摘要：根据国家节能减排的要求，退火炉余热回收技术成为连续镀锌生产线的节能的首选手段。文章主要阐述了国内连续热镀锌生产线余热回收的各项技术，对比了各项技术的优缺点，并着重描述了过热水分级余热回收技术在超低排放机组上的应用，通过在大型立式镀锌退火炉机组的脱硝设备前后分别设置两级过热水/烟气换热器，既保证烟气的脱硝温度，有效降低烟气内NOx的排放，又可以实现余热回收的充分利用，目前在国内新建和改造机组上已经多次成功应用，使用效果良好。

　　关键词：连续热镀锌；余热回收；超低排放

　　根据《“十四五”节能减排综合工作方案》的主要目标要求，截至2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消费总量得到合理控制，氮氧化物排放总量比2020年下降10%以上。因此，国内部分钢铁企业，尤其京津冀地区的钢铁企业，逐步开始考虑生产机组的能耗和环保问题，节能减排显然已成为钢铁企业可持续发展的重要举措。钢铁企业在考虑提高产品竞争力的同时，更会积极思考怎么去节本降耗，用最经济的技术生产出高质量的成品，以应对市场的变化。

　　1目前镀锌机组的余热回收应用

　　文中阐述的镀锌机组为国内比较普遍的冷基薄板立式镀锌机组。该机组的主要工艺为：开卷—焊接—清洗—退火—镀锌—镀后冷却—光整拉矫—化学处理—卷曲等。其中退火作为该机组的核心工艺，退火炉必将成为整个机组的主要能源消耗设备，占工序消耗的35%~45%。立式镀锌退火炉（主要指全辐射管退火炉）包括预热段、加热及均热段、冷却段（缓冷段和快冷段）、出口均衡段等，如图1布置所示。

　　目前，该类型镀锌机组上较为常用的余热回收工艺有3种，分别为低压热交换器余热回收技术、锅炉余热回收技术、过热水余热回收技术。通常情况下，该机组退火炉燃烧产生的废气首先通过自身预热式烧嘴的换热器将助燃空气预热到350~550℃（对于单行程翅片管式烧嘴换热器，可将助燃空气预热到350~380℃,对于双行程翅片管式烧嘴换热器，一般可以将助燃空气预热到500~550℃),从辐射管排出烟气温度一般介于650~750℃,以上称之为第一级余热利用。然后烟气进入预热段的氮氢保护气/烟气换热器，通过加热预热段内部的循环喷吹的HNx，将带钢预热到150~180℃,这个称之为第二级余热利用。经过预热段保护气/烟气的换热器后烟气的温度在550~580℃。文章所有的余热回收利用指的是上述第二级余热利用后的烟气余热利用。

　　1.1低压热交换器余热回收技术

　　低压热交换器余热回收技术主要为将经过预热段换热器后烟气与空气进行换热，用来满足机组各段热风干燥段的能源需求。经过此部分换热器的烟气出口温度为300~400℃。根据环保和实际钢铁企业要求，排烟温度为150~200℃。这就需要增加第四级换热，将烟气温度继续降低。一般为烟气与清洗段碱液进行换热，用来加热清洗段碱液。这种技术的优点为与空气直接换热，换热效率比较高。但由于换热器设计庞大，风管布置遍及车间前后，投资成本较大，而且需要第四级余热利用，因此该技术在国内钢厂中应用逐渐减少。

　　1.2锅炉余热回收系统

　　锅炉余热回收技术主要为将经过预热段换热器后烟气进入锅炉，用于产生蒸汽。产生的蒸汽可以用于机组的热风干燥和清洗段碱液加热的能源。当机组处于高负荷生产时，多余的蒸汽可以并入蒸汽管网。一般经过余热锅炉的烟气温度在200℃左右，可以对外排放。目前部分科研单位也在考虑低温余热的回收技术。此技术相对于低压热交换换热器来说，由于经过了两次换热，换热效率偏低，且设备属于锅炉压力容器，操作维护相对复杂。

　　1.3过热水余热回收利用技术

　　过热水余热回收利用技术主要利用经过预热段换热器后烟气来加热过热水，产生的过热水（一般温度在140℃左右）用来为机组热风干燥和清洗段碱液提供能源需求。并且系统内部还设置了蒸汽辅助换热器，可以保证机组在各种运行情况下，热量的收支平衡。该技术可以有效地控制烟气的排烟温度，国内部分机组的排烟温度降低至150℃左右。

　　2余热利用对比分析

　　根据各种余热利用技术的对比研究分析发现，低压换热器余热回收技术和锅炉余热回收技术相对于过热水余热回收技术投资成本高，但余热锅炉回收技术相对其余两者回收效率要高，约为14%，过热水系统约13%。低压换热器余热回收技术最低，约为10%。从投资成本和长期收益情况来看，过热水余热回收技术无疑为最佳的余热利用方案，成为大多数钢铁企业的首选。

　　3分级余热利用技术在超低排放的机组上应用

　　3.1脱硝技术在镀锌退火炉上的应用

　　根据国家标准的要求，热处理炉的NOx排放要求控制在200mg/Nm3（8%基氧）以内。但是在京津冀地区，部分钢厂已经要求控制在100mg/Nm3（8%基氧）以内，甚至更低。单纯依靠燃烧器自身的优化无法实现钢厂的超低排放要求，必须在烟道上增加脱硫脱硝装置。

　　脱硝技术，以液态尿素脱硝为例，一般低温催化剂的最佳工作温度在240~420℃,如果排烟温度高于此区间，催化剂就会失效，无法实现脱硝。如果采用中高温催化剂，整个脱硝设备的投资和运行成本就会大幅度提高，对于多数钢铁企业来说不会选择，一般都是选用低温催化剂。这就对烟气的温度要求比较苛刻，如何匹配烟气温度与脱硝设备的工作温度成为排烟系统设计的关键。分级余热回收利用技术解决了这个问题。

　　3.2过热水分级余热利用技术的工作原理（烟气部分）

　　如图2所示，立式镀锌退火炉操作侧和传动侧烧嘴燃烧产生的废气汇集到两侧的集气管道后，经过2台预热段换热器，将烟气一部分热量换热给循环的保护气用来预热进炉的带钢，但是经过对某钢厂的退火炉做热平衡测试来看，预热段换热器仅能回收6%的热量，相对于整个烟气的散热来说只占了一小部分。此时从预热段换热器出来的烟气温度约为570~580℃。直接进入脱硝设备是不允许的，所以在预热段换热器后设置了第一级过热水余热回收系统，通过该系统将烟气温度降低到脱硝设备允许的范围内，另外过热水系统由于其天然的优势，产生的过热水可以并入总过热水管道中，然后送入各个用户点，配管相对简单一些，系统还能维持在设计的工作压力下。

　　由于空间位置的限制，第一级余热回收换热器功率偏小，一般在400~500kW，只能回收相对少的热量。并且在该余热回收换热器旁设置了旁路，用于过热水换热器出现故障时，不造成机组停机。在第一级余热回收换热器后的集气管上设置了掺冷口，根据进入脱硝装置前的烟气温度，调节掺冷风量。

　　经过脱硝装置后，烟气进入第二级过热水换热器，该换热器功率比较大，一般在3000~4000kW。第二级的过热水换热器工作原理与第一级相同。同时该处旁通还可以根据退火炉不同负荷，来调整换热器管路和旁通管路烟气的经过量。

　　由于清洗段碱液换热及各热风干燥的热需求基本恒定，，但炉子余热回收系统的热量和产量及炉子使用率有关，因此不可能与整个机组的热需求平衡。当清洗段碱液换热及各热风干燥的热需求大于余热回收系统的提供的热量时，采用蒸汽辅助换热器进行补热。当清洗段碱液换热及各热风干燥的热需求小于余热回收系统的热量时，设置烟气旁路，减少热量供给。以此来保证整个系统的能源收支平衡。

　　第二级过热水换热器位于区废气收集管后的废气烟道内，并带有开关和调节蝶阀和带有蝶阀的旁通烟道。

　　热回收由中央控制系统控制，它根据介质的高温度设定点操纵烟道和旁通烟道中的关断和控制蝶阀：

　　（1）当温度超过设定点，两个蝶阀同时逐步的动作以减少通过热交换器的废气流量并增加通过旁通的废气流量。

　　（2）当温度低于设定点，两个蝶阀同时逐步的动作以增加通过热交换器的废气流量并减少通过旁通的废气流量。

　　3.3过热水分级余热利用技术的工作原理（过热水部分）

　　系统启动时，打开车间管网脱盐水TOP处的阀门，将整个循环系统注满水。整个系统是维持一定压力下进行工作，为了保证该压力，该循环系统还设计了一套自动加压装置，来维护系统的压力。

　　如图3所示，系统运行后，过热水经过循环泵（一般设置2台，一用一备）通过一台流量调节分流阀将过热水根据实际需要分配到脱销设备前和脱销设备后的两级过热水/烟气换热器中进行换热。为保护换热器本体，在换热器前过热水管路上设置有旁通管路，该旁通管路一方面为了管道冲洗时保护设备，另一方面也可以根据换热器出口的水温来调节经过换热器的水量。

　　经过两级换热器的过热水再次汇总到主管路上，然后送到各个用户点。为了确保整个系统的热量收支平衡，还通过蒸汽辅助换热器对机组启车和低负荷运行时的热量进行补充。

　　3.4过热水分级余热回收系统的优点

　　（1）该系统由于其独立性，只要空间满足要求，既可以适用于新建机组，也可以适用于改造机组。目前国内部分钢厂就在进行此系统的改造。

　　（2）分级余热回收系统，可多层次地控制脱销设备前的温度及最终的排烟温度。对于超低排放（即增加脱硝装置）的机组来说，可保证脱硝装置在最佳使用温度。

　　（3）由于该系统设置了两级过热水/烟气换热器，可以最大限度地将烟气的余热进行回收。

　　（4）过热水本身的特点，产生的过热水可以轻松实现内部并网。

　　4结束语

　　在激烈的竞争市场中提高镀锌产品质量和生产技术水平、降本减耗将成为企业生存的关键。随着国家政策的进一步变化以及用户对生产环保排放的重视及成本控制的压力要求，对降低立式退火炉的能源消耗的期望越来越高。节能减排工作势必成为各个钢铁企业重中之重的工作。因此，文章中提到的过热水分级余热回收技术，对于大部分钢铁企业来说，不论新建机组，还是要进行改造的机组都是一个最优的选择。一方面可以最大程度地节省了能源，另一方面可以达到国家对烟气排放的环保要求。

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