂。选择过热水作为中间换热介质,将全厂烟气余热通过气—水换热器加热生产过热水,再通过过热水向用户供热,由于过热水良好的换热和传输特质,可实现余热的最大化利用。同时,该系统设备简单、投资小,若热量供应不足,还可利用蒸汽补充热量,生产稳定、波动小,能适应停机或者生产波动的影响。

余热回收方法各有利弊

余热回收的原则是根据余热资源的数量和品位以及用户的需求,尽量做到能级的匹配,在符合技术经济原则的条件下,选择适宜的系统和设备,使余热发挥最大的效果。目前,冷轧硅钢厂对各工序余热资源的回收主要有直接回收、间接回收、综合回收和余热制冷等方式。这些回收方法可以单独使用,也可以综合使用,以充分利用烟气资源。

直接回收余热进行空气、原料预热和干燥。余热直接回收利用是将需要加热的气体或液体通过换热器与高温烟气直接进行热量交换,经过加热的气体或者液体可满足机组生产的需要,如热空气用于带钢干燥,热水用于带钢清洗等。

为了不影响炉内气氛和压力,一般采用低压热交换器。其最大的优点是热交换系统压力低,维护方便,没有安全隐患;缺点是热回收效率低,投资比较大。

以连退机组(CAPL)热回收系统为例,烟气经过该回收系统,热能被回收约10%,产生热水或者热空气供在线设备使用,基本能满足供热风干燥或者清洗段的热量需要。因废气风机的极限耐热温度为400℃,为确保废气风机正常工作,系统设置了吸冷风口对热风降温。但是当机组产能较大时,烟气温度很高,相应产生的热水或者热空气增加,若大于本机组用户的需要,则多余的热介质就只有排放掉,造成资源浪费。直接回收余热的方式不能适应生产波动导致的烟气参数的波动。

直接热交换方式的系统简单可靠,但气-气换热器体型庞大,相对价格也高。同时,退火炉的余热源同热风干燥设施不能太远,否则,大型送热风气管会占用大量空间,热损失也必将增大。

间接回收余热产生蒸汽。采用余热锅炉回收余热生产蒸汽,供工艺流程使用,加热介质为空气或者水,也是一种常用的余热利用方式。大多数企业采用的余热锅炉,进口温度平均在500℃~700℃,出口温度一般在250℃~300℃,烟气余热的回收率为50%左右。

采用余热锅炉回收余热效果最好,工作稳定,效率较高,热回收率也较高,其终产品(蒸汽)容易实现全厂区域的生产调度平衡。当生产线的蒸汽消耗量低于系统产生量时,富裕的蒸汽将补充到车间蒸汽管网中,因此不存在产能高造成热回收不充分的问题。余热锅炉的生产能力随着退火炉处理能力的降低而降低。采用余热锅炉回收系统,热能回收率可以达到14%。

但是余热锅炉的投资比较大,属于压力容器,每年要对安全阀校验,要定期探伤检查等,维修费用也相对多一些。

承压热水综合回收余热。退火炉采用承压热水的余热回收系统,其主要设备是承压热水系统。承压热水系统是一个封闭的高压循环系统,系统的设计压力为1.2兆帕,采用烟气余热对高压力的水进行热交换,循环水热交换后水温为140℃,由于管道压力比较高,该承压热水不会形成蒸汽。承压热水通过热交换器,用于清洗段的热水漂洗,加热空气用于热风干燥器。

这种回收烟气热能的方法与余热锅炉相似,但设备结构较简单,投资也小,维护起来相对容易一些。承压热水系统是一个封闭的循环系统,如果没有泄漏,不用经常补水。而余热锅炉为了产生蒸汽实际上还要消耗很多纯水,因此承压热水系统安全与便利性比余热锅炉要好。

余热制冷系统。与采用传统电力空调制冷相比,吸收式制冷技术可以充分利用各种余热、废热资源,达到节能降耗的目的。吸收式制冷系统也适合中低温余热烟气利用。

余热吸收式制冷系统将溴化锂溶液作为吸收剂,水作为制冷剂,蒸发器内水溶液吸收空调冷冻水热量后,蒸发成水蒸气进入吸收器;吸收器内溴化锂浓溶液吸收水蒸气,稀释后送入发生器;发生器内溴化锂稀溶液在余热废气的作用下,蒸发出水蒸气,溶液变浓,流入吸收器,完成再生循环;水蒸气进入冷凝器;冷凝器内水蒸气在冷却水作用下,冷凝为液态,进入蒸发器,完成制冷循环。

余热制冷系统投资高,国内没有专用于烟气余热使用的溴化锂制冷机,对溴化锂制冷机的再生部分(发生器)热管需要重新设计,这也制约了其发展。

因地制宜 择优选取

冷轧硅钢生产工艺流程长,以取向硅钢生产工序为例,包括常化酸洗、冷轧、中间退火—涂MgO、高温退火、热拉伸平整—涂绝缘层等工序,其中常化酸洗、中间退火、高温退火和热拉伸平整—涂绝缘层工序都包含有退火炉。由于加热方式和目的不同,退火炉存在多个炉段,因此,存在多个烟气排放点。另外,每一个烟气排放点排放的废气量和温度都不一样,因此潜在可换的热值不一样。产品规格、生产节奏的改变或者停机维护时,余热烟气量和温度也会发生波动。可见冷轧硅钢可用烟气余热热源数量多,热源分布较为分散,且热源可回收利用热量会发生波动。

而烟气余热用户对热源的提供方式也存在不同的要求,如热风干燥器适合直接进行气—气换热;清洗段加热液体介质由于循环罐体小、换热装置庞大,不适合直接换热;电气室需要制冷……可见,退火炉余热用户不仅分布分散,而且对余热需要的供热方式也多样化。

要对硅钢厂退火炉烟气余热资源进行综合回收利用,必须兼顾热源和用户的特征,找到换热效率高、介质传输过程损失小、对不同用户具有普适性的换热方法。综合考虑,采用承压热水作为中间介质对用户进行加热的方案对烟气余热综合回收利用最可行。承压热水装置既避免了蒸汽余热回收系统使用余热锅炉维护成本高的问题,又避免了直接换热设备庞大、换热效率不高、传输过程热量损失大的问题。

单个热源点和单个用户很难做到能级完全匹配,若采用点对点的方式,则可能导致余热利用不充分或者不能完全满足用户需要,同时,每个系统需要增加额外的补充水系统和蒸汽加热装置,会使投资增大。因此,将全厂烟气余热换热制取承压热水后收集起来,然后供全厂用户使用是较好的利用方案。基于全厂的烟气余热利用可做到余热资源的最大化利用,系统运行稳定,易于控制调度,同时投资和运行成本易于控制。

退火炉烟气余热系统中的过热水循环水泵将热水储存罐中的140℃的热水输送到余热用户(热风干燥器、清洗段、电气室制冷机等)进行换热,实现对空气或者碱液等的加热,过热水温度降为90℃。为了方便全厂调度和适应用户对热量需求的变化,每个用户点设置控制阀门,可控制用户支路的过水量,各支路的水量之和为过热水循环泵的输水量。

降温后的热水汇总到干路后,输送到热源端承压热水换热器,将降温的热水重新加热到140℃,每个换热点前设置控制阀门,根据余热热量来控制过水量,避免生产能力不足造成系统不稳定。当机组生产能力大,余热资源量大时,从用户端承压热水—气/液换热器出来的冷水小于热源端烟气—水换热器可加热量,热源端可直接排放或吸冷风降温后排放部分烟气。

为了防止烟气工艺不足,管路设置蒸汽加热装置,防止热水在循环过程中发生热损失导致的降温,也可以防止因烟气提供的热量小不能满足全厂用户要求的情况发生。由于热水会发生地漏现象,因此,设置脱盐水补充装置,根据储存罐内水位自动补充脱盐水。由于过热水生产装置存在一定的压力,因此,需要设置压力控制单位控制系统压力。


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