范方靈  顧華興  鄭會軍

(攀枝花鋼鐵研究院  四川　攀枝花　617000)

摘　要：介紹了利用燒結(jié)環(huán)冷機冷卻廢氣余熱生產(chǎn)蒸氣的工作原理、設(shè)備流程、自動控制以及生產(chǎn)效果。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)環(huán)冷機；余熱利用；熱管；自動控制

1 　引言

燒結(jié)工序是鋼鐵生產(chǎn)中的耗能大戶。根據(jù)攀鋼煉鐵廠3 號燒結(jié)機熱平衡測定，燒結(jié)過程總的熱量支出為3.211 ×103 MJ/t， 而燒結(jié)過程帶走的熱量為1.66 ×10³MJ/t ，占總熱量支出的51.71 %。燒結(jié)礦在環(huán)冷機中冷卻時，由冷卻空氣帶走的熱量為9.41×10² MJ/t，占總熱支出的29.29 %。可見，燒結(jié)機余熱利用的潛力極大。

國外具有一定代表性的是日本的燒結(jié)余熱回收利用。新日鐵、日本鋼管公司、住友金屬公司、川崎鋼鐵公司等所屬的大中型燒結(jié)機幾乎都安裝有余熱回收裝置。在日本的26 套余熱回收裝置中，回收利用冷卻廢氣熱量的裝置就有17 套。對于余熱利用的方式，除室蘭5 號、名古屋3 號等燒結(jié)機利用廢氣預(yù)熱混合料和點火保溫爐助燃熱風(fēng)外，其余絕大多數(shù)采用余熱鍋爐生產(chǎn)蒸氣^{[ 1]} 。

我國燒結(jié)余熱回收利用起步較晚，但近幾年發(fā)展很快。目前，已經(jīng)安裝余熱回收裝置的有安陽、馬鋼二燒、梅山、武鋼等。從這些已經(jīng)投產(chǎn)的余熱回收裝置的生產(chǎn)情況看，效果都很好^{[ 2]} 。

攀鋼煉鐵廠燒結(jié)工序有6 臺燒結(jié)機，5 臺抽風(fēng)環(huán)冷機，1 臺鼓風(fēng)環(huán)冷機。1993 年采取與南京熱管中心合作的方式，在6#鼓風(fēng)環(huán)冷機上安裝了一套熱管余熱回收裝置(簡稱6#余熱蒸氣系統(tǒng))。之后，又在一燒車間的1# 、2#抽風(fēng)環(huán)冷機上安裝了熱管余熱回收裝置(簡稱1# 、2#余熱蒸氣系統(tǒng))。本文介紹利用燒結(jié)環(huán)冷機冷卻廢氣余熱來生產(chǎn)低壓蒸氣的情況。

2 　余熱蒸氣系統(tǒng)簡介

2.1 　熱管蒸氣發(fā)生器的工作原理

熱管蒸氣發(fā)生器是由若干特殊的熱管元件組合而成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

熱管的受熱段置于廢氣風(fēng)道內(nèi)，熱風(fēng)橫掠熱管受熱段，熱管元件的冷卻段插在水-氣系統(tǒng)內(nèi)。由于采用了熱管，使水-氣系統(tǒng)的受熱及其循環(huán)完全和熱源分離而獨立存在于廢熱氣體的風(fēng)道之外，水-氣系統(tǒng)不受熱流體的直接沖刷。工作時，廢氣的熱量經(jīng)熱管傳給水道內(nèi)的飽和水，使其汽化產(chǎn)生蒸氣，所產(chǎn)水氣混合物沿上升管到達氣包， 集中分離后再送往蒸氣再熱器及用戶。套管內(nèi)的水轉(zhuǎn)變成蒸氣后，由下降管將氣包內(nèi)的水導(dǎo)入補充。氣包內(nèi)的水由水預(yù)熱器直接供給。這樣，由于熱管不斷吸收廢氣熱量，傳給水套管內(nèi)產(chǎn)生蒸氣，再通過外部水-氣管道的上升及下降完成間接受熱的氣-水循環(huán)，從而達到將廢氣顯熱及燒結(jié)礦輻射熱轉(zhuǎn)變成低壓蒸氣的目的。

這種系統(tǒng)具有以下特點:

(1)熱量從廢氣轉(zhuǎn)移到水， 完全由熱管元件完成，水-氣被間接加熱；

(2)系統(tǒng)中熱管元件間相互獨立，單根或數(shù)根熱管失效或損壞不影響整個裝置的運行；

(3)由于熱管的單向?qū)嵝裕瑹崃康膫鬏斨荒苡蓮U氣傳至水中，而不會由水、氣中傳到廢氣；

(4)熱管熱側(cè)采用高頻翅片焊強化傳熱，傳熱效率高、阻力小，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊；

(5)熱管的工作過程不需要任何外界動力，運行管理簡單。

2.2 　余熱低壓蒸氣的產(chǎn)生流程

燒結(jié)生產(chǎn)時燒結(jié)礦從燒結(jié)機尾部落下，經(jīng)單輥破碎后通過振動篩分，經(jīng)溜槽落到冷卻機臺車上，在溜槽部分燒結(jié)礦溫度達700 ～ 800 ℃，以輻射熱形式向外散熱，落到冷卻機后其溫度仍在600 ℃以上，環(huán)冷機上布置有冷卻風(fēng)罩，風(fēng)罩內(nèi)通過軸流風(fēng)機使冷卻風(fēng)強制穿過礦層，經(jīng)熱燒結(jié)礦加熱使冷卻風(fēng)溫升高到160 ～ 190 ℃，這樣的冷卻風(fēng)可利用其顯熱來產(chǎn)生蒸氣。

如圖2 所示，從熱電廠來的除鹽水進入軟水箱(10 m³)后，由加壓泵加壓到1.5 MPa ，然后進到置于環(huán)冷機密封罩內(nèi)的水預(yù)熱器，被加熱到100 ℃左右，入氣包。氣包經(jīng)下降管和上升管，與置于風(fēng)機上方的熱管蒸氣發(fā)生器連接。水下降到熱管后吸收熱管傳送的廢氣熱量，汽化形成0.3 ～ 0.8 MPa 的濕蒸氣。這部分蒸氣上升進入氣包經(jīng)氣水分離后，被送進置于熱篩溜槽后的蒸氣再熱器，吸收燒結(jié)礦部分高溫輻射熱，使蒸氣含有的水分進一步汽化，成為高質(zhì)量的過熱蒸氣。

3 　供水及蒸氣輸出自動控制系統(tǒng)

3.1 　系統(tǒng)的組成

當(dāng)燒結(jié)機和環(huán)冷機情況發(fā)生變化時，熱管余熱發(fā)生系統(tǒng)的工作參數(shù)也將隨之發(fā)生變動，輸出的蒸氣壓力、溫度、流量也將發(fā)生變化。

為了保證蒸氣發(fā)生系統(tǒng)正常、安全地工作，必須對其工作參數(shù)和輸出情況進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)控制。

為此，在燒結(jié)環(huán)冷機熱管余熱蒸氣發(fā)生器上設(shè)計安裝了自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)(圖3)。該監(jiān)控系統(tǒng)對蒸氣發(fā)生器的各工作參數(shù)和輸出量進行實時監(jiān)測與記錄，并對氣包水位、蒸氣壓力、進水量等進行控制，當(dāng)參數(shù)越限時給出報警信號，以便人工干預(yù)及時處理，從而保證熱管系統(tǒng)正常工作。

3.2 　控制方案

1# 、2#余熱蒸氣系統(tǒng)的氣包水位控制見圖4 左半部分。對氣包水位采用三沖量水位控制， 既以水位和軟水流量信號作為反饋控制，以蒸氣流量信號作為前饋信號，構(gòu)成前饋-反饋控制，以提高控制質(zhì)量。為保證靜態(tài)工作點的穩(wěn)定，流量信號經(jīng)微分環(huán)節(jié)引入。

6#余熱蒸氣系統(tǒng)的氣包水位控制見圖4 中間部分。對氣包水位采用雙沖量水位控制，既以水位信號作為反饋控制，以蒸氣流量信號作為前饋信號構(gòu)成前饋-反饋控制，以提高控制質(zhì)量。為保證靜態(tài)工作點的穩(wěn)定，流量信號經(jīng)微分環(huán)節(jié)引入。

氣包壓力-蒸氣流量控制見圖4 右半部分。為保證氣包的安全工作，并預(yù)留實現(xiàn)蒸氣發(fā)生系統(tǒng)與公司蒸氣總管并網(wǎng)功能，必須保證蒸氣壓力穩(wěn)定，為此設(shè)置了蒸氣壓力-流量單回路控制。以蒸氣壓力為被控量，通過調(diào)節(jié)蒸氣流量，使蒸氣壓力穩(wěn)定在一定范圍。

氣包壓力-蒸氣流量控制見圖4 右半部分。為保證氣包的安全工作，并預(yù)留實現(xiàn)蒸氣發(fā)生系統(tǒng)與公司蒸氣總管并網(wǎng)功能，必須保證蒸氣壓力穩(wěn)定，為此設(shè)置了蒸氣壓力-流量單回路控制。以蒸氣壓力為被控量，通過調(diào)節(jié)蒸氣流量，使蒸氣壓力穩(wěn)定在一定范圍。

給水泵的控制：兩臺給水泵均可在控制室表盤分別進行啟動與停止控制，正常時，兩臺泵一備一用，當(dāng)運行泵水壓降到低限時， 另一泵將自動啟動，當(dāng)給水出口水壓高于高限時，能自動停泵。

3.3 　系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計與配置

系統(tǒng)硬件采用工業(yè)控制機和DDZ -Ⅲ 型儀表相結(jié)合的方法，工控機過程通道信號調(diào)理板均按DDZ -Ⅲ型儀表信號配置。

工控機采用工業(yè)過程數(shù)據(jù)采集控制組態(tài)軟件包，根據(jù)監(jiān)測與自控要求，組態(tài)生成監(jiān)測控制軟件。

工控機以在CRT 顯示器上提供畫面操作方式，進行監(jiān)測參數(shù)及其變化趨勢，并可對控制點上的參數(shù)進行在線修改。

為確保自控系統(tǒng)的安全運行，系統(tǒng)操作分為4個保密級，按密級方式對操作人員進行不同的授權(quán)，以防止非授權(quán)人員的干擾或誤動作。

對于被監(jiān)測的主要過程量，以歷史數(shù)據(jù)文件的方式記錄于硬盤，按需要打印輸出或轉(zhuǎn)貯于軟盤保存。

4 　余熱蒸氣系統(tǒng)的生產(chǎn)概況

4.1 　6#余熱蒸氣系統(tǒng)

6#余熱蒸氣系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)計依據(jù)：1 號煙筒熱廢氣流量79 590 Nm³/min， 2 號煙筒熱廢氣流量60 408 Nm³/min， 鼓風(fēng)機風(fēng)壓3 160 ～ 2 650MPa ，冷卻廢氣的溫度350 ～ 400 ℃。其設(shè)計參數(shù)為：廢氣流量140 000 Nm³/h ；廢氣進口溫度350 ℃， 出口溫度230 ℃；供水溫度150 ℃；蒸氣溫度150 ～ 170 ℃，流量6.5 ～ 7.5 t/h，壓力≥0.5 MPa 。

該余熱蒸氣系統(tǒng)的安裝與6 號燒結(jié)機的中修同時進行， 于1993 年12 月30 日開始產(chǎn)氣。從1994年元月至6 月份止，對系統(tǒng)存在的問題進行了整改。

主要出現(xiàn)的問題有，閥門泄漏嚴(yán)重、水泵損壞、預(yù)熱器漏水和變形、檢測裝置受損等。

針對這些問題，采取了一系列的整改措施。將所有換下的閥門重新進行加工，部分新的閥門使用前也進行重新密封和打壓試驗，并于燒結(jié)停機時進行了更換, 還對法蘭連接處進行了處理，解決了漏水漏氣的問題。對部分容易損壞的儀表元件進行了更換和改造;對供水系統(tǒng)的生產(chǎn)操作做了調(diào)整和改進，使設(shè)備故障問題基本得到解決；同時實現(xiàn)了與公司蒸氣總管并網(wǎng)的計算機控制。余熱蒸氣生產(chǎn)正常期達到了設(shè)計要求，見表1 。

4.2 　1# 、2#余熱蒸氣系統(tǒng)

　　1# , 2#余熱蒸氣系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)計依據(jù):煙筒熱廢氣流量3 900 Nm³/min ，鼓風(fēng)機風(fēng)壓3 160 ～2 650 MPa， 冷卻廢氣的溫度200 ℃， 其設(shè)計參數(shù)為:廢氣流量234 000 Nm³/h ，溫度200 ℃；供水溫度150 ℃；蒸氣溫度150 ～ 170 ℃， 流量4.5 t/h(兩個系統(tǒng)各2.25 t/h)，壓力0.3MPa 。

2#余熱蒸氣系統(tǒng)的安裝與2 號燒結(jié)機的中修同時進行， 1997 年6 月17 日開始產(chǎn)氣；1

#余熱蒸氣系統(tǒng)的安裝與1 號燒結(jié)機的中修同時進行(部分設(shè)備與2#余熱蒸氣系統(tǒng)一起安裝)，1999 年元月10日開始產(chǎn)氣。

1 號、2 號抽風(fēng)環(huán)冷機廢氣溫度偏低，流量大，其廢氣余熱利用屬于低品位的余熱回收。運行初期解決設(shè)備故障問題和軟件問題，為系統(tǒng)正常生產(chǎn)提供條件。但由于抽風(fēng)冷卻較鼓風(fēng)冷卻存在系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重、環(huán)冷機布料不均等問題，造成冷風(fēng)被吸入過多，使出口廢氣溫度過低(150 ～ 160 ℃)， 影響了蒸氣產(chǎn)量(平均1.5 t/h 左右)。在此期間，加強了對環(huán)冷機密封裝置的維護，盡量減少系統(tǒng)漏風(fēng)；著重解決環(huán)冷機臺車布料問題，利用燒結(jié)機檢修的機會，兩次對熱篩漏子進行改造，增加了分料裝置和改變漏子下料口形狀，并經(jīng)摸索適當(dāng)?shù)亟档铜h(huán)冷機轉(zhuǎn)速，有效地改善了環(huán)冷機臺車布料狀況，從而使廢氣溫度提高(達到190 ～ 200 ℃左右)，蒸氣產(chǎn)量達到了設(shè)計要求，見表2， 3 。

5 　余熱蒸氣系統(tǒng)操作時應(yīng)注意的問題

正常生產(chǎn)時，合理控制氣包水位是整個系統(tǒng)是否正常工作的關(guān)鍵。應(yīng)盡量使用變頻器進行加撤水量的調(diào)節(jié)，因手動閥難以控制好氣包水位。

考慮到各種閥門很難關(guān)嚴(yán)，正常生產(chǎn)或短時停機時，應(yīng)保持一臺水泵運轉(zhuǎn)，以防止蒸氣回竄導(dǎo)致水泵損壞。

因工作場所溫度高，測溫用的熱電阻和測流量、壓力、水位用的測量變送器比較容易損壞， 應(yīng)加強維護和及時更換。部分測量用管路孔徑較細(xì)，易堵塞，影響測量和控制，應(yīng)加強維護和疏通。

生產(chǎn)中，蒸氣壓力超過氣包的允許壓力而安全閥又失靈時，注意及時放散。

加強密封裝置的檢查和維護，盡量減少系統(tǒng)漏風(fēng)。

6 　結(jié)語

　　(1)本系統(tǒng)采用先進的熱管技術(shù)，熱交換率高,系統(tǒng)簡單、可靠和完善，適應(yīng)性強。

(2)主要設(shè)備，包括熱管蒸氣發(fā)生器、水預(yù)熱器、氣包、蒸氣過熱器、計算機自動控制系統(tǒng)等運行可靠，設(shè)備維修方便簡單、工作量小。

(3)系統(tǒng)從蒸氣的生產(chǎn)到輸出，全部采用計算機自動控制，技術(shù)水平高、設(shè)備投資省。

(4)熱管余熱蒸氣系統(tǒng)具有很高的經(jīng)濟效益。按目前蒸氣產(chǎn)量，以攀鋼內(nèi)部的效益計算方法， 年創(chuàng)經(jīng)濟效益可達到200 萬元以上，具有很大的推廣價值。

參考文獻

[ 1] 　陳端秀.燒結(jié)節(jié)能技術(shù)的新進展[ J] .武鋼技術(shù), 1993(1):45 —50.

[ 2] 　孫永林.國內(nèi)熱管技術(shù)進展概述[ J] .武鋼技術(shù), 1993(7):13 —16.