王 林 劉 婧 吳仕明
（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司）
摘 要：以轉(zhuǎn)爐循環(huán)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，將高壓富裕能頭用于啟動(dòng)或加速自然循環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化用能，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能兼顧尾部煙道長(zhǎng)壽的雙贏效果。研究分析前部煙道的結(jié)構(gòu)缺陷，開發(fā)防大噴濺掛渣技術(shù)、隨動(dòng)密封裝置等，使前部煙道壽命提高2a以上，氮?dú)庀牧拷档图s90％。開發(fā)應(yīng)用了一系列高效節(jié)能核心動(dòng)力設(shè)備，解決了汽化冷卻系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量低、品質(zhì)差的共性技術(shù)難題，使得噸鋼產(chǎn)汽提高至100～130kg，排污系統(tǒng)熱損失減少 50％，除氧器排汽熱損失減少50％。
關(guān)鍵詞：汽化冷卻；復(fù)合循環(huán)；隨動(dòng)密封；超音速鍍膜；球蓄；除氧器
轉(zhuǎn)爐煉鋼在全球煉鋼工藝中產(chǎn)量占比約70.8％，是煉鋼生產(chǎn)的主要形式［1－ 3］。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，總熱量高達(dá)1116.2 MJ／t，是重要的二次能源［4－8］。
目前國(guó)內(nèi)外普遍采用汽化冷卻技術(shù)回收轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣余熱， 可降低煙溫、 回收蒸汽等。 現(xiàn)有汽化冷卻技術(shù)存在系統(tǒng)能耗大、設(shè)備故障率高、煙道壽命短、蒸汽產(chǎn)量低和品質(zhì)差等問題，已無(wú)法滿足鋼鐵行業(yè)升級(jí) 轉(zhuǎn)型的需求。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、 綠色發(fā)展，響應(yīng)國(guó)家雙碳號(hào)召，對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。
1 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)及優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)
1.1 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)主要用于回收轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾挠酂帷?轉(zhuǎn)爐汽化冷卻裝置由汽化冷卻煙道、 汽包、循環(huán)水管道、除氧器、給水泵、 高壓循環(huán)水泵、 低壓循環(huán)水泵等組成［4］。其中， 汽化冷卻煙道作為高溫?zé)煔廨斔偷奈ㄒ煌ǖ溃?是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備。 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)按照介質(zhì)通道可大致劃分為循環(huán)水系統(tǒng)、 蒸汽蓄熱系統(tǒng)、 給水系統(tǒng)、 氮封系統(tǒng)、 排污系統(tǒng)和雜項(xiàng)系統(tǒng)等［4］。 其中， 循環(huán)水系統(tǒng)通過與煙道換熱吸收高溫?zé)煔鈧?cè)的熱量，是汽化冷卻系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。 循環(huán)水系統(tǒng)有三種循環(huán)方式： 低壓強(qiáng)制循環(huán)、 高壓強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)。
1.2 優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)
汽水循環(huán)一般包括自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。自然循環(huán)僅依靠工質(zhì) （水和汽水混合物）的密度差克服沿程阻力損失和局部阻力損失并形成循環(huán)。 自然循環(huán)動(dòng)力應(yīng)滿足公式 （1） ［4］， 保證介質(zhì)能正常流通。
Pz ＝H × （ρ － ρ′）× 10-5＞ ∑ΔP （1）
式中：Pz為汽水介質(zhì)密度差產(chǎn)生的靜壓勢(shì)能，MPa；H為沿程高差，m； ρ 為水密度， kg／m3； ρ′為蒸汽密度，kg／m3； ∑ ΔP 為總阻力損失，MPa。
強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力是強(qiáng)制循環(huán)泵和汽水介質(zhì)密度差。強(qiáng)制循環(huán)泵和介質(zhì)密度差產(chǎn)生的動(dòng)力需克服介質(zhì)沿程和局部總阻力損失，并留有一定裕度。強(qiáng)制循環(huán)泵壓頭P應(yīng)滿足式 （2） ［9］。
P＋Pz＞ ∑ΔP （2）
在冶煉初期，自然循環(huán)介質(zhì)密度差較小，循環(huán)動(dòng)力不足，易在尾部轉(zhuǎn)角阻力較大處產(chǎn)生汽泡堆積 循環(huán)受阻現(xiàn)象，使得轉(zhuǎn)角處溫度較高，同一節(jié)圓管束流速、受熱不均，導(dǎo)致管束膨脹和收縮幅度不一致，最終在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生變形和破損，影響煙道壽命。
為避免上述問題，結(jié)合強(qiáng)制循環(huán)與自然循環(huán)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)， 提出優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)： 在自然循環(huán)啟動(dòng)初期，密度差接近于零，自然循環(huán)動(dòng)力不足，遷移強(qiáng)制循環(huán)的富裕動(dòng)壓頭補(bǔ)充自然循環(huán)的動(dòng)力源，改善自然循環(huán)流速分布不均、 動(dòng)力不足等問題， 使尾部煙道根據(jù)冶煉周期實(shí)現(xiàn)自然循 環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)的快速切換。
與傳統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)相比，優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)通過關(guān)鍵設(shè)備（射流裝置）將強(qiáng)制循環(huán)泵中的富裕能頭遷移以啟動(dòng)或加速自然循環(huán)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化用能，為自然循環(huán)初期提供可靠動(dòng)力，緩解尾部煙道熱負(fù)荷不均勻的問題，保證尾部煙道循環(huán)可靠有效。優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)解決了系統(tǒng)節(jié)能與煙道長(zhǎng)壽無(wú)法兼顧的技術(shù)難關(guān)， 在保證循環(huán)的同時(shí)提高系統(tǒng)能效。
工程實(shí)踐表明：在不增加電耗的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)爐煙道汽化冷卻優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)加強(qiáng)了尾部煙道循環(huán)效果，提高了受熱管冷卻效果，減少了煙道的漏水、漏汽現(xiàn)象，增加了產(chǎn)汽量的同時(shí)降低了煙道檢修率，延長(zhǎng)了煙道壽命。
2 煙道長(zhǎng)壽節(jié)能技術(shù)
2.1 新型隨動(dòng)密封裝置
活動(dòng)煙罩置于爐口正上方，以未燃法為主的轉(zhuǎn)爐煙氣處理方式，要求活動(dòng)煙罩升降順暢、 密封性能良好，以保證煤氣高效、高質(zhì)回收?；顒?dòng)煙罩與爐口固定段之間的密封屬于動(dòng)靜面密封，目前，國(guó)內(nèi)密封形式通常采用水密封、N2密封和機(jī)械密封等。水密封易在水封槽處積塵堵塞，故障率高，且具有安全隱患。N2密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量很少，運(yùn)行操作簡(jiǎn)便，但存在密封口大、N2消耗量多的缺點(diǎn)。機(jī)械密封能耗較低，轉(zhuǎn)爐周期性冶煉易造成機(jī)械密封變形，存在煙罩卡澀、泄漏煤氣的安全隱患，故障率較高，使用壽命短。
針對(duì)上述密封缺陷，深入研究國(guó)內(nèi)外活動(dòng)煙 罩密封結(jié)構(gòu)存在的問題［10］，借鑒其他領(lǐng)域動(dòng)靜面密封解決辦法，以縮小前部煙道中爐口固定段與活動(dòng)煙罩的間隙、輔以N2密封為思路，開發(fā)并應(yīng)用了活動(dòng)煙罩隨動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。
活動(dòng)煙罩隨動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，借助特定機(jī)構(gòu)彈性作用力使密封面大面積貼合煙道壁面，端部滾輪結(jié)構(gòu)能相對(duì)固定段煙道壁面上下滾動(dòng)，與壁面的微小空隙借助N2密封， 大大節(jié)省了N2的消耗量。
活動(dòng)煙罩隨動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效解決了活動(dòng)煙罩密封效果差、N2消耗量高、升降不暢等共性技術(shù)難題，可大幅度提升活動(dòng)煙罩的安全性與經(jīng)濟(jì)性。
2.2 煙道防大噴濺掛渣技術(shù)
國(guó)內(nèi)中小型轉(zhuǎn)爐普遍存在超負(fù)荷生產(chǎn)導(dǎo)致爐口固定段受熱管爆管、 漏水等問題。通過現(xiàn)場(chǎng)采集，對(duì)破損受熱管進(jìn)行宏觀外貌、金相顯微鏡、掃描電鏡分析，固定段受熱面掛渣導(dǎo)致受熱管受熱不均勻、傳熱惡化，引起受熱管爆管［11］。
針對(duì)爐口固定段容易掛渣問題，開發(fā)并應(yīng)用防大噴濺掛渣技術(shù)，又稱受熱面超音速鍍膜技術(shù)。受熱管煙氣側(cè)應(yīng)用一種煙道受熱面合金噴涂保護(hù)涂料，可有效減輕轉(zhuǎn)爐煙氣大顆粒粉塵對(duì)受熱面的直接沖刷磨損，降低受熱管表面粗糙度，當(dāng)轉(zhuǎn)爐大噴濺時(shí)受熱面不易掛渣。多個(gè)項(xiàng)目工程應(yīng)用實(shí)踐表明，防大噴濺掛渣技術(shù)可有效避免受熱面掛渣，保護(hù)受熱管，提高煙道壽命。
3 高效節(jié)能動(dòng)力設(shè)備
3.1 蒸汽濾潔器
轉(zhuǎn)爐周期性冶煉使得汽化冷卻系統(tǒng)負(fù)荷及汽包水位變化較大，造成汽包分離出的蒸汽含水量過高，輸送高溫高壓蒸汽的管道內(nèi)易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，損壞蒸汽管道及閥門。
蒸汽濾潔器是蒸汽外供蓄熱器前的過濾裝置，安裝于汽包出口蒸汽管道上，介于汽包和蓄熱器之間。工程實(shí)踐表明，蒸汽帶水率能降低至1％，有效提高了蒸汽品質(zhì)，避免了蒸汽管道帶水發(fā)生水錘現(xiàn)象， 提高管道輸送率5％ ～ 10％，濾除的潔凈凝結(jié)水可回收利用， 檢修量降低 90％ ，減少系統(tǒng)熱損失。
3.2 變壓式球形蒸汽蓄熱器
蓄熱器是汽化蒸汽蓄熱系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前工程常采用的變壓式蒸汽臥式蓄熱器普遍存在占地面積大、蒸汽含水率高、 疏水量大、 故障率高等問題。針對(duì)臥式球蓄的弊端，研發(fā)并應(yīng)用了變壓式球形蒸汽蓄熱器。
對(duì)球形蒸汽蓄熱器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)、汽水循環(huán)大空間的溫度場(chǎng)、冷熱頻繁交替工況下的大厚度金屬疲勞、內(nèi)部受沖擊元件的耐久性等方面做了深入細(xì)致的研究，在充熱、 液位、蒸汽脫水等方面突破常規(guī)技術(shù)， 具有如下特點(diǎn)［12－ 14］：
（1）內(nèi)部設(shè)置穩(wěn)定循環(huán)的充熱混合系統(tǒng)，呈環(huán)形多層均布，保證不產(chǎn)生溫度分層，不留充熱死區(qū)，充熱平穩(wěn)均勻；
（2）汽水分離裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，雙重分離結(jié)構(gòu)，汽空間是傳統(tǒng)臥式蓄熱器的二倍， 降低蒸汽含水率，滿足用戶蒸汽品質(zhì)需求；
（3）補(bǔ)、放水裝置環(huán)管布置，保持蓄熱器液位在合理范圍，液位測(cè)量采用安裝、檢修方便導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器。
與臥式蓄熱器相比，變壓式球形蒸汽蓄熱器占地節(jié)省50％ ～70％，散熱減少50％； 配套系統(tǒng)材料用量減少50％，總體投資降低25％ ～30％；汽空間大，蒸汽含水率低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修量少。
3.3 一體式長(zhǎng)效除氧器
現(xiàn)有熱力除氧一般采用帶除氧頭的除氧器。為了使鍋爐給水達(dá)到規(guī)定的含氧量，帶除氧頭的除氧器至少需要約15％～27％ 的鍋爐額定蒸發(fā)量，除氧后的蒸汽直接排放，能耗較高。 同時(shí)水箱上帶除氧頭，設(shè)備占地空間較大，配管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接管、檢修不便。
一體式長(zhǎng)效除氧器利用高效復(fù)合彈簧噴嘴及水箱內(nèi)部裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱力除氧器的除氧頭。霧化噴嘴利用彈簧調(diào)節(jié)，使給水在10％ ～110％ 負(fù)荷情況下都能良好成膜，更好地適應(yīng)變工況條件、減少除氧蒸汽耗量和排汽損失。一體式長(zhǎng)效除氧器由除氧器本體、平臺(tái)樓梯及附件組成。除氧器本體由殼體、支座、給水裝置、 彈簧噴嘴、阻流板、加熱蒸汽裝置、 再沸騰裝置及再循環(huán)管等組成。無(wú)除氧頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了常規(guī)除氧器結(jié)構(gòu)，降低了常規(guī)除氧器的安裝難度和廠房平臺(tái)設(shè)計(jì)要求。
3.4 提高設(shè)備壽命方向的創(chuàng)新
為滿足活動(dòng)煙罩的循環(huán)水配管隨活動(dòng)罩上下提升， 活動(dòng)煙罩與循環(huán)水管道間通常采用金屬軟管、 金屬補(bǔ)償器等連接。 因活動(dòng)煙罩升降罩頻繁， 金屬軟管或金屬補(bǔ)償器極易產(chǎn)生疲勞損壞。
單臺(tái)爐子大約需要6個(gè)金屬補(bǔ)償器，占用安裝空間大、檢修不便。針對(duì)舊連接方式的弊端， 研發(fā)并應(yīng)用活動(dòng)煙罩柔性裝置，單臺(tái)爐子只需2臺(tái)，壽命相對(duì)舊連接方式延長(zhǎng)2 ～3a， 同時(shí)具有運(yùn)行 安全、無(wú)泄漏等優(yōu)點(diǎn)。
為提高汽化冷卻泵組的使用壽命， 開發(fā)并應(yīng)用直降多濾除污器， 安裝于泵入口處， 既解決了常規(guī)的管道過濾器結(jié)構(gòu)無(wú)法承受高溫高壓的問題， 又解決了傳統(tǒng)除污器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 過濾流速高、 易堵塞的缺點(diǎn)。
為防止循環(huán)水管路中雜質(zhì)進(jìn)入煙道影響煙道使用壽命， 在煙道的各段循環(huán)水管路入口設(shè)置新型過濾裝置———受熱管防堵裝置。 受熱管防堵裝置內(nèi)設(shè)置過濾裝置， 通過多點(diǎn)支撐使得過濾裝置的受力較為分散， 具有較佳的承壓能力， 從根本上解決了裝設(shè)臨時(shí)過濾網(wǎng)容易使煙道受熱管堵塞的問題， 減少了煙道的檢修和更換次數(shù)， 保證整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。
4 應(yīng)用效果
4.1 節(jié)能減排和延長(zhǎng)煙道壽命
結(jié)合自然循環(huán)的環(huán)保節(jié)能、強(qiáng)制循環(huán)的循環(huán)效果好和煙道壽命長(zhǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)資源的綜合利用和平衡分配。與國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)相比，系統(tǒng)降耗30％，投資降低約50％，運(yùn)行成本減少50％以上； 煙道壽命大幅提高，活動(dòng)煙罩、 固定段和移動(dòng)段壽命由1 ～2a 提升至3 ～5a，中段和末段壽命由5～ 6a 提升至10a以上。 隨動(dòng)密封裝置的應(yīng)用使活動(dòng)煙罩密封用N2量減少90％。
4.2 降低系統(tǒng)故障率
受熱面超音速鍍膜技術(shù)克服了活動(dòng)煙罩、 固定段和移動(dòng)段煙道受熱面易掛渣、 受熱管易爆管漏水、 活動(dòng)煙罩圈梁易變形導(dǎo)致故障率頻發(fā)的技術(shù)缺陷， 降低了安全生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)， 保障生產(chǎn)順利運(yùn)行。 與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)產(chǎn)品相比， 受熱管水側(cè)阻力降低 １５％ ， 無(wú)汽堵爆管故障； 降低噴濺掛渣， 大大減少了過熱爆管事故的發(fā)生。
4.3 提高冷卻效果和蒸汽回收品質(zhì)
常規(guī)轉(zhuǎn)爐汽化技術(shù)中融入優(yōu)化用能復(fù)合循環(huán)、一體式長(zhǎng)效除氧器、變壓式球形蒸汽蓄熱器等技術(shù)后，在減少系統(tǒng)外部能源輸入的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了蒸汽產(chǎn)出的量質(zhì)并舉。汽化冷卻系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量最高可達(dá)130kg／t，排污熱損失減少50％，除氧器排汽熱損失減少50％，除氧自用蒸汽節(jié)省3％ 。
4.4 效益
汽化系統(tǒng)系列技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)了節(jié)電、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)保的綠色發(fā)展經(jīng)濟(jì)理念，具有低耗能、高效率、低排放的特點(diǎn)，噸鋼節(jié)能約14.11kgce、減排CO2約35.19kg、減排 SO2約0.12kg、 減排NOx 約 0.104kg，響應(yīng)國(guó)家雙碳政策號(hào)召，助力企業(yè)減碳綠色生產(chǎn)。
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