加热炉烟气余热的梯级利用
2022-12-05 12:31:00
加热炉烟气余热的梯级利用
本文从加热炉热平衡出发，分析了影响加热炉出炉烟气温度和烟气量的主要因素并提出了相应解决对策，详细介绍了加热炉烟气余热的梯级利用的方法（烟道气加装热管蒸发器产生饱和蒸汽）。 钢铁企业是国内主要的“高耗能”行业之一，轧钢加热炉是钢铁行业的能源消耗大户，因此，轧钢加热炉已成为我国节能的重要前沿阵地。虽然加热炉设计时已采取了一系列节能措施，但烟气实际排放温度还是较高，对烟气余热进行有效的回收利用，是加热炉节能的一项重要措施。
一、加热炉的热平衡
说到烟气的余热利用，先分析一下加热炉的热输入和热输出，即加热炉的热平衡。 图1为加热炉热平衡示意图，从图中可以看出，热输入项主要有Q1—Q5，热输出项主要有Q1’—Q7’。加热炉热平衡就是维持热输入和热输出相等，即：Q1 Q2 Q3 Q4 Q5=Q1’ Q2’ Q3’ Q4’ Q5’ Q6’ Q7’。 现在新设计的轧钢加热炉在炉体设计时采取了一系列节能措施，如采用复合内衬或全纤维内衬，加强炉体和炉门绝热，减少各种散热损失（Q3’ Q6’），水梁立柱采用双层绝热包扎，炉体其他水冷构件采用有效绝热，减少冷却水带走的热量Q5’。 从实际生产来看，加热炉出炉烟气带走的热量在热平衡中占的比例较高，一般可达30%—40%，这部分热量包括烟气物理热Q2’和燃料不完全燃烧带走的的化学热Q7’。有效回收这部分热量，对加热炉的节能意义重大。
二、烟气余热梯级利用的措施
加热炉出炉烟气带走的热量多少跟出炉烟气温度和烟气流量直接相关，因此回收利用烟气余热的主要策略如下：
（1）从源头做起，设法降低烟气出炉温度和烟气量。
（2）在烟道内设置空预器、煤气预热器、蒸汽过热器、热管余热蒸发器等设施回收烟气余热。
1、降低烟气出炉温度
加热炉出炉烟气温度的高低很工艺要求和钢坯出炉温度、加工工艺、加热炉炉型结构及长度、尤其是热回收段长度息息相关。 钢坯的出炉温度升高，为了保证钢坯加热质量，各供热段的设定炉温和出炉烟气温度也相应提高。另外，钢坯温度升高也带来吨钢能耗的增加。
因此，在实际生产中，应以满足轧机“咬人”为前提，尽量降低钢坯出炉温度，以降低出炉烟气温度和加热炉综合能耗。 从节能减排角度出发，加热炉炉型结构不易太简单，炉顶还是有一些局部压下和起伏比较好，尤其是热回收段，其上部炉膛高度不宜和供热段一样设计太高，应适度下压，对烟气进行“扼流”。
在热回收段，烟气温度一般在900℃以下，钢坯获得的热量以对流传热为主。炉膛高度降低后，烟气流速增加，使综合给热系数显著提高。同时，炉膛高低减低，烟气对钢坯表面的贴附作用更加明显，也有利于热交换。
在工艺布置允许的前提下，加热炉有效长度，尤其是热回收段长度应适当加大，以充分利用热回收段来降低烟气温度，减少烟气带走的热损失。经初步估算，在700℃—850℃的温度范围内，热回收段长度每增加1m，排烟温度降低12℃—25℃。
当然，炉长增加后，炉体散热损失及水梁立柱冷却水带走的热量也相应增加，但这些损失与烟气温度降低带来的收益相比，要小得多。增加炉长也会带来一次性投资的增加，但从长远的运行成本来看，是节省的。
2、减少出炉烟气量
加热炉出炉烟气量的多少跟燃料种类、燃烧方式及过量空气系数α等有关（不做详述）。
3、高效空气和煤气预热器
尽管采取上面一些措施后出炉烟气温度有所下降，但一般轧钢加热炉的出炉烟气温度仍在750℃—820℃，烟气带走的热量还是很大。传统的余热回收方法是在烟道内设置高效空预器和煤气预热器对助燃空气和煤气进行预热。
根据烟气温度的不同，一般可以将助燃空气预热到490℃—550℃，煤气预热到260℃—300℃之间。助燃空气预热到500℃时，吨钢燃耗可降低0.2GJ，煤气预热到280℃时，吨钢燃耗可降低约0.07GJ。
4、蒸汽过热器
设置空预器和煤气预热器后，出预热器的烟气温度还有300℃—330℃，可以设一个蒸汽过热器，进一步回收烟气余热，将水梁立柱汽化冷却系统产生的饱和蒸汽过热后送往车间蒸汽管网，一般每100t/h加热炉正常生产时可产生3t/h—3.5t/h过热蒸汽供生产和生活使用。
5、热管余热蒸发器
出炉温度为750℃—820℃的烟气经过空预器、煤气预热器、蒸汽过热器后，到烟囱底部的温度已降至250℃—280℃，通过加装热管余热蒸发器，这部分烟气的余热还可以进一步加以回收利用。 采用热管余热蒸发器产生蒸汽。为了不影响加热炉的正常生产，我们在主烟道附近设一个旁通烟道来放置热管余热蒸发器，通过排烟风机将烟气从烟道闸板后的主烟道引出，利用烟气余热产生饱和蒸汽，供生产或生活使用。利用热管余热蒸发器，一般可将烟气温度从250℃降到150℃左右。
（1）热管蒸发器的结构和基本特性热管蒸发器是工业炉以及工业窑炉专用设备，安装在工业炉或工业窑炉烟口或烟道中，将烟气余热回收后将水加热产生蒸汽，供生活、生产使用或者发电。热管蒸发器主要由汽包、热管和烟箱组成。
运行时工业炉以及工业窑炉产生的废烟气从设备烟箱中通过，烟箱中的热管吸收烟气中的余热传到给汽包中的水，使水受热汽化，产生饱和蒸汽，蒸汽压力可达0.2—2.5MPa。
有效地解决了工业炉以及工业窑炉200℃—1100℃废气余热回收的技术难题。排烟温度最低可降至80度（防腐措施采用纳米防腐涂层），产生的蒸汽可提供生产和生活使用，也可用来发电，从而代替了原有的蒸汽燃烧器定制，可大量节约能源，提高企业经济效益。
（2）热管蒸发器的特点
1、结构紧凑，是普通换热器体积的1/3左右；
2、采用镍基钎焊翅片管技术，耐腐蚀，设备使用寿命长；
3、烟气侧阻力低,可以满足燃烧器定制内负压的要求，设备烟气侧热管采用的是翅片管,两侧门可打开,不容易积灰,清灰方便
4、热管单支点焊接，避免了应力破坏；
5、单根热管或部分热管损坏，两种介质不互串，不影响设备的正常使用。
6、 热管的等温性使管壁温度可全部控制在烟气露点之上,避免结露及低温酸露点腐蚀;
7、 热管余热蒸汽燃烧器定制放在主烟道的旁路上,热管余热蒸汽燃烧器定制的检修和清灰,不影响燃烧器定制或窑炉的正常运行。
8、寿命长，可达10年以上；
9、换热效率高，较传统换热设备热效率提高20%以上；
10、设备阻力低，阻力≤15mmH2O；
11、清灰安装简便
三、总结
烟气余热回收分两个不同阶段：一是从源头控制出炉烟气温度和烟气流量。这是最根本、最有效的节能手段；二是对排出的烟气余热进行梯级回收利用。除了传统的空预器、煤气预热器和蒸汽过热器以外，可以加装我公司自主研发设计制造的热管余热蒸发器或热管换热器，对一次余热利用后的低温烟气进行二次利用。
内容来源：烟气余热利用
本文从加热炉热平衡出发，分析了影响加热炉出炉烟气温度和烟气量的主要因素并提出了相应解决对策，详细介绍了加热炉烟气余热的梯级利用的方法（烟道气加装热管蒸发器产生饱和蒸汽）。 钢铁企业是国内主要的“高耗能”行业之一，轧钢加热炉是钢铁行业的能源消耗大户，因此，轧钢加热炉已成为我国节能的重要前沿阵地。虽然加热炉设计时已采取了一系列节能措施，但烟气实际排放温度还是较高，对烟气余热进行有效的回收利用，是加热炉节能的一项重要措施。
一、加热炉的热平衡
说到烟气的余热利用，先分析一下加热炉的热输入和热输出，即加热炉的热平衡。 图1为加热炉热平衡示意图，从图中可以看出，热输入项主要有Q1—Q5，热输出项主要有Q1’—Q7’。加热炉热平衡就是维持热输入和热输出相等，即：Q1 Q2 Q3 Q4 Q5=Q1’ Q2’ Q3’ Q4’ Q5’ Q6’ Q7’。 现在新设计的轧钢加热炉在炉体设计时采取了一系列节能措施，如采用复合内衬或全纤维内衬，加强炉体和炉门绝热，减少各种散热损失（Q3’ Q6’），水梁立柱采用双层绝热包扎，炉体其他水冷构件采用有效绝热，减少冷却水带走的热量Q5’。 从实际生产来看，加热炉出炉烟气带走的热量在热平衡中占的比例较高，一般可达30%—40%，这部分热量包括烟气物理热Q2’和燃料不完全燃烧带走的的化学热Q7’。有效回收这部分热量，对加热炉的节能意义重大。
二、烟气余热梯级利用的措施
加热炉出炉烟气带走的热量多少跟出炉烟气温度和烟气流量直接相关，因此回收利用烟气余热的主要策略如下：
（1）从源头做起，设法降低烟气出炉温度和烟气量。
（2）在烟道内设置空预器、煤气预热器、蒸汽过热器、热管余热蒸发器等设施回收烟气余热。
1、降低烟气出炉温度
加热炉出炉烟气温度的高低很工艺要求和钢坯出炉温度、加工工艺、加热炉炉型结构及长度、尤其是热回收段长度息息相关。 钢坯的出炉温度升高，为了保证钢坯加热质量，各供热段的设定炉温和出炉烟气温度也相应提高。另外，钢坯温度升高也带来吨钢能耗的增加。
因此，在实际生产中，应以满足轧机“咬人”为前提，尽量降低钢坯出炉温度，以降低出炉烟气温度和加热炉综合能耗。 从节能减排角度出发，加热炉炉型结构不易太简单，炉顶还是有一些局部压下和起伏比较好，尤其是热回收段，其上部炉膛高度不宜和供热段一样设计太高，应适度下压，对烟气进行“扼流”。
在热回收段，烟气温度一般在900℃以下，钢坯获得的热量以对流传热为主。炉膛高度降低后，烟气流速增加，使综合给热系数显著提高。同时，炉膛高低减低，烟气对钢坯表面的贴附作用更加明显，也有利于热交换。
在工艺布置允许的前提下，加热炉有效长度，尤其是热回收段长度应适当加大，以充分利用热回收段来降低烟气温度，减少烟气带走的热损失。经初步估算，在700℃—850℃的温度范围内，热回收段长度每增加1m，排烟温度降低12℃—25℃。
当然，炉长增加后，炉体散热损失及水梁立柱冷却水带走的热量也相应增加，但这些损失与烟气温度降低带来的收益相比，要小得多。增加炉长也会带来一次性投资的增加，但从长远的运行成本来看，是节省的。
2、减少出炉烟气量
加热炉出炉烟气量的多少跟燃料种类、燃烧方式及过量空气系数α等有关（不做详述）。
3、高效空气和煤气预热器
尽管采取上面一些措施后出炉烟气温度有所下降，但一般轧钢加热炉的出炉烟气温度仍在750℃—820℃，烟气带走的热量还是很大。传统的余热回收方法是在烟道内设置高效空预器和煤气预热器对助燃空气和煤气进行预热。
根据烟气温度的不同，一般可以将助燃空气预热到490℃—550℃，煤气预热到260℃—300℃之间。助燃空气预热到500℃时，吨钢燃耗可降低0.2GJ，煤气预热到280℃时，吨钢燃耗可降低约0.07GJ。
4、蒸汽过热器
设置空预器和煤气预热器后，出预热器的烟气温度还有300℃—330℃，可以设一个蒸汽过热器，进一步回收烟气余热，将水梁立柱汽化冷却系统产生的饱和蒸汽过热后送往车间蒸汽管网，一般每100t/h加热炉正常生产时可产生3t/h—3.5t/h过热蒸汽供生产和生活使用。
5、热管余热蒸发器
出炉温度为750℃—820℃的烟气经过空预器、煤气预热器、蒸汽过热器后，到烟囱底部的温度已降至250℃—280℃，通过加装热管余热蒸发器，这部分烟气的余热还可以进一步加以回收利用。 采用热管余热蒸发器产生蒸汽。为了不影响加热炉的正常生产，我们在主烟道附近设一个旁通烟道来放置热管余热蒸发器，通过排烟风机将烟气从烟道闸板后的主烟道引出，利用烟气余热产生饱和蒸汽，供生产或生活使用。利用热管余热蒸发器，一般可将烟气温度从250℃降到150℃左右。
（1）热管蒸发器的结构和基本特性热管蒸发器是工业炉以及工业窑炉专用设备，安装在工业炉或工业窑炉烟口或烟道中，将烟气余热回收后将水加热产生蒸汽，供生活、生产使用或者发电。热管蒸发器主要由汽包、热管和烟箱组成。
运行时工业炉以及工业窑炉产生的废烟气从设备烟箱中通过，烟箱中的热管吸收烟气中的余热传到给汽包中的水，使水受热汽化，产生饱和蒸汽，蒸汽压力可达0.2—2.5MPa。
有效地解决了工业炉以及工业窑炉200℃—1100℃废气余热回收的技术难题。排烟温度最低可降至80度（防腐措施采用纳米防腐涂层），产生的蒸汽可提供生产和生活使用，也可用来发电，从而代替了原有的蒸汽燃烧器定制，可大量节约能源，提高企业经济效益。
（2）热管蒸发器的特点
1、结构紧凑，是普通换热器体积的1/3左右；
2、采用镍基钎焊翅片管技术，耐腐蚀，设备使用寿命长；
3、烟气侧阻力低,可以满足燃烧器定制内负压的要求，设备烟气侧热管采用的是翅片管,两侧门可打开,不容易积灰,清灰方便
4、热管单支点焊接，避免了应力破坏；
5、单根热管或部分热管损坏，两种介质不互串，不影响设备的正常使用。
6、 热管的等温性使管壁温度可全部控制在烟气露点之上,避免结露及低温酸露点腐蚀;
7、 热管余热蒸汽燃烧器定制放在主烟道的旁路上,热管余热蒸汽燃烧器定制的检修和清灰,不影响燃烧器定制或窑炉的正常运行。
8、寿命长，可达10年以上；
9、换热效率高，较传统换热设备热效率提高20%以上；
10、设备阻力低，阻力≤15mmH2O；
11、清灰安装简便
三、总结
烟气余热回收分两个不同阶段：一是从源头控制出炉烟气温度和烟气流量。这是最根本、最有效的节能手段；二是对排出的烟气余热进行梯级回收利用。除了传统的空预器、煤气预热器和蒸汽过热器以外，可以加装我公司自主研发设计制造的热管余热蒸发器或热管换热器，对一次余热利用后的低温烟气进行二次利用。
内容来源：烟气余热利用
