科技新进展：高效长寿型转炉烟气热回收成套技术开发与应用

目前国内外转炉烟气余热回收普遍采用汽化冷却的形式，具有冷却烟气、回收蒸汽等特点，但现有汽化冷却技术存在系统能耗大、故障率高、烟道寿命短、蒸汽产量低品质差等问题，已无法满足钢铁行业升级转型的要求。现有汽化冷却技术主要存在以下关键共性技术难关：

1.系统节能与烟道长寿无法同时兼顾、汽化冷却系统热回收效果差。

2.系统设备存在能源浪费问题。

3.烟道系统故障率高、寿命短、易引发安全事故。

本研究利用能量系统工程理论，对转炉炼钢工序烟气热回收技术集成研究，提出了高效长寿型转炉烟气热回收技术开发与应用的总体工艺方案。

1.转炉烟气热回收成套技术优化用能新工艺的开发：包括烟气冷却水冷方式与汽化冷却方式、自然循环汽化冷却方式与强制循环汽化冷却方式、高压强制循环汽化冷却方式与低压强制循环方式等冷却方式的优化配置，防汽水分层技术、循环水均匀分配技术研究。

2.高效节能动力设备的研发：在系统辅助设备上，开发多种新技术、新装备，解决蒸汽产量低品质差、系统耗能大等问题。

3.烟道长寿技术的研究：针对造成烟道漏水、降低烟道寿命的受热管堵塞、汽堵、受热面挂渣、积灰、烟道局部结构缺陷等问题进行优化设计及创新。

1.转炉烟道汽化冷却优化用能复合循环系统新工艺

本项目对汽化冷却的烟气热力性能参数进行数值模拟，得到物理场参数：温度、压力、浓度、热负荷等的变化规律，对汽水循环系统进行校核和优化；重点对转炉烟道自然循环中、末段烟道处的高温烟气流场进行分析计算，流场、压力场分布见图1、图2所示，明确在中、末段烟道转角处存在热负荷分布不均匀现象。

基于能效利用及转化分析，结合工程实践，开发了一种安全可靠的转炉烟道汽化冷却优化用能复合循环系统。与传统技术（图3）相比，优化用能复合循环系统（图4）通过射流转换装置将强制循环系统中很小的水动能，作用于烟道的中、末段，为中、末段烟道自然循环在冶炼初期提供必要的动力，缓解中、末段烟道热负荷不均匀的问题，为中、末段可靠循环提供保障条件。优化用能复合循环系统解决了系统节能与烟道长寿无法兼顾的技术难关，保证循环的同时，提高系统的能效。

工程实践表明：在不增加电耗的前提下，转炉烟道汽化冷却优化用能复合循环系统加强了中段、末段烟道循环，消除了热负荷不均匀对受热面局部造成的汽水分层造成的烟道漏水、漏汽等破坏现象，保证了烟道寿命。本技术保障下的烟道中、末段寿命高达10年以上。

2.高效节能动力系列设备开发与应用

目前国内外汽化冷却系统动力设备存在如下问题：

（1）转炉冶炼存在间歇生产的特殊性，在转炉非吹炼期，汽化冷却系统核心设备热量耗散严重。

（2）转炉汽化冷却系统蒸汽外排，“冒白烟”现象频发。包括蓄热器能力不足，汽包或蓄热器超压情况出现紧急放散；系统排污水集中回收过程中泄压闪蒸降温时产生的蒸汽经排污扩容器外排；除氧器除氧过程中，氧气携带大量蒸汽经排气口逃逸。

为提高系统回收热量的效果，开发了适用于波动负荷的高效节能型成套动力设备，既减少系统内部耗散，又降低甚至避免了蒸汽排放，还同步提高了蒸汽品质。

本技术汽化系统的蒸汽产汽量达到100~130kg/t钢，蒸汽带水率降低至1%，排污系统减少热损失50%，除氧器排汽热损失减少50%。

成套设备主要包括：

（1）一体式长效除氧器【图5】

在10~110%负荷区间保持良好雾化度，除氧达标，避免烟道氧腐蚀。无除氧头设计简化了常规除氧器结构，降低了常规除氧器的安装难度和厂房平台设计要求。

同时在除氧器放气口采用开发的水滴捕捉装置【图6】，滤除除氧器排汽管出口蒸汽的液态水，实现热水的循环利用和蒸汽的减排。

图6 水滴捕捉装置

（2）球形蒸汽蓄热器【图7】

本项目针对现有的变压式蒸汽卧式蓄热器存在蒸汽带水严重、系统大量疏水外排、热污染、热浪费、水浪费、占地面积大、系统复杂、运行检修工作量大等普遍问题，国际首创400m3、650m3、1000m3等规格的大型球形蒸汽蓄热器，深入研究了球形蒸汽蓄热器的结构受力、汽水循环大空间的温度场分布、充放热造成的冷热频繁交替工况下的大厚度金属疲劳、内部受冲击元件的耐久性等，自主开发了环形充热技术、雷达导波测液位装置、球形蒸汽脱水装置。

与卧式蓄热器相比，其突出的特点包括：占地节省50%~70%，散热减少50%；配套系统材料用量减少50%，总体投资降低25%~30%；汽空间高，蒸汽品质有保证；结构简单、简化系统；维修量少，减轻劳动强度。

图7 球形蓄热器

（3）活动烟罩柔性提升装置

该装置是活动烟罩升降专用的循环水管连接部件，取代了金属软管、金属补偿器等传统设备，减少低压循环水系统设备疲劳损坏频率，消除运行安全隐患。活动烟罩柔性提升装置使用寿命可高达10年，同时具有运行安全、占用空间小、无泄漏等特点。

（4）蒸汽滤洁器

受转炉冶炼的限制，转炉汽化冷却系统负荷波动及汽包水位变化较大，造成汽包排出的蒸汽带水率高达10%以上，导致输送蒸汽管道水锤现象频发，损坏蒸汽管道及阀门。

本项目研发的蒸汽滤洁器置于汽包出口蒸汽管道，通过三级复合机械脱水，提高蒸汽干度，滤除的热水系统回用。该装置有效提高了蒸汽品质，避免了蒸汽管道带水发生水锤现象，减少系统热损失。

（5）环保型定期排污扩容器

环保型定期排污扩容器将排污水扩容、闪蒸出的大量蒸汽脱水处理，既回收凝结水，又减少“白烟”外排。

3.烟道长寿技术

（1）以随动密封和新型圈梁水冷结构为核心的长寿节能型活动烟罩

以未燃法为主的转炉烟气处理方式，要求活动烟罩升降顺畅、密封性能良好，以保证煤气高效、高质回收。活动烟罩与炉口固定段之间的密封属于动静面密封的范畴，且所处环境高温、高尘。国、内外转炉活动烟罩通常采用的结构形式有：1）水封结构；2）氮气密封；3）机械密封。水封结构因存在水封槽等导致积尘堵塞的故障点，故障率高，具有安全隐患；氮密封结构简单，维护工作量很少，运行操作简便，但氮气密封的密封口大，氮气消耗量多；机械密封能耗低，但转炉周期性冶炼易造成活动烟罩热变形大，机械密封在变形后易发生卡涩、局部泄漏煤气较多的安全隐患，故障率较高，使用寿命短。

本项目发明的活动烟罩随动密封结构（图8），该结构借助机构弹性作用力，使密封面大面积贴合并能做相对运动，贴合面处的微空隙借助氮气密封。活动烟罩随动密封结构经实践检验有效解决了活动烟罩密封效果差、氮气消耗量高、升降不畅等共性技术难题，大幅度提升活动烟罩的安全性与经济性。

本项目开发的新型圈梁水冷结构，有效解决了传统圈梁结构易造成烟道受热管破损及升降不畅的问题，延长了活动烟罩寿命。

长寿节能型活动烟罩使活动烟罩氮气消耗量减少90%，寿命高达5年。

（2）固定段烟道单回程结构与烟道受热面合金喷涂方法相结合的镀膜新技术

对炉口固定段不同热负荷工况，进行热力计算、水力计算，得出炉口固定段阻力大是造成汽化点前移而汽堵、受热管过热爆管的主要原因。基于以上分析计算，本项目开发出固定段烟道单回程结构，经实际运用检验，有效解决了炉口固定寿命短，故障率高等问题，为转炉炼钢安全生产提供了可靠保障。

烟道受热面合金喷涂（图9）的保护措施，可有效避免挂渣，保护受热管，提高了烟道寿命。

采用新技术和结构后的烟道固定段寿命高达5年。

本项目的主要相关技术参数指标与国内外同类技术的对比情况表如下：