齊立東①
( 北京首鋼股份有限公司河北遷安064404)
摘 要 北京首鋼股份有限公司4000m3高爐熱風(fēng)爐通過技術(shù)改造采用一種先進(jìn)的高效節(jié)能型預(yù)熱器－板式煤氣預(yù)熱器取代原管式預(yù)熱器，效果顯著。技術(shù)改造的結(jié)果表明，原煤氣預(yù)熱器失效的主要原因是熱管損壞失效超過總數(shù)的一半以上，煤氣預(yù)熱溫度只能達(dá)到40℃，嚴(yán)重影響到了煙氣余熱的回收，造成熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率降低、燃料消耗增加，設(shè)備維護(hù)成本大幅升高。技術(shù)改造后，熱風(fēng)爐系統(tǒng)整體熱效率大幅提高，高爐煤氣消耗有效降低、便于設(shè)備維護(hù)，節(jié)約生產(chǎn)成本。
關(guān) 鍵 詞 熱風(fēng)爐 煤氣預(yù)熱器 改進(jìn) 節(jié)能
1 概述
北京首鋼股份有限公司( 以下簡稱首鋼股份公司) 三高爐爐容4000m3，熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置4 座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，運行方式為交叉并聯(lián)2 燒2 送，煤氣采用低溫預(yù)熱，助燃空氣采用預(yù)熱爐高溫預(yù)熱，目前送風(fēng)平均風(fēng)溫1170℃。熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣一部分用于預(yù)熱高爐煤氣，一部分通過煙氣旁通管進(jìn)入煙囪放散，預(yù)熱爐產(chǎn)生的煙氣直接進(jìn)入煙囪放散。煙氣溫度250～330℃，平均溫度290℃。
高爐熱風(fēng)爐煤氣預(yù)熱原設(shè)計采用低溫?zé)峁茴A(yù)熱器，2010 年投入使用兩年左右出現(xiàn)預(yù)熱效果下降的問題，2014 年8 月三高爐煤氣換熱器卡盲板開始檢漏，三爐煤氣預(yù)熱器共安裝管束34 排，19排管束內(nèi)泄不能繼續(xù)使用，其余外泄管束處理完成可恢復(fù)15 排繼續(xù)使用，檢修費用30 萬元。2015 年1 月16 日煤氣預(yù)熱器投入使用煤氣預(yù)熱溫度110℃，三周后煤氣預(yù)熱效果逐步下降，進(jìn)入5 月份煤氣預(yù)熱溫度降低至40℃。因此決定將原高爐煤氣熱管預(yù)熱器改進(jìn)為新型板式預(yù)熱器。
2 新型板式預(yù)熱器領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀
新型板式預(yù)熱器克服了熱管換熱器的一些缺點，傳熱效率高、耐腐蝕、壽命長、積灰現(xiàn)象不明顯，熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率可以長期維持在高水平運行，從而減少了高爐煤氣消耗、節(jié)約了運行成本，近年來在國內(nèi)多座高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)上得到應(yīng)用，取得了良好的效果，是一種較為先進(jìn)的高效節(jié)能型預(yù)熱器。
2． 1 新型板式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)特點
1) 換熱板片加工成橢圓形流水線曲面波紋，區(qū)別于現(xiàn)有正弦波紋。使其流道更平緩，具有更小的流體阻力。
2) 采用高低溫不等流道設(shè)計技術(shù)，使高溫通道與低溫通道保持穩(wěn)定的流速，獲得相同的流動特性保證阻力與傳熱的良好結(jié)合。
3) 換熱箱體內(nèi)設(shè)計有波紋補(bǔ)償技術(shù)，消除換熱單元的熱膨脹對板束的應(yīng)力破壞。
4) 采用煤氣管箱內(nèi)承壓流道設(shè)計技術(shù)，使設(shè)備密封性能與保溫得到更好的保護(hù)。
5) 采用介質(zhì)管箱的導(dǎo)流設(shè)計技術(shù)，使介質(zhì)的阻力進(jìn)一步降低。
2． 2 新型板式預(yù)熱器優(yōu)點
新型板式預(yù)熱器采用高效、防堵、耐腐蝕、壽命長、技術(shù)成熟的板式預(yù)熱器預(yù)熱煤氣和助燃空氣。該技術(shù)已在國內(nèi)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)廣泛采用，取得了良好的使用表現(xiàn)。由于采用引進(jìn)的耐煤氣腐蝕材料，從根本上解決了現(xiàn)有設(shè)備存在的壽命短、不安全的問題。
3 熱管預(yù)熱器與板式預(yù)熱器的對比
3． 1 熱管預(yù)熱器
熱管預(yù)熱器是目前在冶金行業(yè)常用的預(yù)熱器，但熱管式預(yù)熱器存在熱媒損失、不凝氣等缺點，熱管會因真空度下降而失效。如果使用溫度過高時( 水臨界溫度374℃ 時，臨界壓力225 公斤) ，熱管內(nèi)蒸氣壓特別大，就必須采用價格較昂貴的工質(zhì)或者采用耐高溫高壓材料做熱管，導(dǎo)致設(shè)備造價過高。若使用水－碳鋼熱管則容易出現(xiàn)爆管，溫度過低( 140℃) 又產(chǎn)生結(jié)露腐蝕。以上因素嚴(yán)重制約了設(shè)備的使用壽命和使用溫度。由于熱管失效很難判定原因和檢測缺陷位置，一般情況下需要對所有的熱管進(jìn)行重新抽真空或更換，維修成本高，檢修周期長，間接地造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。另外帶翅片的熱管預(yù)熱器還有其他的一些弱點，如熱管的排數(shù)不能過大，翅片積灰且不易清除等缺點。以上所有缺點不但降低了換熱效果，增加了生產(chǎn)成本，甚至影響正常生產(chǎn)，造成安全隱患。熱管式預(yù)熱器的壽命一般為2～5年，其中能滿足設(shè)計要求的時間為1 ～ 3 年。
3． 2 新型板式預(yù)熱器
新型板式預(yù)熱器是近年來開發(fā)的一種較為先進(jìn)的高效節(jié)能型預(yù)熱器，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、壽命長，不易積灰、易清洗、維護(hù)量小等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)多座高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)上得到應(yīng)用，取得了良好的效果，板式預(yù)熱器主要有以下特點:
1) 預(yù)熱器核心部件根據(jù)介質(zhì)特性選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)液壓機(jī)壓制并作滲漏探傷、板管自動生產(chǎn)線焊接、焊縫的探傷及逐個試壓、端部組裝焊接、板束的探傷及試壓、設(shè)備的總成及試壓等工序。設(shè)備箱體采用碳鋼及結(jié)構(gòu)件; 單元與單元之間的連接、固定、支撐、導(dǎo)向等用材與所在位置的板片材質(zhì)保持一致。
2) 煙氣、煤氣在板束內(nèi)交錯預(yù)熱，結(jié)構(gòu)簡單、流道清晰，充分考慮煤氣特點，無煤氣死區(qū)。采用模塊化組裝，便于設(shè)備制造、運輸、安裝、維修。
3) 考慮到煙氣、煤氣含塵問題，采用合理的流速避免磨損和沉積。煤氣自上而下流動，加強(qiáng)煤氣側(cè)灰分的自吹掃作用，使煤氣、煙氣側(cè)粉塵不易在板管內(nèi)沉積，且不易積垢。
4) 為解決兩側(cè)介質(zhì)熱膨脹而引起的溫差應(yīng)力，以及板束與箱體的熱膨脹不均引起的溫差應(yīng)力，在殼體內(nèi)部設(shè)置膨脹節(jié)，保證設(shè)備長周期安全運行，避免熱應(yīng)力對設(shè)備的破壞。
綜上所述，新型熱管式預(yù)熱器在傳熱效率、耐腐蝕、維護(hù)成本上與傳統(tǒng)熱管式預(yù)熱器相比具有巨大優(yōu)勢，是目前使用效果較好的煤氣預(yù)熱器。
4 預(yù)熱器的改造及應(yīng)用
針對首鋼股份公司熱風(fēng)爐相關(guān)參數(shù)和高爐操作的特殊情況，結(jié)合在原有的低溫?zé)峁茴A(yù)熱器使用過程中出現(xiàn)的問題，確保預(yù)熱器工作安全可靠，本次改造工程進(jìn)展順利并進(jìn)行了有針對性的特殊改進(jìn)。
4． 1 預(yù)熱器改造主要參數(shù)
預(yù)熱器改造主要參數(shù)見表1。
4． 2 預(yù)熱器防腐蝕性能
本次改進(jìn)，充分考慮了高爐煤氣采用干法除塵，煤氣中S －、Cl － 腐蝕特性，對預(yù)熱器箱體( 外殼) 及預(yù)熱片采取可靠的防腐和必要的保溫措施，尤其是箱體下部、箱體底板及煤氣預(yù)熱器前部( 靠近煤氣入口區(qū)域) ，采取涂裝樹脂的辦法，提高箱體的抗腐蝕能力; 箱體底部設(shè)計排水坡度，并在箱體底部設(shè)置有排水口，排水孔公稱直徑為DN50，即使箱體內(nèi)部有積水，也能及時排出，以降低積水對箱體的腐蝕; 在煤氣換熱器排水管后設(shè)置煤氣水封，方便箱體內(nèi)冷凝水及時排出。
4． 3 預(yù)熱器維檢方便、可靠
箱體上留有氮氣吹掃接口，并在管道高處設(shè)置放散裝置，方便檢修時對箱體進(jìn)行吹掃。為方便檢修維護(hù)，在預(yù)熱器下部及各介質(zhì)的進(jìn)口、出口均設(shè)置有檢修人孔。
4． 4 預(yù)熱器保溫及安全性能
預(yù)熱器箱體采用硅酸鹽保溫材料隔熱，箱體外殼溫度≤50℃，減少熱損失; 在換熱器煙氣進(jìn)、出口處各設(shè)置一臺CO 在線監(jiān)測儀，實時監(jiān)控?zé)犸L(fēng)爐煙氣中的CO 量變化，從而可以判斷換熱器是否存在泄露問題，確保換熱器的使用安全; 為了能安全、方便地檢修，在煤氣進(jìn)出口管道上各增加一個插板閥及手孔，在煙氣進(jìn)出口管道上各增加一套盲板及法蘭。
5 改進(jìn)前后經(jīng)濟(jì)效益對比
預(yù)熱器改造前后的能源回收及經(jīng)濟(jì)效益分析對比情況見表2。
通過上表可以看出，板式預(yù)熱器回收的能量與現(xiàn)有換熱器相比，每年可以節(jié)約高爐煤氣費約640 萬元，則項目正常年增量效益為640 萬元。
6 結(jié)論
1) 采用一種先進(jìn)的高效節(jié)能型預(yù)熱器－ 板式煤氣預(yù)熱器取代原管式預(yù)熱器，節(jié)能效果明顯。
2) 技術(shù)改造前，原煤氣預(yù)熱器失效的主要原因是熱管損壞失效超過總數(shù)的一半以上，煤氣預(yù)熱溫度只能達(dá)到40℃，嚴(yán)重影響到了煙氣余熱的回收，造成熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率降低、燃料消耗增加，設(shè)備維護(hù)成本大幅升高。
3) 技術(shù)改造后，煤氣出口溫度由40℃ 升至185℃; 年回收能源增量約12850 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，降低噸鐵工序能耗約4． 6kgce /t。熱風(fēng)爐系統(tǒng)整體熱效率大幅提高，高爐煤氣消耗有效降低、便于設(shè)備維護(hù)，節(jié)約生產(chǎn)成本。
參 考 文 獻(xiàn)
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