鋼鐵廠煤氣及蒸汽發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

祝百東，王艷紅

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 前言

近年來，國家大力提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)，號召節(jié)能減排。作為用能大戶的鋼鐵企業(yè)，節(jié)能顯得更為重要。不斷地提高能源的綜合利用效率，降低綜合能耗指標(biāo)，成為鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提高競爭力的必然趨勢。

鋼鐵企業(yè)在正常生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品——煤氣和低品質(zhì)的蒸汽，有些企業(yè)將其直接放散，這樣既造成浪費(fèi)又污染了環(huán)境。將這部分富裕煤氣及蒸汽收集起來用于發(fā)電，不僅改善了企業(yè)環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生電能，對企業(yè)的電力供應(yīng)進(jìn)行有益的補(bǔ)充。

2 鋼鐵廠煤氣及蒸汽富裕量現(xiàn)狀

鋼鐵廠中的的富裕煤氣主要是高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，一般高爐煤氣除供煉鐵熱風(fēng)爐、燒結(jié)機(jī)以及棒、線材軋鋼車間加熱爐使用外，會(huì)有大量富裕。而轉(zhuǎn)爐煤氣部分由煉鋼系統(tǒng)自用外，如無其他用戶，也會(huì)有一定的富裕量。一般鋼廠會(huì)通過煤氣放散塔對其進(jìn)行放散，浪費(fèi)了大量的煤氣能源。

低壓蒸汽主要來自轉(zhuǎn)爐、電爐、加熱爐汽化冷卻及近幾年興起的燒結(jié)余熱鍋爐，這部分蒸汽除少量供公司生產(chǎn)、生活等使用外，大部分常年處于放散狀態(tài)，造成了能源和資源（水）浪費(fèi)。

以一個(gè)年生產(chǎn)能力140萬t的鋼鐵企業(yè)為例，廠區(qū)煤氣富裕量詳見表1；蒸汽富裕量詳見表2。

表1 廠區(qū)煤氣富裕量表

表2 廠區(qū)蒸汽富裕量表

3 發(fā)電機(jī)組方案及系統(tǒng)組成

3.1 裝機(jī)方案的確定及可行性分析

根據(jù)表1可知，廠區(qū)富裕大量的煤氣，根據(jù)煤氣量核算，可選擇新建一套40 t/h中溫中壓燃燒煤氣鍋爐，配套一套9MW中壓汽輪發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)表2可知，蒸汽來源主要為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻及燒結(jié)余熱鍋爐。其中轉(zhuǎn)爐汽化冷卻蒸汽壓力、流量波動(dòng)大，很難直接利用。而燒結(jié)余熱鍋爐雖然產(chǎn)汽壓力穩(wěn)定，但產(chǎn)汽量較少，單獨(dú)用于發(fā)電不經(jīng)濟(jì)。把轉(zhuǎn)爐汽化冷卻蒸汽穩(wěn)壓后，將其與燒結(jié)余熱鍋爐蒸汽混合用于發(fā)電，可以提高裝機(jī)容量，降低總投資。根據(jù)廠區(qū)富裕的蒸汽量和壓力，壓力0.8 MPa以上蒸汽為38 t/h作為主汽，0.4 MPa蒸汽～4.5 t/h作為補(bǔ)汽，可選擇一套6MW飽和蒸汽補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。

3.2 主機(jī)設(shè)備參數(shù)

3.2.1 9MW中壓汽輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)參數(shù)

（1）燃?xì)忮仩t參數(shù)：

臺數(shù)：1臺

鍋爐額定出力：40 t/h

過熱器出口壓力：3.82 MPa

過熱器出口溫度：450℃

鍋爐給水溫度：104℃

鍋爐排煙溫度：≤160℃

鍋爐排污率：2%

鍋爐設(shè)計(jì)熱效率：≥87%

空氣預(yù)熱器進(jìn)口溫度：20℃

空氣預(yù)熱器出口溫度：≤370℃

負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍：30%～110%

鍋爐點(diǎn)火方式：轉(zhuǎn)爐煤氣

設(shè)計(jì)燃料：50%高爐煤氣+50%轉(zhuǎn)爐煤氣

（2）汽輪機(jī)：

臺數(shù)：1臺

型號：N9-3.43型

汽輪機(jī)額定功率：9MW

主汽門前蒸汽壓力：3.43 MPa(a)

最高：3.62 MPa(a)

最低：3.14 MPa(a)

主汽門前蒸汽溫度:435℃

最高：445℃

最低：420℃

額定進(jìn)汽量：40 t/h

額定排汽壓力：0.005 MPa(a)

（3）發(fā)電機(jī)：

臺數(shù)：1臺

型號：QFW-9-2

額定功率：9MW

額定電壓：10.5kV

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

功率因數(shù)：0.8

頻率：50 Hz

冷卻方式：密閉循環(huán)空氣系統(tǒng)

勵(lì)磁方式：無刷勵(lì)磁

3.2.2 6MW飽和蒸汽補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)參數(shù)

（1）汽輪機(jī)：

臺數(shù)：1臺

機(jī)組型式：飽和蒸汽補(bǔ)汽凝汽式

額定進(jìn)汽量：38 t/h

主汽門前蒸汽壓力：0.8 MPa(a)

主汽門前蒸汽溫度:171℃

額定補(bǔ)汽量：0～8 t/h

補(bǔ)汽速關(guān)閥前壓力：0.4 MPa(a)

補(bǔ)汽溫度:145℃

額定排汽壓力：～0.007 MPa(a)

（2）發(fā)電機(jī)：

臺數(shù)：1臺

型號：QF2W-6-2

額定功率：6MW

額定電壓：10.5kV

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

功率因數(shù)：0.8

頻率：50 Hz

冷卻方式：密閉循環(huán)空氣系統(tǒng)

勵(lì)磁方式：無刷勵(lì)磁

3.3 主要熱力系統(tǒng)

圖1為9MW中壓汽輪發(fā)電系統(tǒng)流程圖，圖2為6MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖。

圖19MW中壓汽輪發(fā)電系統(tǒng)流程圖

圖26MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖

3.3.1 蒸汽系統(tǒng)

（1）9MW機(jī)組蒸汽系統(tǒng)

9MW機(jī)組主蒸汽管道采用單元制管道系統(tǒng)，進(jìn)入9MW汽輪機(jī)的主蒸汽由新建的鍋爐供給。

（2）6MW機(jī)組蒸汽系統(tǒng)

根據(jù)煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)的特點(diǎn)，其汽化冷卻產(chǎn)生的蒸汽流量及壓力波動(dòng)大，且為飽和蒸汽，品位較低，直接用于發(fā)電無論對于汽輪機(jī)組本體安全性還是生產(chǎn)組織連續(xù)運(yùn)行都產(chǎn)生重要影響。為保證汽輪機(jī)用汽的連續(xù)性，在進(jìn)入汽輪機(jī)前設(shè)有蓄熱器。根據(jù)蒸汽參數(shù)，進(jìn)入蓄熱器的蒸汽參數(shù)為～1.3 MPa，蓄熱器的出口蒸汽壓力為0.8 MPa。轉(zhuǎn)爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽經(jīng)蓄熱器后調(diào)節(jié)閥送出，與燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽合并后，經(jīng)過蒸汽濾潔器，作為主汽最后進(jìn)入6MW蒸汽汽輪機(jī)中。

燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的0.4 MPa連續(xù)的低壓飽和蒸汽經(jīng)過蒸汽濾潔器，作為補(bǔ)汽進(jìn)入6MW蒸汽汽輪機(jī)。

3.3.2 主給水系統(tǒng)

9MW機(jī)組主給水系統(tǒng)分設(shè)低壓給水母管和高壓給水母管。高壓給水母管采用切換單母管系統(tǒng)，低壓給水母管采用單母管系統(tǒng)。

3.3.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

（1）9MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)

9MW機(jī)組的凝結(jié)水由設(shè)在汽輪機(jī)底部凝結(jié)水泵送入除氧、回?zé)嵯到y(tǒng)后進(jìn)入鍋爐循環(huán)使用。

（2）6MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)

6MW飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水，由設(shè)在汽輪機(jī)底部凝結(jié)水泵送入軟水箱，再由2臺軟水泵送回轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)及燒結(jié)余熱鍋爐的軟化水箱，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水的回收利用。

另外，兩套發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)還包含抽真空系統(tǒng)、機(jī)組軸封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)和工業(yè)水系統(tǒng)，其中9MW機(jī)組還包括除氧系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、鍋爐排汽、排污系統(tǒng)、加藥、取樣系統(tǒng)等。

4 飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的汽源不同于煤氣發(fā)電系統(tǒng)中燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的壓力、流量穩(wěn)定的過熱蒸汽，其蒸汽根據(jù)來源的不同，蒸汽品質(zhì)相差較大。如煉鋼轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)只在吹煉期產(chǎn)生蒸汽，非吹煉期不產(chǎn)生蒸汽。其蒸氣的壓力、流量波動(dòng)非常大，且為飽和蒸汽，濕度大，直接用于發(fā)電將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)大、汽輪機(jī)易發(fā)生水蝕現(xiàn)象，不利于發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)的難點(diǎn)是如何保證飽和蒸汽的壓力、流量穩(wěn)定、干度等。

4.1 飽和蒸汽壓力的平穩(wěn)及蓄熱器的選擇

根據(jù)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽的間斷性和波動(dòng)性，可以裝設(shè)蓄熱器來克服這些問題。在轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)中，廣泛采用的蓄熱器是濕式變壓式蓄熱器。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹氧時(shí)，汽化冷卻裝置產(chǎn)生的多余蒸汽被引入蓄熱器內(nèi)，容器里的壓力漸漸升高，蒸汽在蓄熱器內(nèi)將水加熱并凝結(jié)成水，使蓄熱器里水的熱焓值升高到與引入蒸汽壓力p1相對應(yīng)的飽和水焓值，此時(shí)蓄熱器中的水位也由于蒸汽的凝結(jié)而升高。在轉(zhuǎn)爐非吹氧期或蒸發(fā)量較小的瞬間，當(dāng)發(fā)電機(jī)組繼續(xù)用汽時(shí)，蓄熱器中的壓力就下降，此時(shí)蓄熱器中水的熱焓值比降壓后相對應(yīng)的飽和水焓值大，部份水被蒸發(fā)以彌補(bǔ)產(chǎn)汽的不足，進(jìn)而保證連續(xù)穩(wěn)定的向發(fā)電機(jī)組供汽，蓄熱器所允許的最低壓力為p2。

蓄熱器容積按下式計(jì)算：

式中：

V——蓄熱器的容積，m3；

Gx——蓄熱器的計(jì)算蓄熱能力，kg；

g0——單位蓄熱能力，kg/m3；

η蓄熱器的熱效率，一般η＝0.99；

φ——蓄熱器沖水系數(shù)。

其中g(shù)0由下式可得：

式中：

i′1、i′2——壓力p1和p2時(shí)飽和水的焓，kJ/kg；

i″1、i″2壓力 p1和 p2時(shí)飽和蒸汽的焓，kJ/kg；

r′1——壓力p1時(shí)飽和水的密度，kg/m3。

根據(jù)計(jì)算，6MW發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中增設(shè)1臺150 m3蓄熱器與原有2臺50 m3蓄熱器并聯(lián)使用，進(jìn)汽壓力1.3 MPa，出汽壓力0.8 MPa。

4.2 飽和蒸汽干度的提高

在6MW發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽具有一定的過熱度，因此轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蓄熱器穩(wěn)壓后與其合并可有效的提高蒸汽的干度，而且主蒸汽及補(bǔ)汽在進(jìn)入汽輪機(jī)之前要先通過蒸汽濾潔器，進(jìn)一步提高了蒸汽干度，有效地增加了系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)可靠性，提高了機(jī)組發(fā)電效率。

4.3 飽和蒸汽汽機(jī)葉片特點(diǎn)

根據(jù)飽和蒸汽易產(chǎn)生凝結(jié)水的特點(diǎn)，在汽輪機(jī)的未級葉片的邊沿采用抗腐蝕耐磨的材料，同時(shí)在易產(chǎn)生凝結(jié)水的葉片和軸上開有導(dǎo)水槽，將蒸汽做功過程中產(chǎn)生的凝結(jié)水及時(shí)導(dǎo)出汽缸，避免對后面的葉片產(chǎn)生水擊，保證汽輪機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語

利用鋼鐵廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的富裕煤氣、低壓飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)安全、可靠，既避免了煤氣、蒸汽的放散及其產(chǎn)生的污染，同時(shí)節(jié)能減排的效果顯著，具有很好的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益。

[1]蔡發(fā)明，鄒永紅.飽和蒸汽發(fā)電在鋼鐵廠的應(yīng)用[J].節(jié)能與綜述.2009年增刊.

[2]江彥軍.飽和蒸汽發(fā)電在天鐵的應(yīng)用[J].天津冶金.2010年第6期.

[3]李冬慶，張華，米靜，張恒春.轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)及其參數(shù)選擇[J].熱力發(fā)電.2008年第11期.