直用罩退爐煙氣余熱烘干脫脂冷軋板技術實踐

唐 恩 劉紅亮 張 瑞 陶星伊 羅曉琴

(1.浙江工貿職業技術學院，2.大自然鋼業集團有限公司)

鋼鐵是僅次于電力的第二大耗能行業，其能耗約占全國總能耗的15%左右。鋼鐵工業主要以高溫冶煉、加工為主，生產過程中產生大量的余熱約占全部生產能耗的68%，高效回收利用這些余熱資源是降低鋼鐵行業能耗的重要手段[1]。

采用罩式退火爐加工生產冷軋板的企業，利用間接換熱器以預熱空氣的方式回收罩式退火爐低溫煙氣余熱，再將預熱空氣供冷軋板脫脂烘干線使用。由于間接換熱器效率低，回收熱量品質低，需蒸汽輔助預熱，導致能耗較大，成本高，無法充分利用余熱資源，達不到效益的最大化[2-4]。文章以某軋鋼企業為依托，設計并應用了直用煙氣無塵烘干脫脂冷軋板技術，不會對脫脂冷軋板質量產生有害影響，不僅替代了間接換熱，減少工廠能耗與生產成本，充分利用高溫煙氣余熱，而且烘干后的煙氣能安全、可靠的達標排放。

1 技術分析

1.1 烘干工藝現狀

某企業產品以SPCC冷軋板為主，年產40萬t冷軋板在脫脂后連續送入烘干箱，箱體高400 mm、寬1 800～2 000 mm、長3 500 mm，脫脂烘干速度300～400 m/min，采用罩式退火爐的低溫煙氣預熱空氣與輔助蒸汽預熱空氣混合烘干，烘干溫度約130 ℃，每個月消耗蒸汽400 t。

1.2 直用煙氣分析

該企業的罩式退火爐以天然氣為燃料，產生的煙氣中污染物主要包括粉塵顆粒物、SO2和NOx等，具體煙氣參見表1。該煙氣符合《軋鋼工業大氣污染物排放標準》(GB 28665-2012)中的排放濃度要求，對大氣污染影響小，實現了達標排放。

表1 退火爐煙氣參數

高溫煙氣能否直接用于快速烘干脫脂冷軋板，關鍵取決于是否會污染冷軋板表面，需要綜合考慮煙氣的特性并進行分析。

(1)碳顆粒影響分析

天然氣是理想的清潔能源，燃燒后基本沒有煙塵污染。僅在供氧不足的條件下，天然氣中的部分碳氫化合物才會受熱分解生成細小的炭黑。

工業生產燃燒系統空燃比一般為1.1～1.2，煙氣中氧含量在5%～8%，碳顆粒產生可能性小[5]。此外，高速運行的濕薄板在烘干箱內停留時間約為0.5 s，低溫下的碳顆粒對其浸潤性不強，影響較小。

(2)CO影響分析

退火爐正常運行時，由于空氣過量，一般不會產生CO。目前有20套退火爐同時生產使用，即使其中某套退火爐燃燒不充分產生了CO，由于單臺爐煙氣量僅占總處理煙氣量的1/20，且CO含量一般不會超過單爐煙氣量的5%，所以最后兌入總管中的CO含量仍較低。另外再考慮到漏風原因，CO實際含量更低。因此，CO對整個烘干環節基本無影響。但出于安全考慮，該項目仍設置監控裝置，防范CO中毒。

(3)SO2影響分析

SO2濃度不到12 mg/m3，顆粒含量低，近似痕跡。由于煙氣溫度在120 ℃以上，煙氣中的水未達到飽和狀態，無凝結水，SO2未與水反應形成酸性物質；如含有酸性較弱的H2S，腐蝕可能性較??；不會滲硫(滲硫發生條件：一般500 ℃以上保溫1～1.5 h)。

(4)NOx影響分析

NOx濃度較低僅為120 mg/m3，煙氣中無凝結水析出，不會反應形成硝酸[6]。因此，煙氣中NOx基本對鋼板沒有影響。

(5)熱量供給分析

原有方案(預熱空氣烘干)是煙氣換熱空氣與蒸汽換熱空氣的組合，將其送入烘干箱入口的運行參數與新方案(煙氣烘干)的設計參數進行初步核算對比，如表2所示。在烘干用氣量即工況流量相同的條件下，新方案進入烘干箱的總熱量預計能達到4 415 MJ，遠遠高于舊方案的2 976 MJ，表明直用煙氣烘干的供熱能力充足，完全能滿足烘干需要。

表2 新舊方案熱量供給條件

綜上所述，高溫煙氣能夠滿足直接用于快速烘干脫脂冷軋板的要求。

2 工藝設計

2.1 技術目標

在退火爐煙氣溫度200 ℃條件下，無需額外兌入蒸汽預熱空氣，煙氣能直接烘干脫脂后的冷軋板，對脫脂冷軋板質量不產生有害影響，烘干后的煙氣能安全、可靠排放。

2.2 工藝流程

結合煙氣特性，在煙道總管后，設置一套煙氣凈化系統。經過凈化后的煙氣，由原有引風機，經管道送入脫脂烘干箱中對脫脂冷軋板進行烘干，然后由烘干箱出口處的集氣罩收集后經煙囪排放。主要技術方案流程如圖1所示，其中煙氣凈化系統主要包括以下部分。

圖1 退火爐煙氣烘干冷軋板工藝

(1)重力粗除塵：利用重力作用，對上升管道煙氣中的顆粒物粗除塵，除去煙氣中的大顆粒物。垂直管道接近地面處設置集灰倉，避免底部垂直管道長時間工作后堆積顆粒物。

(2)布袋精除塵：經過重力粗除塵后的煙氣進入高溫布袋除塵器，進一步過濾細小的顆粒物，從而對煙氣中的顆粒物完全凈化。溫度過高時，兌冷風保護濾料。

(3)CO脫除吸附：增設一條旁通管道，在CO超標的情況下，打開閥門進入吸附環節，對CO進行凈化后再送入烘干使用。

2.3 主體設備選型

煙氣凈化的核心設備是除塵器，需根據煙氣及粉塵的物理化學性質、煙氣流量、粉塵濃度和粉塵允許排放濃度、壓力損失及除塵效率、投資成本、運行費用、占地、使用壽命、運行維護等綜合考慮?；谇笆黾夹g目標，對于含有細小顆粒的退火爐煙氣，根據表3各種除塵器對不同粒徑粉塵的除塵效率[7]可知，采用袋式除塵器和靜電除塵器凈化較為適宜，但靜電除塵器的除塵效率受顆粒物物理性質影響很大，且一次性投資相比較高，故此袋式除塵器較為合適；由于塵粒易在濾布上不斷累積造成壓力損失變大，而脈沖噴吹清灰方式可實現在線清灰降低壓力損失，工作效率高，處理風量大，時間間隔短，過濾風速高，除塵效率高達99%以上。綜上，選定脈沖噴吹袋式除塵器。

表3 除塵器的分類及基本性能

2.4 核心過濾材料選擇

退火爐煙氣的特點是發生量波動大、溫度高、粉塵粒徑小、吸附力強，因此，需著重考慮濾料的耐熱性、細顆粒過濾能力和耐阻性，從而進行濾袋的選擇。

(1)材質：實際工況正常溫度約為200 ℃，瞬時溫度在260 ℃，煙氣中顆粒較為細小，以小于50 μm的顆粒為主，選材需具有耐熱溫度高于260 ℃、能過濾細小顆粒、阻燃性好、氣體過濾阻力小等優點。

(2)濾袋形狀：扁形濾袋單位時間內過濾灰塵更多，布局緊湊；圓形濾袋結構上易于安裝，清灰方便，濾口貼合度較好且漏塵少。綜合考慮，該項目選擇圓形濾袋。由于已選定脈沖噴吹清灰方式，所以采取外濾式濾袋。

綜上所述，項目選用定制的耐高溫、超細顆粒凈化的圓形外濾式濾袋，濾袋框架采用靜電噴涂防腐工藝，在表面噴涂有機硅高溫涂料，以延長濾袋框架的使用壽命。

2.5 凈化參數計算

退火爐煙氣最高設計溫度260 ℃，正常工作溫度200 ℃，設計煙氣量為20 000 m3/h，含塵濃度為10 mg/m3。

(1)過濾面積A

A=Q/(60Vf)

式中：Q為布袋除塵器處理風量，20 000 m3/h；Vf為過濾速度，1.4 m/min。計算得A=238 m2。

(2)每條濾袋面積a

a=πdL

式中：d為濾袋直徑，0.130 m；L為濾袋高度，2.45 m。L/d=18.8符合濾袋長徑比18～23。計算得a=1.0 m2。

(3)濾袋條數n

n=A/a=238÷1.0=238條

2.6 主要設備規格參數

基于前述分析及計算，綜合排輸灰方式、濾袋長度、灰斗錐度、清灰方式、進出風方式確定除塵器規格為5 270 mm×1 530 mm×5 485 mm，采用下進口、外濾式、負壓系統安裝方式。濾袋較多時，可根據清灰方式及運行條件將濾袋分成若干組，間距取45 mm。濾袋與濾袋框架的長度匹配，框架底部與袋底間隙取20 mm，濾袋框架規格為Ф130 mm×2 450 mm，數量取整為240個。具體參數詳見表4。

表4 除塵器主要規格參數

3 應用效果

論證方案可行后，現場進行了利舊改造，拆除原有換熱設施，安裝新的煙氣凈化系統，經過72 h連續安裝同步調試后直接投入運行，正常煙氣溫度凈化前穩定在180～200 ℃，送入烘干箱溫度在170～190 ℃，烘干后溫度在160～180 ℃，煙氣中顆粒物濃度從凈化前的6 mg/m3降至0.1 mg/m3左右，PM2.5為0.04 mg/m3，PM10為0.06 mg/m3，取得了比較好的凈化效果。經現場檢測烘干后的冷軋板，烘干效率明顯提高，板上微小顆粒物有所減少，進一步提高了薄板表面潔凈度。

3.1 熱利用評價

舊方案是200 ℃低溫煙氣間接利用，通過換熱器預熱空氣，即110 ℃的10 000 m3預熱空氣供給脫脂烘干線使用，由于烘干效果差，需要同時補充約10 000 m3的蒸汽預熱的空氣混合使用，使得傳統工藝的熱利用效率僅為16%左右。因此，傳統工藝烘干脫脂冷軋板既不經濟，且熱效率低下。

新方案由于直接利用煙氣，因此進入烘干箱煙氣溫度達到190 ℃，烘干后煙氣溫度為180 ℃，仍有較高的利用價值，有利于實現能量梯級利用，后續煙氣可送至酸洗用于沖洗水的加熱，預計可提高煙氣余熱利用效率達50%以上。

3.2 節能效益評價

使用原技術時蒸汽流量約為0.5 t/h，按年運行時間330 d(8 000 h)計算，則年節約蒸汽量=0.5×8 000=4 000 t，按蒸汽費用340元/t估算，則年節約蒸汽費用=4 000×340=136萬元。

節省兩臺運行風機用電(75 kW)，節約電量=75×8 000=600 000 kWh，電費按0.86元/kWh計算，則節約電費=600 000×0.86=51.6萬元。

綜上，一年總共節約費用=136+51.6=187.6萬元，該項目改造投資包括除塵器本體、煙道改造、電儀設備等，在半年內即可收回全部實際投資成本。

4 結論

直接將凈化后的罩式退火爐煙氣應用于烘干的實踐表明：

(1)在保證生產安全的前提下，直接將凈化后的罩式退火爐煙氣直接用于烘干脫脂冷軋板工藝是完全可行的；

(2)煙氣直用烘干系統可使煙氣中顆粒物濃度降至0.1 mg/m3以下，對產品質量無影響，余熱利用效率提高，有利于拓寬煙氣余熱利用途徑；

(3)能源實現了梯級利用，能充分利用高溫煙氣余熱，凈化后的煙氣符合排放標準，不僅降低了生產和治理成本，而且能達到節能降耗的目的，具有較好的經濟效益和社會效益；

(4)煙氣直烘技術投資低，節能效益顯著，投資回收期短，是順應國家節能降耗政策下余熱資源高效利用的新技術，有利于企業升級優化，促進經濟發展。