某炼钢厂120t转炉余热锅炉节能改造.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER某炼钢厂120 t转炉余热锅炉节能改造刘伟（宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900）【摘要】介绍了某炼钢厂2套120 t转炉余热锅炉节能改造技术及工程实践。通过优化汽化冷却烟道汽水循环系统，改造汽化冷却末段烟道为膜式壁全汽化结构，对烟道内部喷涂铬镍合金，采用新型纳米保温材料，锅炉给水及强制循环系统采用变频控制，运用智慧制造技术、全流程节能技术等技术，延长转炉余热锅炉的使用寿命，提高转炉余热锅炉的产汽能力。通过对蒸汽管网系统的优化，采用蒸汽蓄热器技术，保证了转炉炼钢产汽并网的稳定性和连续性，实现煤气回收约132 m3/t钢的情况下蒸汽回收大于100 kg/t钢。【关键词】转炉余热锅炉；汽化冷却；蓄热器；节能改造【中图分类号】TK229【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0061-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Energy-saving Renovation of 120 t converter Waste Heat Boiler in A Steel PlantLIU Wei(Baosteel Engineering Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)【Abstract】The article describes the energy-saving renovation technology and engineering practice of 2 sets of 120 t converter waste heat boilers in a steel plant.By optimizing the vapor-water circulation system of the vapor cooling flue,transforming the vapor cooling end flue into a membrane wall full-vaporization structure,spraying chrome-nickel alloy on the inside of the flue,adopting a new type of nano thermal insulation material,setting frequency control for the boiler feed water and forced circulation system,and applying a series of modifications such as intelligent manufacturing technology and whole-process energy-saving technology,it can prolong the service life and improve the steam production capacity of the converter waste heat boiler.Through the optimization of the steam pipe network system and the adoption of steam accumulator technology,the stability and continuity of the steam production of the converter steelmaking are ensured,and the steam recovery of more than 100 kg/t of steel is achieved with the gas recovery of about 132 m3/t of steel.【Keywords】converter waste heat boiler;vaporization cooling;heat accumulator;energy saving retrofit前言某炼钢厂1号、2号转炉均为容量120 t的复吹转炉，配套的转炉余热锅炉2002年投产，其余热回收系统的设计、设备设计及制造水平与现在相比较为落后。2套转炉余热锅炉均采用中压强制循环和中压自然循环相结合的循环方式，其中活动烟罩、炉口移动段均采用中压强制循环，固定烟道和固定烟道采用中压自然循环，下料口、氧枪口采用净循环水冷却，末段烟道为绝热烟道，防爆门及人孔门采用净循环水冷却，除氧器采用大气式除氧器，除氧用蒸汽取自余热锅炉蒸汽母管，余热锅炉蒸汽回收量约为7080 kg/t钢。2套余热锅炉已运行了20年，水冷管磨损、腐蚀减薄严重，经常发生漏水事故。末段烟道绝热耐材寿命约为2年，生产时经常损坏，平均一个月有3次检修，每次维修工作量612023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER6 h，存在安全隐患，严重影响转炉的正常生产。余热锅炉保温材料为岩棉，保温层厚度较大，保温后表面积较大，散热损失严重，不利于热量的回收利用。2套余热锅炉汽水系统未单独分开，相互之间干扰严重，不利于余热锅炉的稳定运行。蒸汽回收远低于行业平均水平，控制系统老旧，已经跟不上现今智能化、智慧化的时代节奏，对此转炉余热锅炉系统进行改造非常必要。转炉工艺生产数据及烟气参数详见表1。1 改造总体方案本次转炉余热锅炉改造采用未燃法，即在转炉冶炼的过程中，利用转炉余热锅炉活动烟罩的升降、炉口差压和风机风量控制炉气的燃烧份额，空气过剩系数最大为0.3。转炉余热锅炉系统设备整体更换，转炉余热锅炉采用全汽化型式，烟道直径和分段保持不变，仍分为5段：活动烟罩、炉口移动段、固定烟道、固定烟道、末段烟道。转炉余热锅炉水循环系统采用低压强制循环、中压强制循环和自然循环汽化相结合的复合循环方式。活动烟罩、加料口水冷套、氧枪口水冷套、副枪口水冷套采用低压强制循环，与除氧器组成除氧系统。热负荷较高的炉口移动段烟道、末段烟道、固定烟道上的防爆门采用中压强制循环。固定烟道、固定烟道采用自然循环。人孔门采用水冷结构。活动烟罩和炉口移动段之间采用蒸汽密封，活动烟罩上设置机械密封挡板。氧枪口采用蒸汽密封，下料口采用氮气密封。将转炉余热锅炉系统的汽包扩容到 60 m3，并新增中压强制循环系统。优化余热锅炉系统和热力管道，将1号、2号转炉汽化冷却系统分开，形成独立系统。新增PLC控制系统及检测仪表、阀门等，实现转炉余热锅炉系统的自动控制。改造后转炉余热锅炉的主要技术参数详见表2。因高炉大修的窗口时间限制，本改造需要在90天内完成2套转炉余热锅炉系统的改造。改造内容为：首先在转炉车间脱硫跨新建除氧器平台及电气室，布置新增0.6 MPa高压除氧器及电气设备，并在平台下部布置锅炉给水泵、低压循环泵、水箱、加药装置等。在现有蓄热器站附近的空地上，新建1套400 m3的球形蓄热器，并安装相关汽水管道。高炉大修时，拆除现有的转炉余热锅炉、现有高跨布置的2台80 m3蓄热器、车间平台布置的2台大气式除氧器及相关中压循环系统管道，置换出转炉工艺设备的检修空间，用于安装新的转炉余热锅炉系统及中压循环管道系统。2 转炉余热锅炉的改造为尽可能回收烟气余热，在满足使用功能的前提下，将烟气余热应收尽收，采用的技术主要为以下几个方面。2.1 转炉余热锅炉本体优化余热锅炉汽化冷却烟道的直径2 650 mm保持不变，分段仍为5段，本改造将末端烟道由绝热烟道改造为强制循环全膜式壁结构汽化冷却烟道，水冷壁采用D38 mm 5 mm的高压锅炉管，材质20G，管子中间用同材质的扁钢。在进口集箱受热管入口处安装可拆卸节流装置，使每根受热管流量分配均匀。在烟道内部设置螺旋型不锈钢导流板，大大降低锅炉受热管内两相流分层现象，提高换热效果，可有效防止爆管的发生1，避免了烟气对耐材的冲表1 转炉工艺生产数据及烟气参数项目转炉工程容量/t转炉最大出钢量/(t/炉)平均冶炼周期/min吹氧时间/min最大炉气量/(m3/h)最大烟气量/(m3/h)烟气温度/烟气主要成分技术参数12014032131473 00085 000145CO：86%；CO2：10%；N2：4%表2 转炉余热锅炉的主要技术参数项目余热锅炉入口烟气量/(m3/h)余热锅炉入口炉气温度/余热锅炉出口烟气温度/CO燃烧系数汽包额定压力/MPa除氧器额定压力/MPa吹炼期瞬时产汽量/(t/h)冶炼期平均产汽量/(t/h)一炉钢产汽量/(t/h)吨钢产汽量/kg主要技术参数85 0001 2001 400约9000.12.50.6约5622.5约12100622023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER刷，有效增加汽化冷却烟道的寿命，大大减少了维修工作量。通过设置的膜式壁结构汽化冷却烟道带走热量，生产饱和蒸汽，降低了汽化冷却烟道的排烟温度。改造后运行3个月的数据显示：比改造前降低排烟温度80100，增加蒸汽产量2030 kg/t钢，并减少了转炉一次除尘系统的喷水量，实现平均煤气回收约132 m3/t钢的情况下，蒸汽平均产量大于100 kg/t钢，使系统更加节能。2.2 余热锅炉循环系统改造优化本改造将现有中压强制循环和自然循环方式，改造为低压强制循环、中压强制循环、自然循环的复合循环方式。活动烟罩、加料口水冷套、氧枪口水冷套、副枪口水冷套采用低压强制循环，与除氧器组成除氧低压循环系统。热负荷较高的炉口移动段烟道、末段烟道、固定烟道上的防爆门采用中压强制循环；固定烟道、固定烟道采用自然循环，与锅炉汽包组成中压循环系统。低压循环泵、锅炉给水泵、中压循环泵等全部采用变频控制。将 原 有 大 气 式 除 氧 器 改 造 为 高 压 除 氧 器 （0.6 MPa），除氧器、活动烟罩、氧枪口、下料口水冷套组成低压强制循环系统，通过低压强制循环带走上述设备的热量，补充少量蒸汽从而实现除氧系统自除氧。提高除氧器的压力，可以防止除氧器发生自沸腾，并可使除氧器滑压运行，保证余热锅炉系统的运行安全。除氧器压力的提高可降低除氧水中含氧量，提高锅炉给水温度，从而提高受热面的壁面温度，也可提高锅炉的产汽量，并减轻锅炉受热面低温腐蚀情况，延长锅炉使用寿命。低压循环各部分循环水量详见表3。汽水中压循环系统采用强制循环和自然循环相结合的复合循环方式。热负荷较高的炉口移动段烟道、末段烟道、固定烟道上的防爆门采用中压 强 制循环，系统循环水量 1 150 m3/h，汽包压力 2.5 MPa，汽包容积60 m3，增大汽水分离空间，增加吹氧期间汽包液位的安全和稳定。强制循环系统的循环泵全部采用变频控制，根据负荷变化调节循环水量。在非吹氧期间低流量运行，减少系统的散热损失；在吹氧期间根据冶炼强度自动调节循环水量，保证带走足够的热量。将余热锅炉固定烟道 段、固定烟道段部分设计为自然循环，通过热动力推动系统内热水自然循环，可减少系统电耗。转炉余热锅炉在每个冶炼周期的非吹炼期间，自然循环的固定烟道段、固定烟道段温度上升缓慢或受热不均匀，难以形成理想状态的自然循环，可能会局部过热造成受热管的损坏。本改造在中压自然循环系统及中压强制循环系统之间设置三通引流装置，在冶炼周期启动时开启引流装置，使自然循环具有可靠的循环回路，有效保护设备的使用寿命和可靠性，使整个水循环系统更加节能，并可有效减少系统的散热损失，汽水分配更为合理，循环水受热均匀、流畅、安全、可靠。将原有2套互相关联的转炉余热锅炉汽化冷却汽水系统分开，形成独立单元制的汽水系统，减少2座转炉余热锅炉系统之间的干扰影响，避免产出大量蒸汽导致的蒸汽放散。2.3 烟道内部喷涂铬镍合金，延长烟道寿命在转炉冶炼过程中，转炉内的活动烟罩、移动段烟道的钢液易喷溅到水冷壁上，出现结渣现象，烟道内的烟尘也易粘接在烟道的受热面上，这些情况容易造成该区域受热面管子受热不均匀，造成局部过热而损坏。采用受热面内表面喷涂耐高温耐腐蚀涂层的方法可以有效缓解由烟尘及钢液喷溅对受热面造成的损害。在烟道内锅炉管表面超音速电弧喷涂NiCr合金材料，以及喷涂其他合金涂层等方法2已经在国内外取得了良好的效果。本项目改造时在活动烟罩、移动段烟罩内部全喷涂耐磨、耐侵蚀、耐黏渣烧蚀、抗热疲劳、且其热膨胀系数与碳钢接近的铬镍合金，复合涂层的厚度X：0.35 mmX0.50 mm，涂层的主要成份为镍、铬、钼、稀土合金，可有效减轻高温液态渣和少量钢水喷溅到烟罩靠近炉口的水冷壁表面产生黏渣烧蚀，减少烟道局部过热、变形、热疲劳、侵蚀减薄、开裂等现象。经热喷涂处理后，转炉烟罩在正常使用状况下，涂层无脱落、起皮、裂纹等缺陷，在一定使用期内不需对喷涂层进行修补，从而延长汽化冷却烟道的使用寿命，减少维护和维修时间，提高设备生产作业率。2.4 采用新型绝热材料转炉余热锅炉系统采用新型的气凝胶纳米绝表3 低压循环系统循环水量 单位：m3/h 项目活动烟罩加料口水冷套氧枪口水冷套副枪口水冷套循环水量3002305030632023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER热材料保温，其耐高温，长期使用温度达600，隔热效果好，持久耐热，取得同等隔热效果，厚度仅为传统材料的五分之一，增大了操作空间，便于操作维护。纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效限制固态热传导和气态热传导，因此具有优异的绝热性能3。纳米三维网格结构提供了很好的高温稳定性，避免传统材料因振动而产生变形堆积和保温性能急剧下降的现象。安全环保，不含对人体有害物质，可溶出氯离子含量很小。憎水性和可透气性强，可防止液态水接触设备表面。无机环保，材料整体为无机组成，废弃料可填埋处理。抗压、抗拉、抗裂能力强，有较好的柔性与抗拉、抗压强度，可抵抗野蛮施工，长期使用不沉降、变形。隔声抗振，对设备进行保温的同时，还可以起到吸声降噪、缓冲振动等功能，提高环境质量，保护设备。2.5 设备布置优化原设计较为紧凑，不便于操作维护，本次改造将现有高跨布置的2台80 m3蓄热器拆除，在现有蓄热器站附近的空地设置1套400 m3的球形蓄热器。拆除车间平台布置的2台大气式除氧器，改造为高压除氧器并布置在渣跨新增的除氧平台上。新增1套400 m 3球形蓄热器，其占地面积少，可有效缓冲转炉余热锅炉产汽的间断性和波动性，把转炉余热锅炉短时间产出的间断、波动的大量蒸汽存储下来，避免蒸汽放散，并变成连续、稳定的汽源送入蒸汽管网，有效减少对蒸汽管网的冲击。其表面积相对较小，散热较少有利于节能；蒸汽空间较大，可有效汽水分离，蒸汽品质有保证；结构简单、维修量少，减轻了劳动强度。2.6 智慧制造及全流程节能2套转炉余热锅炉各设1套PLC系统和操作站。转炉余热锅炉系统的电气传动及自动化设备全部更新，新增HMI画面和原有的系统进行整合，烟气、汽水流程设置相应的压力、温度、流量、液位等远传仪表，并在HMI上监视。根据生产和控制需要，自动化系统设置了必要的人机接口装置，提高了余热锅炉系统的自动化程度和安全操作的稳定性。汽包及除氧器液位控制采用三冲量控制，并设置12套高清彩色网络型摄像机，用来监视锅炉、除氧器、水箱、蓄热器等重要设备的液位，推动数智化技术与钢铁制造的融合。3 结论本项目通过一系列的节能改造，降低了余热锅炉排烟温度80100，增加了蒸汽产量2030 kg/t钢，并减少了转炉一次除尘系统的喷水量，实现平均煤气回收约132 m3/t钢的情况下，蒸汽平均产量大于100 kg/t钢，使系统更加节能。项目改造后，节约能源折标煤 5 117 t/a，减少排放 CO2约 12 700 t/a。并通过优化布置，在90天有效的窗口期完成了2套转炉余热锅炉系统的改造，具有一定的借鉴和推广意义。参 考 文 献 1 王林，周春丽，石瑞松.150 t转炉汽化冷却系统改造设计与应用J.冶金能源，2013，32（1）：55-58.2 Mogan-Warren E J.Thermal spraying for boiler tube protection J，Weld，1992（12）：25-31.3 沈军，周斌，吴广明，等.纳米孔超级绝热材料气凝胶的制备与热学特性 J.过程工程学报，2002，2（4）：341-345.收稿日期：2022-12-09作者简介：刘伟（1980-），男，硕士研究生，高级工程师，现从事热能动力工程、余热回收利用等工程及研究工作。64