热轧厂加热炉余热回收系统改造

吕 震

（河钢邯钢集团邯宝热轧厂，河北 邯郸 056001）

我国每年能源总能耗中的13%～15%来自于钢铁行业，二氧化碳排放量占总排放量的12%，节能减排一直是行业内最重要的课题之一，可以说是“碳达峰，碳中和”的重要一环。提高钢铁生产的工艺，有效利用工序中产生的余热，可以有效减少能源消耗，继而减少全周期的碳排放。邯钢邯宝热轧厂2008年投入生产，设计4座加热炉，通过燃烧高炉煤气和焦炉煤气的混合气体产生热量来加热钢坯。设计产量375t/h，年产量500万吨。产生烟气量烟气量：160000Nm3/h～183000Nm3/h，烟气入口温度420℃，产生大量的剩余热量。设计投产初期，采用的是通过在加热炉烟道内串联布置空气换热器和煤气换热器对烟气的热量进行回收的方式回收烟气热量，这种方法回收效率低，大部分热量通过烟气排出到大气中，造成大量的能源浪费。为了响应国家节能减排规划，改造新增加余热回收系统，提高热量利用率，邯宝热轧厂2010年新建了余热回收系统，有效的降低了生产成本，节约了能源，保护环境，产生较好的经济和社会效益。

1 工程概述

考虑实际生产情况，新增加的余热回收系统采用余热锅炉系统。余热锅炉系统有产量大，产点集中，连续性强，易于回收和利用等优点。

1.1 系统的特点

（1）由于排烟温度、烟气阻力及位置的限制，本余热锅炉受热面只设蒸发器，不设“省煤器”。

（2）蒸发器分为二组受热面，便于检修。

（3）蒸发器断面呈梯形结构，有效的利用了烟道截面，减少烟气的扰动，以充分回收烟气余热，节约能源。

（4）每组蒸发器均设有独立的进水集管和出水集箱，且在蒸发器顶板上设有吊耳，便于生产过程中受损蒸发器的起吊、更换。

（5）蒸发器采用光管“蛇形管”的型式，其水循环方式为强制循环，减少了烟道的改动量，缩短建设周期。

（6）4套余热锅炉的设备（除蒸发器外）全部集中布置在“余热锅炉设备楼”内，降低了建设费用，降低了检修、维护工作强度。

（7）“余热锅炉设备楼”为无人值守站房。

1.2 工艺流程

新增加的余热回收系统通过设在烟道内的换热系统，将管道内的水加热，部分水蒸发行成汽水混合物，然后汽水混合物循环到设在余热楼内的汽包内汽水分离，蒸汽经由并网管路，输送到外部用汽单位，产生效益，水继续在系统内循环。这套余热系统，主要分为两个主系统：烟气流动系统，水循环系统；一个辅助系统：给水除氧系统，一共三个子系统。

1.2.1 烟气流动系统

烟气流动系统采用的是采用自然循环方式，是热量由加热炉传导到余热系统的途径。加热炉炉内气体的燃烧产生的热量，依靠烟囱吸力，流经埋设在烟道内的两套蒸发器，将热量交换到余热系统，换热蒸发器布置在加热炉的主烟道内，不设旁通烟道，不设排烟风机，因此属于自然循环方式。主要路径为：加热炉烟气→空气预热器→余热锅炉蒸发器→烟道闸板→烟囱→大气。

1.2.2 水循环系统采用强制循环方式

水循环系统是将水作为介质，将加热炉烟气中的热量，经由蒸发器，加以回收利用的系统。四座加热炉分别配备一套循环系统，配备汽包，电动循环水泵，蒸发器，消音器，炉水取样冷却器，蒸汽取样冷却器等主要设备。本系统中采用强制水循环的方式，通过循环泵实现水循环，主要路径为：汽包→循环水泵→蒸发器→汽包[1]。

1.2.3 辅助系统为集中给水除氧系统

给水除氧系统用于补偿蒸汽外送并网损耗的水份以及对循环水进行除氧。采用强制补水方式。四座炉子共用一套给水除氧系统，包括：补给水箱，电动补水泵，大气式旋膜除氧器，电动给水泵，给水取样冷却器，氨加药装置，联胺加药装置等主要设备。主要路径为：厂区补给水→补给水箱→补水泵→除氧器→给水泵→给水母管→各个汽包[2]。

2 自动化控制

这套余热回收系统采用先进的自动化控制系统，实现无人值守的24小时不间断运行，兼顾先进性、可靠性、完善性、可扩展性以及系统的快速响应性。采用电控、仪控一体化的系统结构，控制系统通过星型交换式快速工业以太网实现数据交换；电控、仪控系统与传动设备及现场仪表通过现场总线实现数据交换；采用标准的通讯协议和分层网络，充分保证整个系统的通讯畅通，并且系统的维护和扩充也非常方便。

自动化系统只设置L1级一级系统，即基础自动化系统。主要完成新增预热锅炉的电气设备顺控及仪表设备监控：汽包水位控制；给水除氧系统控制，补给水箱控制以及其他介质的测量和控制；汽包压力控制、除氧器压力及水温控制、汽包压力过高时放散阀自动开启、压力正常时自动关闭控制等。

2.1 设备配置

整个基础自动化系统设有1套PLC装置，采用Siemens公司的Simatic S7-400 PLC产品，通过以太网交换机连接到现有的加热炉区的PLC系统，各自的数据通过CPU之间的通讯实现交换。PLC柜放置在新增的低压配电室内；设置扩展ET200M远程IO站，采集和输出仪表、电气信号，仪表、电气IO均设置在现场。

为了实现系统的先进性、可靠性、完善性、可扩展性以及系统的快速响应性。电气传动和仪表设备主要选用国内外先进、成熟可靠、性价比高的产品。主要设备为：3台一级监控计算机，一台工程师站，一台15KVA的UPS电源，三套一级系统软件（采用与现有炉区系统一致的wincc版本），一台8口交换机等。

2.2 主要控制功能

2.2.1 PLC的控制功能

（1）通过现场设备上的传感器，收集设备状态等参数，并对数据进行分析，处理。

（2）控制现场各种电气设备，包括水泵气动阀等。

（3）控制其他的辅助设备。

2.2.2 操作站的主要功能

操作站的主要功能包括：数据采集、数据管理、参数设定、运转监控、设备模拟显示、事件记录、辅助设备操作等。

2.3 操作方式

余热回收系统有两种操作方式：自动方式和手动方式。主要设备都可以在两种方式间切换。

2.3.1 自动方式

系统根据各设备的传感器收集的数据，判断设备的运行状况，自动地完成各工作顺序、设备之间的运行连锁等。比如，各水泵的启停，各气动阀的开断等。因为自动方式自动化程度高，对操作人员的要求少，能减轻操作人员的工作量，减少人为产生的错误，保证系统可靠性，所以自动方式是余热回收系统主要的操作方式。

2.3.2 手动方式

操作员通过操作台、箱或HMI对设备运行进行的单项操作。主要用在机械维修或故障时的紧急操作方式。手动方式分为机旁和远控2种方式，机旁方式优先，需要在机旁操作箱上选择手动方式，才可以实现。

3 环境保护

环境保护作为国家的大政方针，邯宝热轧厂一直十分重视环境保护工作，此次余热回收改造项目，也是优先考虑环境保护问题，做到环境友好型改造。加热炉使用清洁的气体燃料煤气，其排出烟气主要烟气成分为：二氧化碳（16.328%），氧气（0.681%），氮气（69.019%），水蒸气（13.972%）。可见，排放废气主要成分中不含有有毒有害气体，经过严格检测，排放标准达到《工业炉窑大气污染物排放标准》GB9078二级进行排放，符合国家节能减排的环保要求，余热回收系统不需要额外的煤气燃烧，因此不会产生废气。设计上，水泵等电气设备采用低损耗、低噪音型，每个汽包蒸汽排大气口设有排汽消声器，能有效降低噪音等污染，同时也更节能。“余热锅炉设备楼”内设有排水沟，站房外设有排水井，生产中产生的排水，液体废物，经排水井后排入污水管网，收集后做集中无害化处理，污水管网与生活污水管网并不相连，不会产生环境污染，也不会产生安全隐患。

4 安全

（1）余热锅炉设有安全供水，当补给水总管断水时，人工判断后切换到安全水系统，确保余热锅炉受热面（蒸发器）安全。

（2）冷却水回水温度过高或流量过低时，自动进行报警。

（3）汽包水位设置工业电视远方监视。

（4）汽包排汽设有排汽消声器，排汽管道引至室外。

（5）供配电、电气传动及基础自动化系统均设置生产设备运行连锁和电气安全保护及事故报警，确保设备和人身安全。

（6）电气设备正常不带电的金属外壳均可靠接地。

（7）在汽包、除氧及布置在高位的阀门等设备附近均设有操作平台和防护栏杆。

（8）在“余热锅炉设备楼”站内均按有关规定设计有通风、火灾报警和消防设施。

（9）余热锅炉系统有两套独立的电源供电。

5 改造效果

在不改变原有烟道、烟囱结构的情况下，在加热炉烟道内改造中增设余热锅炉，可以把烟气的温度比较稳定的控制在325℃～335℃之间。在正常的加热炉生产中：

生产量：375t/h～400t/h。

余热锅炉烟气的侧阻力总和：50Pa～65Pa。

烟气量：160000Nm3/h～183000Nm3/h。

加热炉达到最大产量时，在不增加抽烟机的情况下，也能保证烟气能顺利排出。

在烟气排放量为160000Nm3/h，烟气入口420℃，出口330℃的条件下，可以达到额定每座加热炉9.2t/h的蒸汽产量；在烟气排放量达到183000Nm3/h，烟气入口420℃，出口330℃的条件下，产气量可以达到最大值，即每座加热炉10.3t/h的蒸汽产量[2]。

余热锅炉的工作制度按照相应加热炉的工作制度执行，采用四班三运转连续工作制，节假日不休息，加热炉四座炉子，保持用三备一状态，即有三座炉子生产，一座炉子停产维护，每座炉子的有效年工作时间6000h。由此可以算出，余热系统每年可以产生蒸汽量：9.2t/h×6000h×3=165600t，可以很好的利用余热，减少能源消耗，减少碳排放，产生良好的经济和社会效益。

6 总结

邯钢邯宝热轧厂加热炉余热回收改造，实现了烟气余热的高效回收，实现了能源的二次利用，具有以下几个优点：

（1）新增加的余热回收系统控制稳定，不影响原有加热炉的正常生产。

（2）自动化程度高，系统可以实现无人值守，减少人为失误和工作量。

（3）节能效果好，减少能源消耗和碳排放，降低吨钢能耗，降低了生产成本。

（4）实现了节能减排的目标，为早日实现“碳达峰，碳中和”贡献一份力量。