本发明涉及钢铁行业的节能技术领域，具体地说，涉及一种轧钢加热炉余热优化利用系统。
背景技术：
在钢铁企业各冶炼工序中，轧钢工序是钢铁生产流程中非常重要的一个环节，轧钢工序的能耗水平对于钢铁工业吨钢综合能耗有着不可忽视的影响。
轧钢加热炉是将初轧坯或连铸坯再加热，以满足轧制所需温度的设备。加热炉也是轧钢工序中最大的用能设备，因此轧钢加热炉的节能对于轧钢工序乃至整个钢厂的节能降耗工作都具有重要的推动作用。当前钢铁行业处于相对低谷期，许多钢厂都处于微盈利甚至亏本的状态。在这种情况下，各个冶炼子工序上主设备如轧钢加热炉的余热利用、节能增效已引起各钢厂的重视。
目前，轧钢加热炉的炉体设备以及加热炉控制系统等方面的技术都已经比较成熟，对于轧钢加热炉来说，节能的主要方向应该在加热炉辅助系统烟气热量优化利用，余热回收等方面挖掘潜能。对于蓄热式加热炉，目前加热炉最终排烟温度可以降低至150℃以下，但是对于常规加热炉，尤其是采用空气和煤气双预热技术的加热炉，大多数排烟温度为250～300℃左右，属于低温余热资源，烟气品位稍低。而另外一方面，对于常规加热炉而言，空气和煤气换热系统均是冷空气和冷煤气直接在空气预热器和煤气预热器中一次性加热到设定温度，由于烟气侧温度非常高(最高可达900℃以上)，而冷空气和冷煤气均接近于常温，这种超大温差的换热造成了过大的换热损，能量有效利用率大打折扣。如果能设计一种空气-煤气预热系统和烟气余热回收兼顾的热力系统，将空气预热系统和蒸汽回收系统统筹考虑，对轧钢加热炉的烟气余热资源进行优化利用，在保证空气和煤气预热效果的情况下提高烟气余热品位和余热回收系统的合理性，必然能收获可观的经济收益，具有重要的实用价值。
技术实现要素：
本发明提供了一种轧钢加热炉余热优化利用系统，将空气预热系统和蒸汽回收系统统筹考虑，对轧钢加热炉的烟气余热资源进行优化利用，在保证空气和煤气预热效果的情况下提高烟气余热品位和余热回收系统的合理性。
根据本发明的一个方面，提供一种轧钢加热炉余热优化利用系统，包括加热炉炉底水梁汽化冷却装置、加热炉出口烟道、空气-煤气预热烟道、烟气余热回收烟道、尾部烟道，加热炉炉底水梁汽化冷却装置排出的烟气经加热炉出口烟道后分别进入空气-煤气预热烟道和烟气余热回收烟道，空气-煤气预热烟道和烟气余热回收烟道的出口烟气汇集后进入尾部烟道，其中，在烟气余热回收烟道中沿烟气流向顺次布置有高压过热器、高压蒸发器、低压过热器、高压省煤器、低压蒸发器，加热炉炉底水梁汽化冷却装置、烟气余热回收烟道结合高压锅筒、低压锅筒-除氧器分别形成高压汽水系统、低压汽水系统，产生蒸汽驱动汽轮机做功，其中，所述空气-煤气预热烟道中设置有沿烟气流向顺次布置的第一级空气预热装置和第一级煤气预热装置，所述加热炉出口烟道中设置有沿烟气流向顺次布置的第二级空气预热装置和第二级煤气预热装置，冷空气依次经过第一级空气预热装置、第二级空气预热装置预热到设定温度后送入加热炉烧嘴，冷煤气依次经过第一级煤气预热装置、第二级煤气预热装置预热到设定温度后送至加热炉烧嘴，其中，在尾部烟道内还设置有凝结水预热器，所述汽轮机与凝汽器、凝结水泵、凝结水预热器的进水口沿着汽水流程顺次连通，所述凝结水预热器的出水口与所述低压锅筒-除氧器的进水口连通。
优选地，所述低压锅筒-除氧器通过第二下降管与低压蒸发器的进水口连通，所述低压蒸发器的出汽口通过第四上升管与所述低压锅筒-除氧器的上升管口连通，形成自然循环回路，低压锅筒-除氧器通过出水管与给水泵的进水口连通，所述给水泵的出水口与所述高压省煤器的进水口连通，所述高压省煤器通过管道向所述高压锅筒供水，高压锅筒通过第一下降管与热水循环泵的进水口连通，所述热水循环泵的出水口分别向加热炉炉底水梁汽化冷却装置和加热炉出口烟道中的前置蒸发冷却器内提供冷却水，加热炉炉底水梁汽化冷却装置的出汽口通过第一上升管与高压锅筒的上升管口连通，所述前置蒸发冷却器的出汽口通过第二上升管与高压锅筒的上升管口连通，形成强制循环回路；所述高压锅筒通过第三下降管与所述烟气余热回收烟道中的高压蒸发器的进水口相连，所述高压蒸发器的出汽口通过第三上升管与所述高压锅筒的上升管口连通，形成自然循环回路。
优选地，所述汽轮机是补汽式汽轮机，所述高压锅筒的出汽口与高压过热器的进汽口相连，所述低压锅筒-除氧器的出汽口与低压过热器的进汽口相连，且所述高压过热器的出汽口与所述汽轮机的主蒸汽进口相连，所述低压过热器的出汽口与所述汽轮机的补汽进口相连。
优选地，所述烟气余热回收烟道是内置换热面的烟道或集成的余热锅炉。
优选地，所述低压锅筒-除氧器是低压锅筒和除氧器的组合，除氧器安装于低压锅筒上方，低压锅筒兼作除氧水箱。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例涉及的轧钢加热炉余热优化利用系统工艺流程图。
轧钢加热炉1、加热炉炉底水梁汽化冷却装置2、加热炉出口烟道3、空气-煤气预热烟道4、烟气余热回收烟道5、高压过热器501、高压蒸发器502、低压过热器503、高压省煤器504、低压蒸发器505、尾部烟道6、凝结水预热器7、低压锅筒-除氧器8、给水泵9、高压锅筒10、热水循环泵11、汽轮机12、凝汽器13、凝结水泵14、出水管81、第四上升管82、第二下降管83、第一上升管102、第一下降管101、第二上升管103、管路104、第三下降管105、第三上升管106。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的一种轧钢加热炉余热优化利用系统的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
本发明提供一种轧钢加热炉余热优化利用系统，包括轧钢加热炉1、空气-煤气预热烟道4、烟气余热回收烟道5、尾部烟道6、低压锅筒-除氧器8、高压锅筒10、汽轮机12。在烟气余热回收烟道5中沿烟气流向顺次布置有采用逆流布置的高压过热器501、高压蒸发器502、低压过热器503、高压省煤器504、低压蒸发器505。其中，所述高压、低压是为了区分汽水系统两个压力等级而进行的区分命名(如：高压蒸汽、低压蒸汽的压力分别设计为2.45MPa、0.5MPa)，并非绝对高压(如9.81MPa)、绝对低压(如0.8MPa)，并且，以下汽水流动方向均按图中箭头所示方向流动。
本实施例将汽水循环系统设计成自然循环+强制循环的复合循环方式，也就是将加热炉炉底水梁汽化冷却装置和处于过高温度区的前置蒸发冷却器设计成强制循环模式，将高压蒸发系统和除氧蒸发系统设置成自然循环模式。低压锅筒-除氧器8通过第二下降管83与所述低压蒸发器505的进水口相连，所述低压蒸发器505的出汽口通过第四上升管82与所述低压锅筒-除氧器8的上升管口连通，形成一个自然循环回路。
在轧钢加热炉1的底部设置有加热炉炉底水梁汽化冷却装置2，低压锅筒-除氧器8通过管路81与所述给水泵9的进水口连通，给水泵的出水口与高压省煤器504的进水口连通，高压省煤器504的出水口通过管路104与高压锅筒10连通。高压锅筒10通过第一下降管101与热水循环泵11的进水口连通，所述热水循环泵11的出水口与加热炉炉底水梁汽化冷却装置2的进水口连通，加热炉炉底水梁汽化冷却装置2的出汽口通过第一上升管102和高压锅筒10的上升管口连通，形成一个强制循环回路。
所述高压锅筒10通过第三下降管105与所述烟气余热回收烟道5中的高压蒸发器502的进水口相连，所述高压蒸发器502的出汽口通过第三上升管106与所述高压锅筒10的上升管口连通，形成一个自然循环回路。自然循环回路依靠下降管和上升管间工质密度差推动水循环，比较节能。强制循环回路、自然循环回路相互结合，在保证系统安全可靠的条件下兼顾了系统的节能运行。
此外，强制循环回路还包括另一支路，在加热炉出口烟道3内可以设置一级蒸发受热面，即前置蒸发冷却器301，特别地，所述前置蒸发冷却器可以采用顺流布置。热水循环泵11的出水管道分出一个支路与所述前置蒸发冷却器301的进水口连通，所述前置蒸发冷却器301的出汽口通过第二上升管103与所述高压锅筒10的上升管口连通。通过该前置蒸发冷却器301，可以吸收一部分加热炉的出口高温烟气热量，将烟气温度降低至一定温度，进而保证下游的换热设备的安全，而与常规的通过掺冷风降低烟温的方式相比，能够多产出一定量的蒸汽。
汽轮机12采用补汽式汽轮机，所述高压锅筒10的出汽口通过管路与所述烟气余热回收烟道中的高压过热器501的进汽口相连，从而产生高压过热蒸汽，所述高压过热器501的出汽口与所述汽轮机12的主蒸汽进口相连。低压锅筒-除氧器8的出汽口经管路与烟气余热回收烟道5中的低压过热器503的进汽口相连，从而产生低压过热蒸汽，该低压过热蒸汽经管路送入汽轮机12的补汽口。汽轮机可用于驱动发电机发电，也可用于拖动风机或水泵做功。在尾部烟道6内还设置有凝结水预热器7，所述汽轮机12的排汽口与凝汽器13、凝结水泵14、凝结水预热器7的进水口沿着汽水流程顺次连通，凝结水预热器7的出水口与低压锅筒-除氧器8的进水口相连。其中，所述凝汽器设置有补水口，以补充余热回收过程中损失掉的汽水。
烟气沿箭头A在轧钢加热炉1的加热炉出口烟道3中流动，并分别流动到空气-煤气预热烟道4、烟气余热回收烟道5中。所述加热炉出口烟道3分为两路，一路与所述烟气余热回收烟道5连通，另一路与所述空气-煤气预热烟道4连通。本实施例将空气和煤气的加热设计成分级加热模式，在满足加热炉燃烧需求的基础上提高了余热回收烟气的品位以利于烟气余热的有效利用。具体地说，所述空气-煤气预热烟道4中设置有沿烟气流向顺次布置的第一级空气预热装置401和第一级煤气预热装置402。所述加热炉出口烟道3中设置有沿烟气流向顺次布置的第二级空气预热装置302和第二级煤气预热装置303。特别地，前置蒸发冷却器301、第二级空气预热装置302和第二级煤气预热装置303在加热炉出口烟道3中沿烟气流向顺次布置。所述第一级空气预热装置401的空气出口端与所述第二级空气预热装置302的空气进口端相连，所述第一级煤气预热装置402的煤气出口端与所述加热炉出口烟道3中的第二级煤气预热装置303的煤气进口端相连。需要预热的空气经空气进口C1进入第一级空气预热装置401，经管路43进入第二级空气预热装置302，经空气出口C2通往加热炉烧嘴。同样地，需要预热的煤气经煤气进口D1进入第一级煤气预热装置402，经管路44进入第二级煤气预热装置303，经煤气出口D2通往加热炉烧嘴。经过烟气余热回收烟道5、空气-煤气预热烟道4处理的烟气在尾部烟道6中汇合并经低压省煤器吸热后通过加热炉烟囱排出。常规余热回收方法是先加热完空气和煤气后再考虑余热回收，经常会出现烟气将空气和煤气完全加热完以后温度不够高，属于低温余热，导致不易利用的情况，而本实施例将空气、煤气预热分级处理，使得空气、煤气预热和余热回收烟道内的换热温差均能得到保证，烟气余热利用效率大大提高。
此外，所述烟气余热回收烟道和空气-煤气预热烟道可以由一个烟道分隔而成，也可以是分别设置的两个独立的烟道。
此外，所述烟气余热回收烟道可以是传统的烟道并在烟道内设置换热面，也可以是集成的余热锅炉。
此外，所述低压锅筒-除氧器是低压锅筒和除氧器的组合，除氧器安装于低压锅筒的上方，低压锅筒能够兼作除氧水箱。
综上所述，本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对常规加热炉中空气和煤气加热方式存在的大温差造成大损的问题，将空气和煤气的加热设计成分级加热模式，并与加热炉尾部烟气余热回收统筹考虑，在满足加热炉燃烧需求的基础上提高了余热回收烟气的品位以利于烟气余热的有效利用，而且通过系统优化布局最大程度地回收了加热炉的烟气热能，系统较常规烟气利用模式更加合理，能量综合利用效率更高。
(2)本发明采用分级加热空气和煤气的方式，并将第二级空气预热装置和第二级煤气预热装置后的烟气分成两道，一道用于第一级空气和煤气预热，另一道用于余热回收(相当于空气-煤气预热烟道与烟气余热回收烟道并联运行)，与传统的空气和煤气加热完成后的烟气再进行余热回收相比，既能够满足空气、煤气预热的要求，又能够保证余热回收烟道内的换热效果，烟气余热利用效率提高。
(3)本发明将轧钢加热炉炉底水梁汽化冷却系统和轧钢加热炉尾部烟气余热回收系统进行整合，统一布局，采用加热炉炉底水梁汽化冷却装置和轧钢加热炉尾部烟气余热回收装置共用锅筒和除氧器的方式，降低投资成本。此外，将汽水循环系统设计成自然循环+强制循环的复合循环方式，在保证系统安全可靠的条件下兼顾了系统的节能运行。
(4)整套蒸汽系统设计成双压系统，根据烟气品位高低进行分级设计，将高能级的介质与高能级的烟气进行换热，低能级的介质与低能级的烟气进行换热，将高温烟气采用高压汽水系统进行换热，低温烟气采用低压汽水系统进行换热，不仅通过大幅降低轧钢加热炉排烟温度进而从“量”上回收轧钢加热炉烟气余热，而且按照能量品位高低实现了能源梯级优化利用进而从“质”上回收轧钢加热炉烟气余热。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。