高爐煤氣余壓回收設(shè)備探討

張安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

高爐煤氣余壓回收設(shè)備探討

張安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

高爐安裝TRT是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益十分可觀的能源回收技術(shù)。介紹了TRT的發(fā)展、透平裝置的各種結(jié)構(gòu)、透平裝置工況點(diǎn)以及爐頂壓力控制，并對(duì)不同工況下透平回收效率進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效、改善煉鐵區(qū)域環(huán)境，確保高爐安全生產(chǎn)。

TRT；透平裝置；工況點(diǎn)；壓力控制；節(jié)能減排

1 引言

《鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》規(guī)定新建高爐必須同步配套余壓發(fā)電裝置TRT。高爐爐頂壓力提高后，煤氣余壓能源應(yīng)予以回收。

采用高爐煤氣余壓透平裝置TRT，能夠回收約占高爐鼓風(fēng)機(jī)能耗30%～40%的能量，同時(shí)還可提高煤氣質(zhì)量，減少減壓閥組對(duì)環(huán)境的噪聲污染。本文擬就探討高爐煤氣能量回收以及推廣節(jié)能增效的意義作一簡(jiǎn)要介紹。

2 TRT的發(fā)展歷程

國(guó)外：從1956年，蘇聯(lián)開始研究TRT。1962年，蘇聯(lián)研制的第一套半干式軸流沖擊TRT投入運(yùn)行。1969年，法國(guó)索夫萊爾公司研制的徑流反動(dòng)式TRT投入運(yùn)行。1974年，日本研制的二級(jí)向心式TRT投入運(yùn)行。1976年，日本研制的濕式軸流反動(dòng)式TRT投入運(yùn)行。1982年，日本研制的干式TRT在日本投入運(yùn)行。1998年，由日本提供的干式TRT在攀鋼投入運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)：1976年，開始研制與開發(fā)TRT。1982年，首鋼、寶鋼從日本引進(jìn)濕式TRT。1984年，國(guó)產(chǎn)第一套濕式TRT在梅山鋼鐵公司投入運(yùn)行。1987年，國(guó)產(chǎn)濕式一級(jí)可調(diào)TRT在酒鋼投入運(yùn)行。1991年，武鋼從日本引進(jìn)干濕兩用TRT。1988年，國(guó)產(chǎn)濕式兩級(jí)靜葉可調(diào)(一、二級(jí)均可調(diào))TRT在包鋼、昆鋼投入運(yùn)行。2002年，國(guó)產(chǎn)干濕兩用TRT在首鋼投入運(yùn)行。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)1000 m3以上高爐的TRT使用率約為73%。其中引進(jìn)日本川崎、三井的設(shè)備共約十余套。

國(guó)產(chǎn)TRT已在馬鋼和寶鋼4000 m3及5000 m3級(jí)高爐上使用，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)TRT大型化已逐漸進(jìn)入成熟階段。

3 TRT的分類

目前，從國(guó)內(nèi)外TRT的運(yùn)行流程來(lái)看，大體可分為三種形式：

單流程式：1座高爐帶1臺(tái)TRT。

雙流程式：1座高爐帶2臺(tái)TRT，2臺(tái)同一軸，1個(gè)進(jìn)氣道和1個(gè)操作系統(tǒng)。

雙負(fù)載式：2座高爐帶2臺(tái)TRT，2臺(tái)同一軸，1個(gè)排氣道和1個(gè)操作系統(tǒng)。

以上三種形式的TRT各有利弊，單流程式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。雙流程的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備達(dá)不到大型TRT時(shí)，用兩臺(tái)小型TRT同樣可以達(dá)到出力的目的，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、效率偏低，成本高。目前隨著TRT大型化，已基本取代雙流程式。雙負(fù)荷式TRT可供兩座高爐使用，由于共用一個(gè)操作系統(tǒng)，一個(gè)軸、一個(gè)排氣道和一個(gè)發(fā)電機(jī)，因此，比建兩套TRT系統(tǒng)要節(jié)省投資，但操作匹配困難。

按透平的工質(zhì)來(lái)分，有濕式TRT，干、濕兩用TRT和干式TRT。對(duì)于干式TRT，其干式除塵后的煤氣溫度可達(dá)80～120℃，其工質(zhì)在透平的整個(gè)膨脹過(guò)程中不存在凝結(jié)現(xiàn)象。由于煤氣溫度的提高和除塵裝置阻損的降低，使干式TRT比濕式TRT一般多回收能量1/3左右。干、濕兩用TRT是一種干、濕兼顧型TRT，可以按除塵的干、濕工況運(yùn)行發(fā)電，適應(yīng)爐況的變化性強(qiáng)，有效地回收高溫、高壓的煤氣在溫降、壓降過(guò)程中釋放能量。

4 余壓透平裝置

4.1 透平裝置原理

利用高爐爐頂煤氣壓力能和氣體顯熱，把煤氣導(dǎo)入膨脹透平對(duì)外做功，通過(guò)透平機(jī)將高爐煤氣壓力能和部分熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。若將透平與發(fā)電機(jī)聯(lián)接，即構(gòu)成高爐煤氣頂壓回收透平發(fā)電裝置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，簡(jiǎn)稱TRT）。

TRT系統(tǒng)由煤氣膨脹透平、發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)、煤氣進(jìn)出口閥門系統(tǒng)、高低壓發(fā)配電系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)幾大部分組成。

TRT裝置具有三種功能：利用高爐煤氣余壓發(fā)電；利用透平的可調(diào)靜葉控制高爐爐頂煤氣壓力；對(duì)煤氣降溫，煤氣溫度通過(guò)TRT后降為約80℃～120℃，采用全量回收高爐煤氣能量。

4.2 透平裝置結(jié)構(gòu)

透平裝置從結(jié)構(gòu)形式分為三大類：徑流向心式（或反動(dòng)式）、軸流沖動(dòng)式、軸流反動(dòng)式，其效率分別為75%、80%、85%。

徑流式透平的效率大約比軸流式透平低10%，主要原因是氣流方向不斷變化并經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的氣流通道，引起較大的壓力損失。另外，由于透平轉(zhuǎn)子葉片壓損不同，軸流反動(dòng)式透平比軸流沖擊式透平效率高5%。隨著技術(shù)的發(fā)展，透平裝置的結(jié)構(gòu)從徑流發(fā)展到軸流，從沖動(dòng)式發(fā)展到反動(dòng)式；煤氣的調(diào)節(jié)也從調(diào)速閥發(fā)展到靜葉自動(dòng)調(diào)節(jié)，并采用以計(jì)算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高爐頂壓的自動(dòng)控制。

4.3 透平裝置布置

北方地區(qū):采用戶內(nèi)型布置的全封閉廠房，需設(shè)有通風(fēng)換氣設(shè)施排除室內(nèi)殘留的煤氣，需配置吊車。

南方地區(qū)：一般采用露天布置即戶外型，露天布置沒有廠房，設(shè)備直接安裝在機(jī)組平臺(tái)上，自然通風(fēng)條件好，保證透平裝置的安全運(yùn)行。檢修吊裝臨時(shí)采用汽車吊。

因此，透平裝置在外部環(huán)境允許的情況下盡量采用戶外型，以節(jié)約投資。

4.4 透平工藝流程及特點(diǎn)

4.4.1 工藝流程

高爐煤氣經(jīng)凈化后經(jīng)透平入口蝶閥、插板閥、緊急切斷閥進(jìn)入透平,再經(jīng)透平膨脹做功，經(jīng)過(guò)回收、利用的煤氣最后進(jìn)入低壓管網(wǎng)。其工藝流程見圖1。

圖1 透平工藝流程

4.4.2 主要特點(diǎn)

爐頂煤氣余壓發(fā)電裝置TRT的主要特點(diǎn)：

（1）TRT裝置自動(dòng)化控制水平高，可靠性強(qiáng)，安全性高，操作簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)的工作量小，投資回收年限短(一般為2～4年)。

（2）TRT裝置利用高爐煤氣的余壓發(fā)電，其自身消耗的能源較少，電耗約50 kW·h，水耗10 m3/h，氮?dú)饧s60 m3/h。

（3）TRT裝置運(yùn)行時(shí)，不僅能確保高爐生產(chǎn)的高效性，濕式TRT還具有除塵功效，能進(jìn)一步降低煤氣中的含塵量。

（4）當(dāng)TRT裝置發(fā)出的電能需并入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)容量需大于TRT發(fā)電量的20倍以上。

4.5 透平出力及工況點(diǎn)確定

（1）透平出力

透平出力計(jì)算依據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，N——透平功率，kW；

T1——透平入口煤氣溫度，K；

P1——透平入口煤氣壓力，kPa，絕壓；P2——透平出口煤氣壓力，kPa，絕壓；

fd——煤氣中水汽冷凝所放出的氣化潛熱的熱量修正系數(shù)，一般當(dāng)濕式除塵時(shí)fd=1.1～1.13；當(dāng)干式除塵時(shí)fd=1；

ηt——透平效率。

從上式可得出：透平功率與煤氣入口溫度、流量成正比，與煤氣出入口壓力間的壓縮比有關(guān)，與透平機(jī)效率成正比。

（2）工況點(diǎn)的確定

工況設(shè)計(jì)點(diǎn)一般是指生產(chǎn)中出現(xiàn)頻率最高的工況點(diǎn)。

正常煤氣入口壓力應(yīng)為高爐出現(xiàn)頻率最高的爐頂壓力，減去煤氣凈化的阻損。正常煤氣流量應(yīng)按正常爐腹煤氣量計(jì)算。此點(diǎn)應(yīng)為設(shè)計(jì)TRT的最佳工況點(diǎn)。

在高爐燃料比較高的時(shí)候，出現(xiàn)最高煤氣量。它與最大爐腹煤氣量或最大爐腹煤氣量指數(shù)相對(duì)應(yīng)。這時(shí)的煤氣壓力取正常煤氣入口壓力值。

最高煤氣壓力工況，較設(shè)計(jì)最高的爐頂壓力降低10～20 kPa后，再減去煤氣凈化系統(tǒng)的阻損，作為最高煤氣壓力值。

TRT設(shè)備的最高煤氣壓力應(yīng)按高爐最高的爐頂壓力減去煤氣凈化系統(tǒng)阻損確定。此壓力作為TRT設(shè)備的最高壓力線。

4.6 爐頂壓力控制

從TRT對(duì)爐頂壓力的控制方面考慮，對(duì)TRT裝置的能力要求有所不同。控制爐頂壓力的方式有兩種：

（1）平均回收方式。該方式是使通過(guò)TRT的最大設(shè)計(jì)煤氣量為高爐生產(chǎn)的煤氣量波動(dòng)幅度的平均值。爐頂壓力靠減壓閥組和透平靜葉角度來(lái)控制。當(dāng)高爐煤氣量小于TRT設(shè)計(jì)流量時(shí)，由透平靜葉角度控制爐頂壓力；當(dāng)高爐煤氣量大于TRT設(shè)計(jì)最大煤氣量時(shí)，由減壓閥組和TRT靜葉共同控制。

（2）全部回收方式。該方式是通過(guò)TRT的最大設(shè)計(jì)煤氣量比高爐產(chǎn)生的煤氣量大。爐頂壓力有透平靜葉自動(dòng)控制。由于TRT靜葉可調(diào)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)已采用第二種方式。對(duì)于第二種方式而言，更需要準(zhǔn)確的高爐煤氣通過(guò)量的數(shù)值，因?yàn)檫@種方法更容易出現(xiàn)TRT能力偏大的現(xiàn)象。

5 節(jié)能減排潛力

目前國(guó)內(nèi)有大中小高爐數(shù)百座，特別對(duì)大修、新建高爐項(xiàng)目推廣TRT裝置節(jié)能技術(shù)，促進(jìn)鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排已迫在眉睫；高爐TRT技術(shù)具有巨大潛力，市場(chǎng)前景廣闊，具有推廣價(jià)值。

目前，雖然我國(guó)1000 m3以上高爐TRT普及率超過(guò)90%，但TRT平均噸鐵發(fā)電量?jī)H為25 kW·h，最高54 kW·h/t鐵。我國(guó)要求干式TRT噸鐵發(fā)電量≥35 kW·h,濕式TRT噸鐵發(fā)電量≥30 kW·h。而日本TRT平均噸鐵發(fā)電量為41 kW·h。因此，目前我國(guó)TRT裝置存在能量回收效率低問(wèn)題，主要有以下原因：

（1）現(xiàn)有的高爐煤氣大部分采用濕式除塵，煤氣溫度低，同時(shí)保證煤氣清洗質(zhì)量，壓力損失較大，因此，濕式TRT回收效率明顯低于干式TRT效率。將目前高爐煤氣濕法除塵工藝改為干法除塵，可以大大提高TRT回收效率。

（2）高爐煤氣采用干法除塵后，針對(duì)不同高爐，其TRT結(jié)垢及腐蝕情況等因素，影響TRT作業(yè)率，從而使TRT回收效率降低。針對(duì)結(jié)垢及腐蝕嚴(yán)重的TRT，可在TRT入口管道快切閥后約1～1.5 m處增設(shè)緩蝕阻垢劑噴射裝置，緩蝕劑在葉片表面形成一層保護(hù)膜，既保護(hù)了葉片又可抑制結(jié)垢，從而提高TRT回收效率。

6 結(jié)論

高爐煤氣透平裝置對(duì)高爐是一項(xiàng)輔助的節(jié)能設(shè)備，它不僅可回收大量電能，降低煉鐵工序成本，而且可消除調(diào)壓閥組區(qū)域的振動(dòng)和噪聲，噪聲由約120 db（A）降至85 db（A）以下，大大改善了煉鐵區(qū)域的環(huán)境，同時(shí)確保高爐的安全生產(chǎn)和爐頂壓力的穩(wěn)定。

在保證高爐正常運(yùn)行下，提高透平功率，合理選擇透平裝置，可以采用以下途徑：

（1）透平結(jié)構(gòu)采用高效的軸流反動(dòng)式，煤氣調(diào)節(jié)采用靜葉自動(dòng)調(diào)節(jié)，并采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高爐頂壓的自動(dòng)控制。

（2）在外界環(huán)境允許情況下，盡量采用露天布置，減少占地，節(jié)約投資，降低成本，使透平裝置更好發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

（3）煤氣凈化工藝采用全干式除塵器，與濕式除塵相比透平回收功率可以提高30%～50%，有效提高透平回收功率，從而徹底解決了污環(huán)水造成的一系列環(huán)境污染和能耗高的問(wèn)題，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

A Discussion on the Equipment for Recovery of Blast Furnace Top Gas Pressure

Zhang An
(CISDIEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Chongqing401122,China)

Installation of TRT in blast furnace is an energy recovery technology with great economic benefits.This paper introduces the development of TRT,the various structures of turbine,key points in the operation of turbine and pressure control of top gas.The recovery efficiency of turbine under different conditions was analyzed,to achieve energy saving and efficiency increase,improve the environment of iron-making areas and ensure the safe production of blast furnaces.

TRT;turbine;operating point;pressure control;energy saving and emission reduction

X757

B

1006-6764(2014)12-0022-03

2012－08－06

張安（1961－），男，畢業(yè)于四川廣播電視大學(xué)，大學(xué)?？茖W(xué)歷，工程師，長(zhǎng)期從事冶金燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)、咨詢工作。