王 林 刘 婧 吴仕明
（中冶京诚工程技术有限公司）
摘 要：以转炉循环水系统为研究对象，将高压富裕能头用于启动或加速自然循环，实现系统的优化用能，达到系统节能兼顾尾部烟道长寿的双赢效果。研究分析前部烟道的结构缺陷，开发防大喷溅挂渣技术、随动密封装置等，使前部烟道寿命提高2a以上，氮气消耗量降低约90％。开发应用了一系列高效节能核心动力设备，解决了汽化冷却系统蒸汽产量低、品质差的共性技术难题，使得吨钢产汽提高至100～130kg，排污系统热损失减少 50％，除氧器排汽热损失减少50％。
关键词：汽化冷却；复合循环；随动密封；超音速镀膜；球蓄；除氧器
转炉炼钢在全球炼钢工艺中产量占比约70.8％，是炼钢生产的主要形式［1－ 3］。转炉炼钢过程中会产生大量烟气，总热量高达1116.2 MJ／t，是重要的二次能源［4－8］。
目前国内外普遍采用汽化冷却技术回收转炉炼钢烟气余热， 可降低烟温、 回收蒸汽等。 现有汽化冷却技术存在系统能耗大、设备故障率高、烟道寿命短、蒸汽产量低和品质差等问题，已无法满足钢铁行业升级 转型的需求。为实现节能减排、 绿色发展，响应国家双碳号召，对转炉汽化冷却系统进行技术创新。
1 转炉汽化冷却系统及优化用能复合循环
1.1 转炉汽化冷却系统
转炉汽化冷却系统主要用于回收转炉冶炼产生的高温烟气的余热。 转炉汽化冷却装置由汽化冷却烟道、 汽包、循环水管道、除氧器、给水泵、 高压循环水泵、 低压循环水泵等组成［4］。其中， 汽化冷却烟道作为高温烟气输送的唯一通道， 是整个系统的核心设备。 转炉汽化冷却系统按照介质通道可大致划分为循环水系统、 蒸汽蓄热系统、 给水系统、 氮封系统、 排污系统和杂项系统等［4］。 其中， 循环水系统通过与烟道换热吸收高温烟气侧的热量，是汽化冷却系统的核心系统。 循环水系统有三种循环方式： 低压强制循环、 高压强制循环和自然循环。
1.2 优化用能复合循环
汽水循环一般包括自然循环和强制循环。自然循环仅依靠工质 （水和汽水混合物）的密度差克服沿程阻力损失和局部阻力损失并形成循环。 自然循环动力应满足公式 （1） ［4］， 保证介质能正常流通。
Pz ＝H × （ρ － ρ′）× 10-5＞ ∑ΔP （1）
式中：Pz为汽水介质密度差产生的静压势能，MPa；H为沿程高差，m； ρ 为水密度， kg／m3； ρ′为蒸汽密度，kg／m3； ∑ ΔP 为总阻力损失，MPa。
强制循环系统的动力是强制循环泵和汽水介质密度差。强制循环泵和介质密度差产生的动力需克服介质沿程和局部总阻力损失，并留有一定裕度。强制循环泵压头P应满足式 （2） ［9］。
P＋Pz＞ ∑ΔP （2）
在冶炼初期，自然循环介质密度差较小，循环动力不足，易在尾部转角阻力较大处产生汽泡堆积 循环受阻现象，使得转角处温度较高，同一节圆管束流速、受热不均，导致管束膨胀和收缩幅度不一致，最终在转角处产生变形和破损，影响烟道寿命。
为避免上述问题，结合强制循环与自然循环的特点及优势， 提出优化用能复合循环： 在自然循环启动初期，密度差接近于零，自然循环动力不足，迁移强制循环的富裕动压头补充自然循环的动力源，改善自然循环流速分布不均、 动力不足等问题， 使尾部烟道根据冶炼周期实现自然循 环和强制循环的快速切换。
与传统循环系统相比，优化用能复合循环系统通过关键设备（射流装置）将强制循环泵中的富裕能头迁移以启动或加速自然循环而实现系统的优化用能，为自然循环初期提供可靠动力，缓解尾部烟道热负荷不均匀的问题，保证尾部烟道循环可靠有效。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， 在保证循环的同时提高系统能效。
工程实践表明：在不增加电耗的基础上，转炉烟道汽化冷却优化用能复合循环系统加强了尾部烟道循环效果，提高了受热管冷却效果，减少了烟道的漏水、漏汽现象，增加了产汽量的同时降低了烟道检修率，延长了烟道寿命。
2 烟道长寿节能技术
2.1 新型随动密封装置
活动烟罩置于炉口正上方，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，目前，国内密封形式通常采用水密封、N2密封和机械密封等。水密封易在水封槽处积尘堵塞，故障率高，且具有安全隐患。N2密封结构简单，维护工作量很少，运行操作简便，但存在密封口大、N2消耗量多的缺点。机械密封能耗较低，转炉周期性冶炼易造成机械密封变形，存在烟罩卡涩、泄漏煤气的安全隐患，故障率较高，使用寿命短。
针对上述密封缺陷，深入研究国内外活动烟 罩密封结构存在的问题［10］，借鉴其他领域动静面密封解决办法，以缩小前部烟道中炉口固定段与活动烟罩的间隙、辅以N2密封为思路，开发并应用了活动烟罩随动密封结构。
活动烟罩随动密封结构，借助特定机构弹性作用力使密封面大面积贴合烟道壁面，端部滚轮结构能相对固定段烟道壁面上下滚动，与壁面的微小空隙借助N2密封， 大大节省了N2的消耗量。
活动烟罩随动密封结构的应用有效解决了活动烟罩密封效果差、N2消耗量高、升降不畅等共性技术难题，可大幅度提升活动烟罩的安全性与经济性。
2.2 烟道防大喷溅挂渣技术
国内中小型转炉普遍存在超负荷生产导致炉口固定段受热管爆管、 漏水等问题。通过现场采集，对破损受热管进行宏观外貌、金相显微镜、扫描电镜分析，固定段受热面挂渣导致受热管受热不均匀、传热恶化，引起受热管爆管［11］。
针对炉口固定段容易挂渣问题，开发并应用防大喷溅挂渣技术，又称受热面超音速镀膜技术。受热管烟气侧应用一种烟道受热面合金喷涂保护涂料，可有效减轻转炉烟气大颗粒粉尘对受热面的直接冲刷磨损，降低受热管表面粗糙度，当转炉大喷溅时受热面不易挂渣。多个项目工程应用实践表明，防大喷溅挂渣技术可有效避免受热面挂渣，保护受热管，提高烟道寿命。
3 高效节能动力设备
3.1 蒸汽滤洁器
转炉周期性冶炼使得汽化冷却系统负荷及汽包水位变化较大，造成汽包分离出的蒸汽含水量过高，输送高温高压蒸汽的管道内易出现水锤现象，损坏蒸汽管道及阀门。
蒸汽滤洁器是蒸汽外供蓄热器前的过滤装置，安装于汽包出口蒸汽管道上，介于汽包和蓄热器之间。工程实践表明，蒸汽带水率能降低至1％，有效提高了蒸汽品质，避免了蒸汽管道带水发生水锤现象， 提高管道输送率5％ ～ 10％，滤除的洁净凝结水可回收利用， 检修量降低 90％ ，减少系统热损失。
3.2 变压式球形蒸汽蓄热器
蓄热器是汽化蒸汽蓄热系统的核心设备。目前工程常采用的变压式蒸汽卧式蓄热器普遍存在占地面积大、蒸汽含水率高、 疏水量大、 故障率高等问题。针对卧式球蓄的弊端，研发并应用了变压式球形蒸汽蓄热器。
对球形蒸汽蓄热器结构的应力场、汽水循环大空间的温度场、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方面做了深入细致的研究，在充热、 液位、蒸汽脱水等方面突破常规技术， 具有如下特点［12－ 14］：
（1）内部设置稳定循环的充热混合系统，呈环形多层均布，保证不产生温度分层，不留充热死区，充热平稳均匀；
（2）汽水分离装置采用模块化设计，双重分离结构，汽空间是传统卧式蓄热器的二倍， 降低蒸汽含水率，满足用户蒸汽品质需求；
（3）补、放水装置环管布置，保持蓄热器液位在合理范围，液位测量采用安装、检修方便导波雷达液位变送器。
与卧式蓄热器相比，变压式球形蒸汽蓄热器占地节省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％；汽空间大，蒸汽含水率低；结构简单，维修量少。
3.3 一体式长效除氧器
现有热力除氧一般采用带除氧头的除氧器。为了使锅炉给水达到规定的含氧量，带除氧头的除氧器至少需要约15％～27％ 的锅炉额定蒸发量，除氧后的蒸汽直接排放，能耗较高。 同时水箱上带除氧头，设备占地空间较大，配管结构复杂，接管、检修不便。
一体式长效除氧器利用高效复合弹簧喷嘴及水箱内部装置，代替传统热力除氧器的除氧头。雾化喷嘴利用弹簧调节，使给水在10％ ～110％ 负荷情况下都能良好成膜，更好地适应变工况条件、减少除氧蒸汽耗量和排汽损失。一体式长效除氧器由除氧器本体、平台楼梯及附件组成。除氧器本体由壳体、支座、给水装置、 弹簧喷嘴、阻流板、加热蒸汽装置、 再沸腾装置及再循环管等组成。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。
3.4 提高设备寿命方向的创新
为满足活动烟罩的循环水配管随活动罩上下提升， 活动烟罩与循环水管道间通常采用金属软管、 金属补偿器等连接。 因活动烟罩升降罩频繁， 金属软管或金属补偿器极易产生疲劳损坏。
单台炉子大约需要6个金属补偿器，占用安装空间大、检修不便。针对旧连接方式的弊端， 研发并应用活动烟罩柔性装置，单台炉子只需2台，寿命相对旧连接方式延长2 ～3a， 同时具有运行 安全、无泄漏等优点。
为提高汽化冷却泵组的使用寿命， 开发并应用直降多滤除污器， 安装于泵入口处， 既解决了常规的管道过滤器结构无法承受高温高压的问题， 又解决了传统除污器结构简单、 过滤流速高、 易堵塞的缺点。
为防止循环水管路中杂质进入烟道影响烟道使用寿命， 在烟道的各段循环水管路入口设置新型过滤装置———受热管防堵装置。 受热管防堵装置内设置过滤装置， 通过多点支撑使得过滤装置的受力较为分散， 具有较佳的承压能力， 从根本上解决了装设临时过滤网容易使烟道受热管堵塞的问题， 减少了烟道的检修和更换次数， 保证整个循环水系统的正常安全运行。
4 应用效果
4.1 节能减排和延长烟道寿命
结合自然循环的环保节能、强制循环的循环效果好和烟道寿命长的技术优势，优化用能复合循环冷却系统实现了全系统资源的综合利用和平衡分配。与国外同类产品技术相比，系统降耗30％，投资降低约50％，运行成本减少50％以上； 烟道寿命大幅提高，活动烟罩、 固定段和移动段寿命由1 ～2a 提升至3 ～5a，中段和末段寿命由5～ 6a 提升至10a以上。 随动密封装置的应用使活动烟罩密封用N2量减少90％。
4.2 降低系统故障率
受热面超音速镀膜技术克服了活动烟罩、 固定段和移动段烟道受热面易挂渣、 受热管易爆管漏水、 活动烟罩圈梁易变形导致故障率频发的技术缺陷， 降低了安全生产事故发生的风险， 保障生产顺利运行。 与国内外同类技术产品相比， 受热管水侧阻力降低 １５％ ， 无汽堵爆管故障； 降低喷溅挂渣， 大大减少了过热爆管事故的发生。
4.3 提高冷却效果和蒸汽回收品质
常规转炉汽化技术中融入优化用能复合循环、一体式长效除氧器、变压式球形蒸汽蓄热器等技术后，在减少系统外部能源输入的同时，实现了蒸汽产出的量质并举。汽化冷却系统蒸汽产量最高可达130kg／t，排污热损失减少50％，除氧器排汽热损失减少50％，除氧自用蒸汽节省3％ 。
4.4 效益
汽化系统系列技术创新体现了节电、节水、节材、环保的绿色发展经济理念，具有低耗能、高效率、低排放的特点，吨钢节能约14.11kgce、减排CO2约35.19kg、减排 SO2约0.12kg、 减排NOx 约 0.104kg，响应国家双碳政策号召，助力企业减碳绿色生产。
参考文献
［1］ 《2021 年世界钢铁统计数据》. 世界金属导报 . 2022，06.
［2］ 吴耀光， 杨风国， 王阳明， 等 .基于绿色钢铁的转炉炼钢工艺设计及生产 ［J］． 钢 铁， 2022，57（11）：77－82.
［3］ 汪成义， 杨利彬， 曾加庆.大型转炉顶底复吹混合效果模拟［J］．钢铁，2016，51（10）：15 －22.
［4］ 《氧气顶吹转炉汽化冷却设计》.氧气顶吹转炉汽化冷却设计编写组，1978.
［5］ 张宁， 吴浩.唐钢新区提高转炉煤气回收措施［J］．冶金能源，2022，41（3）：45－49.
［6］ 高强 .转炉煤气回收影响因素对比分析 ［J］．冶金能源，2020，39（5）：40－45.［7］ 朱荣， 任鑫， 薛波涛.转炉炼钢工艺极限碳排放研究进展［J］．钢铁，2023， 58 （3）：1－10.
［8］ 张仕通， 黄卫超， 邓万里， 等.转炉煤气回收利用实时调节技术开发应用 ［J］． 冶金能源，2021，40（6）：44 － 47.
［9］ 王林， 周春丽， 石瑞松.150t 转炉汽化冷却系统改造设计与应用［J］． 冶金能源， 2013，32（1）：55－58.
［10 ］ Lin Wang， MinghuaYang， Shiming Wu．Research and Application of Longevity － Efficient Converter Flue Gas Heat Recovery Technology CSST．2021：214 －218.
［11］ 沙勇，张彭博.转炉汽化烟道爆管分析及预防［J］．中国新技术新产品，2015， （3）： 191－192.
［12］ 李国盛，周春丽，石瑞松，等.转炉汽化冷却设备优化和蒸汽利用工程实践 ［C］． 2007中国钢铁年会，2007：1169.
［13］ 周春丽，王冰，杨加国，等. 蒸汽球形蓄热器节能技术推广与应用［J］．冶金能源， 2012，31（1）：49－51.
［14］ 杨学友，祝百东，周春丽.球形蒸汽蓄能器在钢 厂饱和蒸汽发电技术中的应用 ［J］．冶金动力，2014，（6）：48－50.