王 林 劉 婧 吳仕明
（中冶京誠工程技術有限公司）
摘 要：以轉爐循環水系統為研究對象，將高壓富裕能頭用于啟動或加速自然循環，實現系統的優化用能，達到系統節能兼顧尾部煙道長壽的雙贏效果。研究分析前部煙道的結構缺陷，開發防大噴濺掛渣技術、隨動密封裝置等，使前部煙道壽命提高2a以上，氮氣消耗量降低約90％。開發應用了一系列高效節能核心動力設備，解決了汽化冷卻系統蒸汽產量低、品質差的共性技術難題，使得噸鋼產汽提高至100～130kg，排污系統熱損失減少 50％，除氧器排汽熱損失減少50％。
關鍵詞：汽化冷卻；復合循環；隨動密封；超音速鍍膜；球蓄；除氧器
轉爐煉鋼在全球煉鋼工藝中產量占比約70.8％，是煉鋼生產的主要形式［1－ 3］。轉爐煉鋼過程中會產生大量煙氣，總熱量高達1116.2 MJ／t，是重要的二次能源［4－8］。
目前國內外普遍采用汽化冷卻技術回收轉爐煉鋼煙氣余熱， 可降低煙溫、 回收蒸汽等。 現有汽化冷卻技術存在系統能耗大、設備故障率高、煙道壽命短、蒸汽產量低和品質差等問題，已無法滿足鋼鐵行業升級 轉型的需求。為實現節能減排、 綠色發展，響應國家雙碳號召，對轉爐汽化冷卻系統進行技術創新。
1 轉爐汽化冷卻系統及優化用能復合循環
1.1 轉爐汽化冷卻系統
轉爐汽化冷卻系統主要用于回收轉爐冶煉產生的高溫煙氣的余熱。 轉爐汽化冷卻裝置由汽化冷卻煙道、 汽包、循環水管道、除氧器、給水泵、 高壓循環水泵、 低壓循環水泵等組成［4］。其中， 汽化冷卻煙道作為高溫煙氣輸送的唯一通道， 是整個系統的核心設備。 轉爐汽化冷卻系統按照介質通道可大致劃分為循環水系統、 蒸汽蓄熱系統、 給水系統、 氮封系統、 排污系統和雜項系統等［4］。 其中， 循環水系統通過與煙道換熱吸收高溫煙氣側的熱量，是汽化冷卻系統的核心系統。 循環水系統有三種循環方式： 低壓強制循環、 高壓強制循環和自然循環。
1.2 優化用能復合循環
汽水循環一般包括自然循環和強制循環。自然循環僅依靠工質 （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。 自然循環動力應滿足公式 （1） ［4］， 保證介質能正常流通。
Pz ＝H × （ρ － ρ′）× 10-5＞ ∑ΔP （1）
式中：Pz為汽水介質密度差產生的靜壓勢能，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。
強制循環系統的動力是強制循環泵和汽水介質密度差。強制循環泵和介質密度差產生的動力需克服介質沿程和局部總阻力損失，并留有一定裕度。強制循環泵壓頭P應滿足式 （2） ［9］。
P＋Pz＞ ∑ΔP （2）
在冶煉初期，自然循環介質密度差較小，循環動力不足，易在尾部轉角阻力較大處產生汽泡堆積 循環受阻現象，使得轉角處溫度較高，同一節圓管束流速、受熱不均，導致管束膨脹和收縮幅度不一致，最終在轉角處產生變形和破損，影響煙道壽命。
為避免上述問題，結合強制循環與自然循環的特點及優勢， 提出優化用能復合循環： 在自然循環啟動初期，密度差接近于零，自然循環動力不足，遷移強制循環的富裕動壓頭補充自然循環的動力源，改善自然循環流速分布不均、 動力不足等問題， 使尾部煙道根據冶煉周期實現自然循 環和強制循環的快速切換。
與傳統循環系統相比，優化用能復合循環系統通過關鍵設備（射流裝置）將強制循環泵中的富裕能頭遷移以啟動或加速自然循環而實現系統的優化用能，為自然循環初期提供可靠動力，緩解尾部煙道熱負荷不均勻的問題，保證尾部煙道循環可靠有效。優化用能復合循環系統解決了系統節能與煙道長壽無法兼顧的技術難關， 在保證循環的同時提高系統能效。
工程實踐表明：在不增加電耗的基礎上，轉爐煙道汽化冷卻優化用能復合循環系統加強了尾部煙道循環效果，提高了受熱管冷卻效果，減少了煙道的漏水、漏汽現象，增加了產汽量的同時降低了煙道檢修率，延長了煙道壽命。
2 煙道長壽節能技術
2.1 新型隨動密封裝置
活動煙罩置于爐口正上方，以未燃法為主的轉爐煙氣處理方式，要求活動煙罩升降順暢、 密封性能良好，以保證煤氣高效、高質回收。活動煙罩與爐口固定段之間的密封屬于動靜面密封，目前，國內密封形式通常采用水密封、N2密封和機械密封等。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密封結構簡單，維護工作量很少，運行操作簡便，但存在密封口大、N2消耗量多的缺點。機械密封能耗較低，轉爐周期性冶煉易造成機械密封變形，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。
針對上述密封缺陷，深入研究國內外活動煙 罩密封結構存在的問題［10］，借鑒其他領域動靜面密封解決辦法，以縮小前部煙道中爐口固定段與活動煙罩的間隙、輔以N2密封為思路，開發并應用了活動煙罩隨動密封結構。
活動煙罩隨動密封結構，借助特定機構彈性作用力使密封面大面積貼合煙道壁面，端部滾輪結構能相對固定段煙道壁面上下滾動，與壁面的微小空隙借助N2密封， 大大節省了N2的消耗量。
活動煙罩隨動密封結構的應用有效解決了活動煙罩密封效果差、N2消耗量高、升降不暢等共性技術難題，可大幅度提升活動煙罩的安全性與經濟性。
2.2 煙道防大噴濺掛渣技術
國內中小型轉爐普遍存在超負荷生產導致爐口固定段受熱管爆管、 漏水等問題。通過現場采集，對破損受熱管進行宏觀外貌、金相顯微鏡、掃描電鏡分析，固定段受熱面掛渣導致受熱管受熱不均勻、傳熱惡化，引起受熱管爆管［11］。
針對爐口固定段容易掛渣問題，開發并應用防大噴濺掛渣技術，又稱受熱面超音速鍍膜技術。受熱管煙氣側應用一種煙道受熱面合金噴涂保護涂料，可有效減輕轉爐煙氣大顆粒粉塵對受熱面的直接沖刷磨損，降低受熱管表面粗糙度，當轉爐大噴濺時受熱面不易掛渣。多個項目工程應用實踐表明，防大噴濺掛渣技術可有效避免受熱面掛渣，保護受熱管，提高煙道壽命。
3 高效節能動力設備
3.1 蒸汽濾潔器
轉爐周期性冶煉使得汽化冷卻系統負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易出現水錘現象，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。工程實踐表明，蒸汽帶水率能降低至1％，有效提高了蒸汽品質，避免了蒸汽管道帶水發生水錘現象， 提高管道輸送率5％ ～ 10％，濾除的潔凈凝結水可回收利用， 檢修量降低 90％ ，減少系統熱損失。
3.2 變壓式球形蒸汽蓄熱器
蓄熱器是汽化蒸汽蓄熱系統的核心設備。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。針對臥式球蓄的弊端，研發并應用了變壓式球形蒸汽蓄熱器。
對球形蒸汽蓄熱器結構的應力場、汽水循環大空間的溫度場、冷熱頻繁交替工況下的大厚度金屬疲勞、內部受沖擊元件的耐久性等方面做了深入細致的研究，在充熱、 液位、蒸汽脫水等方面突破常規技術， 具有如下特點［12－ 14］：
（1）內部設置穩定循環的充熱混合系統，呈環形多層均布，保證不產生溫度分層，不留充熱死區，充熱平穩均勻；
（2）汽水分離裝置采用模塊化設計，雙重分離結構，汽空間是傳統臥式蓄熱器的二倍， 降低蒸汽含水率，滿足用戶蒸汽品質需求；
（3）補、放水裝置環管布置，保持蓄熱器液位在合理范圍，液位測量采用安裝、檢修方便導波雷達液位變送器。
與臥式蓄熱器相比，變壓式球形蒸汽蓄熱器占地節省50％ ～70％，散熱減少50％； 配套系統材料用量減少50％，總體投資降低25％ ～30％；汽空間大，蒸汽含水率低；結構簡單，維修量少。
3.3 一體式長效除氧器
現有熱力除氧一般采用帶除氧頭的除氧器。為了使鍋爐給水達到規定的含氧量，帶除氧頭的除氧器至少需要約15％～27％ 的鍋爐額定蒸發量，除氧后的蒸汽直接排放，能耗較高。 同時水箱上帶除氧頭，設備占地空間較大，配管結構復雜，接管、檢修不便。
一體式長效除氧器利用高效復合彈簧噴嘴及水箱內部裝置，代替傳統熱力除氧器的除氧頭。霧化噴嘴利用彈簧調節，使給水在10％ ～110％ 負荷情況下都能良好成膜，更好地適應變工況條件、減少除氧蒸汽耗量和排汽損失。一體式長效除氧器由除氧器本體、平臺樓梯及附件組成。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管等組成。無除氧頭設計簡化了常規除氧器結構，降低了常規除氧器的安裝難度和廠房平臺設計要求。
3.4 提高設備壽命方向的創新
為滿足活動煙罩的循環水配管隨活動罩上下提升， 活動煙罩與循環水管道間通常采用金屬軟管、 金屬補償器等連接。 因活動煙罩升降罩頻繁， 金屬軟管或金屬補償器極易產生疲勞損壞。
單臺爐子大約需要6個金屬補償器，占用安裝空間大、檢修不便。針對舊連接方式的弊端， 研發并應用活動煙罩柔性裝置，單臺爐子只需2臺，壽命相對舊連接方式延長2 ～3a， 同時具有運行 安全、無泄漏等優點。
為提高汽化冷卻泵組的使用壽命， 開發并應用直降多濾除污器， 安裝于泵入口處， 既解決了常規的管道過濾器結構無法承受高溫高壓的問題， 又解決了傳統除污器結構簡單、 過濾流速高、 易堵塞的缺點。
為防止循環水管路中雜質進入煙道影響煙道使用壽命， 在煙道的各段循環水管路入口設置新型過濾裝置———受熱管防堵裝置。 受熱管防堵裝置內設置過濾裝置， 通過多點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臨時過濾網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， 保證整個循環水系統的正常安全運行。
4 應用效果
4.1 節能減排和延長煙道壽命
結合自然循環的環保節能、強制循環的循環效果好和煙道壽命長的技術優勢，優化用能復合循環冷卻系統實現了全系統資源的綜合利用和平衡分配。與國外同類產品技術相比，系統降耗30％，投資降低約50％，運行成本減少50％以上； 煙道壽命大幅提高，活動煙罩、 固定段和移動段壽命由1 ～2a 提升至3 ～5a，中段和末段壽命由5～ 6a 提升至10a以上。 隨動密封裝置的應用使活動煙罩密封用N2量減少90％。
4.2 降低系統故障率
受熱面超音速鍍膜技術克服了活動煙罩、 固定段和移動段煙道受熱面易掛渣、 受熱管易爆管漏水、 活動煙罩圈梁易變形導致故障率頻發的技術缺陷， 降低了安全生產事故發生的風險， 保障生產順利運行。 與國內外同類技術產品相比， 受熱管水側阻力降低 １５％ ， 無汽堵爆管故障； 降低噴濺掛渣， 大大減少了過熱爆管事故的發生。
4.3 提高冷卻效果和蒸汽回收品質
常規轉爐汽化技術中融入優化用能復合循環、一體式長效除氧器、變壓式球形蒸汽蓄熱器等技術后，在減少系統外部能源輸入的同時，實現了蒸汽產出的量質并舉。汽化冷卻系統蒸汽產量最高可達130kg／t，排污熱損失減少50％，除氧器排汽熱損失減少50％，除氧自用蒸汽節省3％ 。
4.4 效益
汽化系統系列技術創新體現了節電、節水、節材、環保的綠色發展經濟理念，具有低耗能、高效率、低排放的特點，噸鋼節能約14.11kgce、減排CO2約35.19kg、減排 SO2約0.12kg、 減排NOx 約 0.104kg，響應國家雙碳政策號召，助力企業減碳綠色生產。
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