不锈钢生产余热回收和高效燃烧示范系统建设研究

　　摘要：现代的热管技术是随着空间技术而发展起来的，目前，除了在航天器上仍发挥重要作用外，还派生出两个新领域。一是工业应用领域，另一是大功率电子器件的强化散热领域。而本文就是要对现代热管技术在不锈钢生产余热回收和高效燃烧示范系统建设中的应用进行研究。

　　关键词：不锈钢,余热回收,高效燃烧,示范系统建设

　　1.余热回收核心技术的确定

　　1.1国内外烟气换热技术评价

　　热管作为一种高效的传热元件，上个世纪 80 年代以来已在电力、冶金、化工等众多领域的余热利用方面获得成功。热管换热器与传统的换热器相比，有传热效率高、阻力损失小、结构简单、工作可靠、维护简单等优点，特别适合中低温(300℃左右)烟气余热的回收，是目前中温气-气热交换最理想的换热装置。但也存在一些突出的缺点，特别是由于钢水化学不相容性而导致热管的工作寿命不够长、性能不够稳定等。针对此问题，相关学者进行了多年的研究，发明了氧化除氢热管技术。这项专利技术有效地克服了热管的钢水化学不相容现象，大大提高了钢水热管工作可靠性。在相同工作条件下，其工作寿命较一般钢水热管延长两倍左右，完全满足工程实际应用的要求。为此，本项目中的热管换热设备，我们将采用氧化氢热管技术在不锈钢退火炉上进行应用集成，提高烟气余热回收能力。

　　1.2热管工作原理及分类

　　热管主要由密封管、吸液芯、蒸汽通道三部分组成，制作方法是将管内不凝气体去除、抽成负压，管内壁附着有毛细作用的多孔材料制成的吸液芯，充入工质后，密封该金属管就制成了热管。

　　由于热管的用途、种类和形式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多。常用的分类方法主要有按照热管管内工作温度划分、按照工作液体回流动力划分、按照管壳与工作液体的组合方式划分、按照结构形式区分、还有按照热管的功用划分等等。

　　热管换热器是利用工质的相变来进行热量的传递的，它与金属的自由电子的运动热能传递有很大区别，前者的热量传输是后者的几个数量级。

　　从热管内部各处的换热方式来看，以上三个工作段分别称为蒸发段、传输段和凝结段。在加热段从热源吸收的热量供其内部吸液芯的饱和液体作为潜热吸收后，液体介质即蒸发汽化变成蒸汽跃入热管内腔，于是这一工作段又被称为蒸发段;在冷却段内，将饱和蒸汽凝结成液体放出潜热，因而冷却段又称为凝结段或冷凝段。绝热段的内腔部分传送蒸汽，吸液芯层内输送回流的凝结液，所有绝热段又称传输段。蒸发段和凝结段在一般情况下并无不同的内部结构，仅随外界环境热状况而定。因此蒸发、凝结两工作，在外界热状况变化时，完全可以互换，这就从结构上提供了热管传热方向可逆的可能性。

　　热管是一种最简单的闭式相变热虹吸器件。热虹吸现象的潜力还在于：1)热虹吸系统同外界只有热量的交换，而不存在任何运动部件;2)热虹吸系统中存在着热、质的输运，存在着热能与机械能的转换。因此，热虹吸系统除了可以作为传热元件外，还具有作为热机和热泵的潜力。热虹吸器件由于其单元式结构，小功率下仍有很高的性能，因此适合于分散分布的可再生能源。对热虹吸现象的深入研究可能产生一些新方法和新技术，是一个值得重视的基础研究方向。

　　2.余热回收和高效燃烧示范系统研建

　　不锈钢光亮退火炉的特点包括：

　　(1)强对流气氛无加热死角，加热(冷却)迅速，炉内温差±3℃。

　　(2)强对流风机：中压、大风量贯流风机。

　　(3)真空度 1.33×10-3Pa。

　　(4)成品机械性能(以 T2 管为例)δ≥50%。λb≈240MPa。

　　(5)能将以轻微氧化的材料还原成光亮。

　　3.系统实施方法

　　为了适应光亮退火炉的主要技术指标要求，本方案采用多级热量回收技术及设备，使烟气余热回收后预热钢带和代替冷风进入退火炉，从而减少热能流失，降低燃油损耗，使烟气排放温度下降至 130℃以下。现场情况如图1所示。

　　同时，考虑将预热后的一次风(雾化风)可以后期用来油品加热，提高油品流动性、改善燃料喷嘴喷射特性以及改善燃料燃烧特性。具体实施方法是：将原来的引风机、高压鼓风机移到热管式混合双预热换热器后，使热管式混合双预热换热器与原来的高温换热器的烟风管进行连接;换热器上预留有燃烧用的一次风(罗茨风机出来的风)进出安装口;同时将罗茨风机由原来退火炉尾部移到退火炉前部。考虑到初期雾化风换热器部分有可能不投入使用。这时，雾化风换热器部分设计时要能承受烟气干烧而不损坏。

　　4.设备空间布置

　　由于现场空间有限，退火车间上部空间还安装有用于钢带吊装的行车。设备在高度尺寸我们考虑尽量减小，具体外观参见热管式混合双预热换热器设备外观图(见图2)。除了考虑现场空间外，还需为退火炉检修留下操作空间。我们将热管式混合双预热换热器放置退火炉预热段附近靠近车间立柱侧安置。同时将预热器架高到人高以上，留下换热器下部空间作为窑炉检修操作空间，预热器顶部高度要低于吊装用行车位置，具体见改造现场安装图(见图 4-1)。原来窑炉自带的高温换热器依然保留。在一体式的热管式混合双预热换热器内设有不同的换热器设备，按照能量梯级来布置，将能量回收量最大化。同时考虑雾化风换热器部分不投入使用时，这雾化风换热器须承受高温烟气干烧而不至于损坏。在各个换热器内部均设置有解决膨胀问题的机械结构、同时还在换热器外表面设有保温结构。在低温热管换热器侧设置有检修、拆装孔。整个换热器，外观以方正为主，各换热设备均布置在热管式混合双预热换热器内部，结构紧凑，便于设备运输以及安装(见图2)。在换热器架子上向柱子侧增加一个检修、测量平台，以方便后期作测量用。由于测量平台并非经常使用，也就不在平台外侧安装安全扶手。引风机也安装在平台后侧位置，引风机尾部排烟管道绕过行车的轨道穿过屋顶通向车间外，并在排烟管道上预留有烟气成分测量口。鼓风机安装在引风机与换热器连接管道上方。整个设备布置上也尽量经凑(见图1)。

　　5. 成果转化及推广前景

　　不锈钢行业是国家重点监控的高耗能行业，拥有较大的节能潜力。以不锈钢管生产中的退火工艺为例，有数以千计的冷轧不锈钢带退火炉，目前这些退火炉普遍存在热效率低，排放烟气温度高，有的已达到了 350℃，远远高于理想的排烟温度 150℃，浪费十分严重。如能有效回收这部分热量，可以降低单吨产品的柴油消耗，从而达到节能减排的目的，产生巨大的社会和经济效益。

　　通过在佛某不锈钢制管公司的运行实践表明，该系统运行热效率高、节能效果较为显著，同时在技术上具有自己的设计特色。通过在示范地区的推广和应用实践，可为全国其它地区“节能减排”目标的实现提供良好的技术借鉴。

　　参考文献：

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