直用罩退炉烟气余热烘干脱脂冷轧板技术实践

唐 恩 刘红亮 张 瑞 陶星伊 罗晓琴

(1.浙江工贸职业技术学院，2.大自然钢业集团有限公司)

钢铁是仅次于电力的第二大耗能行业，其能耗约占全国总能耗的15%左右。钢铁工业主要以高温冶炼、加工为主，生产过程中产生大量的余热约占全部生产能耗的68%，高效回收利用这些余热资源是降低钢铁行业能耗的重要手段[1]。

采用罩式退火炉加工生产冷轧板的企业，利用间接换热器以预热空气的方式回收罩式退火炉低温烟气余热，再将预热空气供冷轧板脱脂烘干线使用。由于间接换热器效率低，回收热量品质低，需蒸汽辅助预热，导致能耗较大，成本高，无法充分利用余热资源，达不到效益的最大化[2-4]。文章以某轧钢企业为依托，设计并应用了直用烟气无尘烘干脱脂冷轧板技术，不会对脱脂冷轧板质量产生有害影响，不仅替代了间接换热，减少工厂能耗与生产成本，充分利用高温烟气余热，而且烘干后的烟气能安全、可靠的达标排放。

1 技术分析

1.1 烘干工艺现状

某企业产品以SPCC冷轧板为主，年产40万t冷轧板在脱脂后连续送入烘干箱，箱体高400 mm、宽1 800～2 000 mm、长3 500 mm，脱脂烘干速度300～400 m/min，采用罩式退火炉的低温烟气预热空气与辅助蒸汽预热空气混合烘干，烘干温度约130 ℃，每个月消耗蒸汽400 t。

1.2 直用烟气分析

该企业的罩式退火炉以天然气为燃料，产生的烟气中污染物主要包括粉尘颗粒物、SO2和NOx等，具体烟气参见表1。该烟气符合《轧钢工业大气污染物排放标准》(GB 28665-2012)中的排放浓度要求，对大气污染影响小，实现了达标排放。

表1 退火炉烟气参数

高温烟气能否直接用于快速烘干脱脂冷轧板，关键取决于是否会污染冷轧板表面，需要综合考虑烟气的特性并进行分析。

(1)碳颗粒影响分析

天然气是理想的清洁能源，燃烧后基本没有烟尘污染。仅在供氧不足的条件下，天然气中的部分碳氢化合物才会受热分解生成细小的炭黑。

工业生产燃烧系统空燃比一般为1.1～1.2，烟气中氧含量在5%～8%，碳颗粒产生可能性小[5]。此外，高速运行的湿薄板在烘干箱内停留时间约为0.5 s，低温下的碳颗粒对其浸润性不强，影响较小。

(2)CO影响分析

退火炉正常运行时，由于空气过量，一般不会产生CO。目前有20套退火炉同时生产使用，即使其中某套退火炉燃烧不充分产生了CO，由于单台炉烟气量仅占总处理烟气量的1/20，且CO含量一般不会超过单炉烟气量的5%，所以最后兑入总管中的CO含量仍较低。另外再考虑到漏风原因，CO实际含量更低。因此，CO对整个烘干环节基本无影响。但出于安全考虑，该项目仍设置监控装置，防范CO中毒。

(3)SO2影响分析

SO2浓度不到12 mg/m3，颗粒含量低，近似痕迹。由于烟气温度在120 ℃以上，烟气中的水未达到饱和状态，无凝结水，SO2未与水反应形成酸性物质；如含有酸性较弱的H2S，腐蚀可能性较小；不会渗硫(渗硫发生条件：一般500 ℃以上保温1～1.5 h)。

(4)NOx影响分析

NOx浓度较低仅为120 mg/m3，烟气中无凝结水析出，不会反应形成硝酸[6]。因此，烟气中NOx基本对钢板没有影响。

(5)热量供给分析

原有方案(预热空气烘干)是烟气换热空气与蒸汽换热空气的组合，将其送入烘干箱入口的运行参数与新方案(烟气烘干)的设计参数进行初步核算对比，如表2所示。在烘干用气量即工况流量相同的条件下，新方案进入烘干箱的总热量预计能达到4 415 MJ，远远高于旧方案的2 976 MJ，表明直用烟气烘干的供热能力充足，完全能满足烘干需要。

表2 新旧方案热量供给条件

综上所述，高温烟气能够满足直接用于快速烘干脱脂冷轧板的要求。

2 工艺设计

2.1 技术目标

在退火炉烟气温度200 ℃条件下，无需额外兑入蒸汽预热空气，烟气能直接烘干脱脂后的冷轧板，对脱脂冷轧板质量不产生有害影响，烘干后的烟气能安全、可靠排放。

2.2 工艺流程

结合烟气特性，在烟道总管后，设置一套烟气净化系统。经过净化后的烟气，由原有引风机，经管道送入脱脂烘干箱中对脱脂冷轧板进行烘干，然后由烘干箱出口处的集气罩收集后经烟囱排放。主要技术方案流程如图1所示，其中烟气净化系统主要包括以下部分。

图1 退火炉烟气烘干冷轧板工艺

(1)重力粗除尘：利用重力作用，对上升管道烟气中的颗粒物粗除尘，除去烟气中的大颗粒物。垂直管道接近地面处设置集灰仓，避免底部垂直管道长时间工作后堆积颗粒物。

(2)布袋精除尘：经过重力粗除尘后的烟气进入高温布袋除尘器，进一步过滤细小的颗粒物，从而对烟气中的颗粒物完全净化。温度过高时，兑冷风保护滤料。

(3)CO脱除吸附：增设一条旁通管道，在CO超标的情况下，打开阀门进入吸附环节，对CO进行净化后再送入烘干使用。

2.3 主体设备选型

烟气净化的核心设备是除尘器，需根据烟气及粉尘的物理化学性质、烟气流量、粉尘浓度和粉尘允许排放浓度、压力损失及除尘效率、投资成本、运行费用、占地、使用寿命、运行维护等综合考虑。基于前述技术目标，对于含有细小颗粒的退火炉烟气，根据表3各种除尘器对不同粒径粉尘的除尘效率[7]可知，采用袋式除尘器和静电除尘器净化较为适宜，但静电除尘器的除尘效率受颗粒物物理性质影响很大，且一次性投资相比较高，故此袋式除尘器较为合适；由于尘粒易在滤布上不断累积造成压力损失变大，而脉冲喷吹清灰方式可实现在线清灰降低压力损失，工作效率高，处理风量大，时间间隔短，过滤风速高，除尘效率高达99%以上。综上，选定脉冲喷吹袋式除尘器。

表3 除尘器的分类及基本性能

2.4 核心过滤材料选择

退火炉烟气的特点是发生量波动大、温度高、粉尘粒径小、吸附力强，因此，需着重考虑滤料的耐热性、细颗粒过滤能力和耐阻性，从而进行滤袋的选择。

(1)材质：实际工况正常温度约为200 ℃，瞬时温度在260 ℃，烟气中颗粒较为细小，以小于50 μm的颗粒为主，选材需具有耐热温度高于260 ℃、能过滤细小颗粒、阻燃性好、气体过滤阻力小等优点。

(2)滤袋形状：扁形滤袋单位时间内过滤灰尘更多，布局紧凑；圆形滤袋结构上易于安装，清灰方便，滤口贴合度较好且漏尘少。综合考虑，该项目选择圆形滤袋。由于已选定脉冲喷吹清灰方式，所以采取外滤式滤袋。

综上所述，项目选用定制的耐高温、超细颗粒净化的圆形外滤式滤袋，滤袋框架采用静电喷涂防腐工艺，在表面喷涂有机硅高温涂料，以延长滤袋框架的使用寿命。

2.5 净化参数计算

退火炉烟气最高设计温度260 ℃，正常工作温度200 ℃，设计烟气量为20 000 m3/h，含尘浓度为10 mg/m3。

(1)过滤面积A

A=Q/(60Vf)

式中：Q为布袋除尘器处理风量，20 000 m3/h；Vf为过滤速度，1.4 m/min。计算得A=238 m2。

(2)每条滤袋面积a

a=πdL

式中：d为滤袋直径，0.130 m；L为滤袋高度，2.45 m。L/d=18.8符合滤袋长径比18～23。计算得a=1.0 m2。

(3)滤袋条数n

n=A/a=238÷1.0=238条

2.6 主要设备规格参数

基于前述分析及计算，综合排输灰方式、滤袋长度、灰斗锥度、清灰方式、进出风方式确定除尘器规格为5 270 mm×1 530 mm×5 485 mm，采用下进口、外滤式、负压系统安装方式。滤袋较多时，可根据清灰方式及运行条件将滤袋分成若干组，间距取45 mm。滤袋与滤袋框架的长度匹配，框架底部与袋底间隙取20 mm，滤袋框架规格为Ф130 mm×2 450 mm，数量取整为240个。具体参数详见表4。

表4 除尘器主要规格参数

3 应用效果

论证方案可行后，现场进行了利旧改造，拆除原有换热设施，安装新的烟气净化系统，经过72 h连续安装同步调试后直接投入运行，正常烟气温度净化前稳定在180～200 ℃，送入烘干箱温度在170～190 ℃，烘干后温度在160～180 ℃，烟气中颗粒物浓度从净化前的6 mg/m3降至0.1 mg/m3左右，PM2.5为0.04 mg/m3，PM10为0.06 mg/m3，取得了比较好的净化效果。经现场检测烘干后的冷轧板，烘干效率明显提高，板上微小颗粒物有所减少，进一步提高了薄板表面洁净度。

3.1 热利用评价

旧方案是200 ℃低温烟气间接利用，通过换热器预热空气，即110 ℃的10 000 m3预热空气供给脱脂烘干线使用，由于烘干效果差，需要同时补充约10 000 m3的蒸汽预热的空气混合使用，使得传统工艺的热利用效率仅为16%左右。因此，传统工艺烘干脱脂冷轧板既不经济，且热效率低下。

新方案由于直接利用烟气，因此进入烘干箱烟气温度达到190 ℃，烘干后烟气温度为180 ℃，仍有较高的利用价值，有利于实现能量梯级利用，后续烟气可送至酸洗用于冲洗水的加热，预计可提高烟气余热利用效率达50%以上。

3.2 节能效益评价

使用原技术时蒸汽流量约为0.5 t/h，按年运行时间330 d(8 000 h)计算，则年节约蒸汽量=0.5×8 000=4 000 t，按蒸汽费用340元/t估算，则年节约蒸汽费用=4 000×340=136万元。

节省两台运行风机用电(75 kW)，节约电量=75×8 000=600 000 kWh，电费按0.86元/kWh计算，则节约电费=600 000×0.86=51.6万元。

综上，一年总共节约费用=136+51.6=187.6万元，该项目改造投资包括除尘器本体、烟道改造、电仪设备等，在半年内即可收回全部实际投资成本。

4 结论

直接将净化后的罩式退火炉烟气应用于烘干的实践表明：

(1)在保证生产安全的前提下，直接将净化后的罩式退火炉烟气直接用于烘干脱脂冷轧板工艺是完全可行的；

(2)烟气直用烘干系统可使烟气中颗粒物浓度降至0.1 mg/m3以下，对产品质量无影响，余热利用效率提高，有利于拓宽烟气余热利用途径；

(3)能源实现了梯级利用，能充分利用高温烟气余热，净化后的烟气符合排放标准，不仅降低了生产和治理成本，而且能达到节能降耗的目的，具有较好的经济效益和社会效益；

(4)烟气直烘技术投资低，节能效益显著，投资回收期短，是顺应国家节能降耗政策下余热资源高效利用的新技术，有利于企业升级优化，促进经济发展。