宝钢4号高炉余热回收系统节能实践.pdf

第3 2 卷第1 期 2 0 1 1 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ呃E R l N G V 0 1 ．3 2 №1 F e b r u a r y2 0 1 2 宝钢4 号高炉余热回收系统节能实践① 朱勇军，杨俊，王训富，李有庆 宝山钢铁股份有限公司炼铁厂，上海2 0 0 9 0 0 摘要为了节能降耗，宝钢4 号高炉热风炉余热采用分离热管式换热器回收热能。宝钢4 号高炉热风炉余热回收装置投入运行 5 年多来，对提高高炉风温、节能减排起到重要作用。量化了宝钢4 号高炉余热回收对高炉风温和高炉能耗的影响，对余热回收改 造前后的效果进行了分析，同时对余热回收失效原因和改进措施进行了探讨。 关键词余热回收；节能降耗；炼钢高炉；高温尾气 中图分类号T F 6 3 1文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 O l 一0 0 6 5 0 4 P r a c t i c e so fE n e r g yC o n s e r v a t i o no ft h eW a s t eH e a tR e c o v e r yD e v i c e i nB a o s t e e l №4B l a s tF u r n a c e Z H UY o n g - j u n ，Y A N GJ u n ，W A N GX u n f u ，L IY o u Q i n g P l a n to fI r o n m a k i n g ，B a o s h a nI r o na n dS t e e lC oL t d ，S h a n g h a i2 0 0 9 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T ol o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h eh e a te n e r g yw a sr e c o v e r e db yu s i n gs e p a r a t e t y p eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r f r o mt h ew a s t eh e a to fh o tb l a s ts t o v ei nB a o s t e e lN 0 4B l a s tf u r n a c e ．I tp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e i nr a i s i n gt h eb l a s ta i r t e m p e r a t u r e ，s a v i n ge n e r g ya n dd e c r e a s i n ge m i s s i o ns i n c et h ew a s t eh e a tr e c o v e r yd e v i c ef o rh o tb l a s ts t o v eo fB a o s t e e l N 0 4b l a s tf u r n a c eW a sp u ti n t oo p e r a t i o nm o r et h a n5y e a r sa g o ．T h ee f f e c t o ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r yo fB a o s t e e lN 0 4 b l a s tf u r n a c eo nt h eb l a s ta i rt e m p e r a t u r ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nW a sq u a n t i f i e d ．T h ee f f e c t o ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r y d e v i c eb e f o r ea n da f t e rr e m o u l d i n gW a sa n a l y z e da n dt h ef a i l u r er e a s o no ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r yW a sd i s c u s s e da n d i m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ep r o p o s e d ． K e yw o r d s w a s t eh e a tr e c o v e r y ；e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dC O l l S U n 叫o nr e d u c t i o n ；s t I e e h I 峨f u r n a c e ；h i g ht e m p e r a t u r ee x h a u s t 高炉热风炉余热回收装置主要是利用热风炉废气 余热预热助燃空气和煤气，废气温度一般在4 0 0 ℃以 下，虽然废气温度不高，但是由于废气量很大，带走的显 热非常多，如果不能有效的利用，将浪费大量的能量。 随着我国对节能降耗的要求越来越高，各种节能设备被 应用于工业生产中，热风炉能耗是仅次于高炉的炼铁设 备，其占整个高炉能耗的1 6 ％左右。自第一台余热回收 装置应用到热风炉余热回收以来，其回收利用废气余热 提高高炉风温、降低高炉能耗的效果显著，应用范围迅 速扩大。目前国内外已在高炉热风炉上应用的烟气余 热回收的换热器主要有管热式、热媒式和金属板式等几 种形式⋯。宝钢4 号高炉热风炉余热回收装置采用的 是分离热管式换热器，自高炉投产以来，余热回收装置 对高风温冶炼、降低能耗有着显著的效果。 l 宝钢余热回收装置运行实绩 I ．1 宝钢余热回收装置简介 宝钢4 号高炉于2 0 0 5 年4 月2 7 日建成投产，高 炉炉容为47 4 7m 3 ，高炉有4 座新日铁外燃式热风炉， 热风炉设置了烟气余热回收装置预热助燃空气及高炉 煤气，并为全烧高炉煤气预留助燃空气及煤气的二次 预热。 宝钢目前除l 号高炉使用热媒式余热回收装置外 其它3 座高炉都使用分离式热管换热装置，热管内的 工作介质为蒸馏水，并添加了缓蚀剂。图1 为宝钢4 号高炉分离式热管换热器工艺流程。 图l宝钢4 号高炉分离式热管换热器工艺流程 从4 座热风炉总烟道上开孔接出烟道，将3 1 0 ℃ ①收稿日期2 0 1 l - 0 9 - 0 1 作者简介朱勇军 1 9 8 2 一 ，男，湖南部阳人，硕士，工程师，主要从事炼铁工艺研究。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 的烟气引入烟气换热器，烟气被冷却到1 8 0 ℃以下，从 烟气换热器出1 2 1 侧烟道排出，经过烟囱排入大气。烟 气换热器换热排管内产生的蒸汽经过两路上升联络管 分别输入空气换热器和煤气换热器的换热排管，分别 把空气和煤气加热到1 8 5 ℃和1 9 0o C 。换热排管 冷 凝端 所产生的冷凝水，经过下降联络管被再次输入 烟气换热器换热排管内。工作介质就是这样周而复始 地循环，把烟气热量传递给空气和煤气。 烟气、煤气和空气换热器各有1 2 排管束，但各换 热器的管束大小不同，烟气预热器管束的排列情况如 图2 所示。 ／＼ 谥 十竹 描◆’’竹 一 ■H } ＼ ／。 图2 烟气预热器需更换管束示意 1 ．2 宝钢余热回收装置的现状 余热回收投入运行后，预热空气和煤气温度达到 了设计温度，但是随着运行时间增加，预热空气和煤气 温度逐渐下降，废气温度也逐渐升高。到2 0 1 0 年5 月 份，空气和煤气出口温度分别下降至1 5 0 ℃和1 4 0 ℃ 左右，而烟气出口温度上升到近2 0 0 ℃。这说明余热 回收装置的热效率在逐渐降低，图3 为2 0 0 6 年1 月至 2 0 1 0 年7 月宝钢4 号高炉余热回收运行实绩。 2 舯 l 帅 1 8 0 1 7 0 p 1 6 1 1 鑫l 蜘 赠1 4 0 1 3 0 1 2 0 1 1 0 l ∞ 时间 图3 宝钢4 号高炉余热回收运行实绩 余热回收装置的投入使用对提高热风炉的送风温 度以及降低高炉能耗做出了重要的贡献，4 号高炉的 风温长期稳定保持在12 5 0 ～12 6 0 ℃之间。余热回收 的投入每年可节约能耗达4 万多吨标煤，减少温室气 体排放1 4 ．7 万多吨。 2 宝钢余热回收装置的改造 2 ．1 宝钢余热回收装置的改造 为了充分发挥余热回收装置节能降耗的效果，提 高换热器的工作效率，通过对热管换热器进行经济性 评估，决定从2 0 1 0 年6 月7 日～7 月2 0 日对烟气和煤 气预热器进行为期4 4 天的改造。 1 换热器两端封堵盲板和进行气体置换。换热 器在拆除联络管及其上部箱盖前必须紧闭煤气、烟气 换热器进出口阀门，并在煤气换热器进出口封堵亩板。 煤气换热器两端盲板封堵前，对其内部气体进行置换， 置换气体选用氮气，再用压缩空气吹扫，直至相关专业 人员检查合格。 2 换热器内部组件拆装。在拆除换热器上方的 保温及联络管后，将换热器内部组件吊出。由于联络 管要在新的组件更换好后进行恢复，因此进行保护性 拆除。将烟气换热器沿烟气进口方向和煤气换热器沿 煤气出口方向的第l 、2 、3 、4 、5 及第9 排的管束进行更 换，其余取出清理干净后用高压水进行试压，试压压力 为6 ．0M P a ，确认无泄露后原样回装。 3 管道焊接。热管管束回装后对热管和联络管 进行焊接，由于余热回收装置需要保持一定的真空度， 对换热管束之间的焊接提出了很高的要求。焊接坡口 表面不得有夹层、裂纹、加工损伤、毛刺等影响焊接质 量的缺陷存在；管子的对接焊缝，当管子的外径大于 4 5m m 时，要求氩弧焊打底，当管子外径小于等于4 5 m m 时，采用氩弧焊焊接，且至少焊两遍，每遍起弧点 和收弧点不得重复。焊接后需要进行焊接点的外观检 查和无损探伤检查。焊缝及热影响区应无裂纹、夹渣、 弧坑和气孑L 等缺陷，焊缝外形尺寸应符合设计图样和 工艺文件要求，焊缝高度不低于母材表面且应圆滑过 渡。管路施焊检验合格后应对管路所有对接接头进行 1 0 0 ％U T 检验，再对对接接头总数的2 0 ％做R T 复验， 角接接头进行1 0 0 ％着色检验，要求焊缝着色检验达 到I 级质量要求。 4 换热器联络管及内部组件试压。余热回收的 烟气、煤气换热器施工完工后进行总体压力试验。设 计压力为5 ．2 3M P a ，气压试验压力为5 ．8M P a ，试压气 体介质为氮气。当气压上升到设计压力5 ．2 3M P a 时 应暂停升压，检查无漏气或异常现象，然后再升压到试 验压力下保持1 0m i n ，之后降至设计压力进行检查，3 0 r a i n 无泄漏为合格。耐压试验完成后进行气密性试 验，试验介质为空气，试验压力为5 lk P a ，试验时间为 2h ，每小时平均泄漏率A ≤l ％为合格。 5 换热器组件及联络管吹扫。管道在强度试验 和严密性试验合格后，用氮气对管道进行吹扫。吹扫 气体压力不超过设计压力，流速不小于2 0m ／s 。 万方数据 第1 期朱勇军等宝钢4 号高炉余热回收系统节能实践 6 7 6 抽真空和加装药水。在完成上述工作后，对管 束进行抽真空，达到需要的真空度后，加装蒸馏水和缓 蚀剂。 7 管道涂装及保温。为了尽快将余热回收装置 投入，管道的涂装和保温在投入后进行。在管路外部 涂防锈漆一道，然后进行保温施工。保温选用整体保 温方式，采用厚度为1 0 0m m 的岩棉毡，外部包铁皮， 铁皮外刷油漆。 2 ．2 余热回收改造后效果分析 投入后余热回收装置换热效率大大提高，图4 为 2 0 1 0 年5 月至2 0 1 0 年9 月余热回收装置改造前后效 果对比，改造后空气和煤气的出口温度较改造前分别 提高了3 6 ．6o C 和4 1 ．6 ℃，废气的出口温度从改造前 的1 9 6 ．1 ℃降低到1 1 8 ．3 ℃。 2 2 0 2 ∞ l 栅 p 套1 6 0 赙 l 加 1 2 0 l 帅 一空气出n 温度 o 一煤气出门温度 一废气出u 温度 叶r 渺懈 ．改造前余热回收改造改造后 坤 吨誓硎 ■‰一掣 埘0 - 5 - 1 埘0 - 5 - 拶抛蝴62 0 1 0 - 7 - 2 4 删嘁l 埘09 - 1 8 生产日期 图4 余热回收装置改造前后效果对比 改造后热风炉的煤气单耗下降明显，热风炉的送 风温度可以稳定的送到12 6 0 ℃以上，图5 为改造前 后高炉煤气单耗与风温的对比，改造后，2 0 1 0 年8 月 热风炉高炉煤气单耗降到了3 5 9 ．7m 3 ／t ，较改造前的 2 0 1 0 年5 月份降低了1 1 ．3m 3 ／t ，吨铁能耗降低了3 ．7 k g 标煤。 o ∞‘ 暑 鬻 番 扩 臻 器 怛 枷嘲棚I 撇t l - 9 - 12 0 1 0 - 1 1 - I 舢- l - l 枷甜 生产日期 图5改造前后高炉煤气单耗与风温趋势 改造达到了预期的目标。由于受到热管压力的限 制，余热回收处于部分回收状态，仍有进一步提高空气 和煤气出口温度、降低能耗的潜力。 2 ．3余热回收装置对高炉风温的影响 热风炉能够送出的风温跟热风炉拱顶温度有关， 而拱顶温度所能达到的温度取决于燃料的理论燃烧温 度，热风炉理论燃烧温度t 翻可表示为心】 ． Q 空 Q 煤 Q 口矿 ‘理2 一峰c _ 一 鱼 窒竖垒 垡竖 翌婴r1 、 哗c 产 7 式中Q 空为助燃空气带入的显热，k J ／m 3 ；Q 嫫为煤气带 入的显热，k J ／m 3 ；Q 。甲为燃烧1n 1 3 煤气产生的热量， k J ／m 3 ；C 空、c 煤分别为空气和煤气在温度为t 空和。煤时 的平均热容，k J ／ m 3 ℃ ；％、‰分别为空气和煤气 的体积，m 3 ；唯为燃烧1m 3 煤气的实际生成物量，m 3 ； C 产为燃烧物在t 理时的平均比热容，k J ／ m 3 ℃ 。 从式 1 看出，在Q D 妒以及峰不变的条件下，t 理 与t 空和。煤成正比。宝钢高炉煤气成分、热值以及在 空气过剩系数为1 ．1 0 条件下，每燃烧1m 3 的高炉煤 气，所需空气为0 ．6 0 3 5m 3 ，生成的产物为1 ．5 0 4 3m 3 ， 由此算出助燃空气和高炉煤气每升高1 ℃，t 理分别升 高0 ．2 9 2 ℃和0 ．5 0 3 ℃。 据此可以计算出余热回收改造后，理论燃烧温度 提高了3 1 ．6o C 。 2 ．4 余热回收装置对高炉能耗的影响 根据式 1 ，空气和煤气带人的显热不变的前提 下，t 弹每升高1 ℃大约需要9 ．0 1 0 。4m 3 高炉煤气， 由此可以推算出在f 璃不变的条件下，燃烧1n 1 3 高炉煤 气可节约2 ．8 4 ％的高炉煤气。改造后热风炉吨铁高炉 煤气的消耗量可减少l O ．5m 3 ，即1 ．2k g 标煤。 2 ．5 余热回收改造后的节能效果 改造后，热风炉高炉煤气单耗从改造前的3 8 2 ．1 l m 3 ／t 降至3 7 1 ．3 5m 3 ／t ，节约能耗1 ．2 3k g 标煤／t 。 转炉煤气单耗从6 5 ．1 5n 1 3 ／t 降至5 5 ．4 3m 3 ／t ，节 约2 ．8 0k g 标煤／t 。 送风温度从改造前的12 4 1 ．3 ℃提高到l2 5 6 ．3 ℃，按每1 ℃风温相当于0 ．0 8k g ／t 焦比计算，可节约 能耗1 ．3 lk g 标煤／t 。 综上所述，余热回收装置改造后，可节约能耗 5 ．3 4k g 标影t ，按照4 座高炉年产3 6 0 万吨铁水计 算，每年可节约1 ．9 2 2 4 万吨标煤。 3 宝钢余热回收装置失效原因分析及 改进措施 3 ．1 余热回收装置失效原因分析 由图3 可以看出，随着余热回收系统运行时间的 增加，其效率逐渐下降，对拆下的损坏热管进行分析， 其效率下降的主要原因有 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 1 由于高炉煤气中含有硫化物，燃烧后产生S O 和s O ，等酸性气体，其烟气露点温度较高，可达1 5 0 ℃ 左右，在换热器中随着烟气温度下降，酸性气体与烟气 中的水分凝结在热管外部管壁上，导致低温酸露点侵 蚀，导致热管及翘片大量的损坏，导热性能下降。 2 在高温条件下，碳钢和水在热管内部发生析氢 腐蚀产生氢气“ 1 ，使得管内压力升高，同时热管侵蚀 损坏造成管内真空度下降，使工作介质的沸点提高，导 致热管性能降低。 3 热管内工作介质泄露导致传递热量的媒介 减少。 4 由于高炉煤气内含有灰尘，燃烧后灰尘等杂物 随着废气通过换热器时沉积在翘片内，堵塞翘片造成 翘片导热性能下降。 3 ．2 影响余热回收装置热效率的因素及改进措施 影响余热回收装置热效率的因素有很多，主要有 以下几个方面 1 热管的导热效率，包括热管外部和内部的热传 导性能。热管外部导热性能包括热管的材质、防腐措 施，翘片间距、高度、厚度以及热管的排列对改善换热有 很大的帮助，热管内部由于存在F e 和H 0 的析氢腐蚀 产生不凝眭氢气，所以需要在热管内表面进行化学处理 形成钝化膜，在水中加入缓蚀剂等措施降低影响。 2 工程质量。工程质量的好坏直接关系到余热 回收装置的运行效果，包括焊接质量、试压、气密性试 验、抽真空、加药和保温措施，任何一个环节出现问题 都可能会对余热的回收效率产生影响。 3 操作因素。包括煤气的灰分、水分和硫含量要 尽量的低，减少烟气对热管的磨损和堵塞；烟气的出口 温度不能太低，否则会出现低温酸露点侵蚀，腐蚀热管。 4 结论 1 宝钢4 号高炉余热回收系统经过5 年多的运 行，为提高高炉风温和节能减排做出了重要的贡献。 2 余热回收系统的热效率逐年下降，通过对热管 换热器进行评估，决定进行改造，改造后余热回收的热 效率有了显著提高。 3 根据宝钢的生产实绩，量化了余热回收对高炉 风温和能耗的影响，为进一步提高余热回收热效率提 供丫依据。 4 分析了余热回收失效的原因并提出了改进措施。 参考文献 [ 1 ] 居勤章，叶其中．宝钢l 号高炉余热回收系统的改造[ J ] ．炼铁， 2 0 0 6 2 3 4 3 6 ． [ 2 】周传典．高炉炼铁生产技术手册[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 杨绮琴，方北龙，童叶翔．应用电化学[ M ] ．广州中山大学出版 社．2 0 0 0 ． 上接第6 4 页 的是钴氨配合离子，与草酸根离子发生的主要是配合 沉淀。 2 在C o “- N H 3 一N H 。 ．C 2 0 4 2 ‘一H 2 0 反应体系中， 通过氨与钴离子配合并参与沉淀即可得到一种复杂的 前驱体，x 射线衍射、红外光谱和反应体系热力学分析 结果表明该前驱体为一种含氨草酸钴复盐粉末。 3 在弱氧化性气氛下，热分解含氨草酸钴前驱体 即可得到结晶良好、纯度高的纤维状C o O 粉末。 参考文献 [ 1 ] 董成勇，湛菁，张传福，等．纳米C o O 粉的制备方法及其应用 [ J ] ．硬质合金，2 0 0 5 ，2 2 2 1 1 7 1 1 9 ． [ 2 ]张立德，牟季美．纳米材料和纳米结构[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ]张丽英．薛德胜．C o O 纳米颗粒的制备及磁性研究[ J ] ．稀有金 属，2 0 0 3 ，2 7 5 5 4 7 5 5 1 ． [ 4 ]关荐伊，赵元，侯十法．C o O 纳米粒子的制备及催化性能初探 [ J ] ．河北师范大学学报 自然科学版 ，1 9 9 9 。2 3 1 9 0 9 3 ． [ 5 ] Y eY i n ，Y u a nF a n g l i ，H uP a n g ，e ta 1 ．S o l v o t h e r m a ls y n t h e s i sa n dr e - 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