BPRT回收高爐能量的探討

張 安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013）

熱電

BPRT回收高爐能量的探討

張 安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013）

介紹了煤氣透平、電動機(jī)及高爐鼓風(fēng)機(jī)三機(jī)同軸機(jī)組(BPRT)組合情況及工藝特點(diǎn)，并對運(yùn)行中設(shè)備常出現(xiàn)的問題進(jìn)行綜合分析，提出了相應(yīng)的解決措施及建議。

BPRT;鼓風(fēng)機(jī);透平;控制;問題

1 引言

《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》規(guī)定鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的余壓、余熱應(yīng)予回收。BPRT這項(xiàng)新技術(shù)就是利用這部分能量直接作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能補(bǔ)充在高爐鼓風(fēng)機(jī)的軸系上，避免了能量的二次轉(zhuǎn)換，使驅(qū)動高爐鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)降低電流而節(jié)能，這不僅有效解決了煤氣環(huán)保問題，同時使企業(yè)取得了良好的回收效℃。

2 BPRT裝置

電動機(jī)+齒輪箱+高爐鼓風(fēng)機(jī)+離合器+煤氣透平機(jī)

煤氣透平機(jī)與電動機(jī)同軸驅(qū)動高爐鼓風(fēng)機(jī)，這種三機(jī)組合(Blast Furnace Power Recovery Turbine)簡稱BPRT。

高爐鼓風(fēng)機(jī)所需功率和煤氣透平所供功率一般不平衡，因此，高爐鼓風(fēng)機(jī)一端通過齒輪箱聯(lián)接電動機(jī)，另一端采用離合器聯(lián)接煤氣透平，這樣，電機(jī)可以提供煤氣透平與高爐鼓風(fēng)機(jī)功率之間的差額，補(bǔ)充高爐鼓風(fēng)機(jī)所需的功率。

當(dāng)煤氣透平工作時：離合器處于嚙合工作狀態(tài)，把透平回收的功率傳遞給高爐鼓風(fēng)機(jī)。

當(dāng)煤氣透平不工作時：離合器自動將透平斷開，從而不影響高爐鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，以保證高爐的正常生產(chǎn)。

主要組成部分：1）高爐鼓風(fēng)主機(jī)系統(tǒng)；2）煤氣透平主機(jī)系統(tǒng)；3）管網(wǎng)輸配與大型閥門系統(tǒng)；4）液壓潤滑控制系統(tǒng)；5）冷卻水系統(tǒng)；6）自動控制及高低壓電氣系統(tǒng)等。

2.1 高爐鼓風(fēng)機(jī)主機(jī)系統(tǒng)

高爐鼓風(fēng)機(jī)主要為高爐輸送穩(wěn)定的風(fēng)量和壓力，主機(jī)的調(diào)節(jié)控制主要有：流量控制、壓力控制、限負(fù)荷控制、防喘振控制、逆流保護(hù)和邏輯控制等，常用的是根據(jù)工藝流程的不同要求，設(shè)為等流量，定風(fēng)量調(diào)節(jié)，通過控制靜葉開度，來改變壓縮機(jī)的出口壓力，并保持流量穩(wěn)定?；蛟O(shè)為等壓力，定風(fēng)壓調(diào)節(jié)，通過控制靜葉開度，來改變流量，并保持壓縮機(jī)的出口壓力穩(wěn)定。

2.2 煤氣透平主機(jī)系統(tǒng)

透平運(yùn)行前：凈化后的煤氣通過減壓閥組進(jìn)入全廠煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)，由減壓閥組自動控制爐頂壓力。

透平運(yùn)行后：正常情況下，煤氣全量通過透平機(jī)組，減壓閥組全關(guān)，當(dāng)煤氣量超過透平最大通過量時，由減壓閥組協(xié)調(diào)透平控制頂壓。

煤氣通過透平機(jī)組膨脹做功帶動離合器，當(dāng)嚙合后從而給風(fēng)機(jī)的主電機(jī)省電。

2.3 高精度爐頂壓力智能穩(wěn)定系統(tǒng)

通過運(yùn)用管網(wǎng)流體力學(xué)原理，建立起頂壓波動量與控制調(diào)節(jié)量之間的高級數(shù)學(xué)模型和先進(jìn)控制算法，同時采用了一種具有自我修正完善功能的混合式智能專家控制算法和高級切換算法。

2.4 自動化控制系統(tǒng)

1）主要完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和初步處理，數(shù)據(jù)顯示和記錄，數(shù)據(jù)設(shè)定和生產(chǎn)操作，執(zhí)行對生產(chǎn)過程的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和邏輯順序控制。

2）主要部分由控制站、工程師站、操作員站、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及交換機(jī)（Switch）等設(shè)備組成。

控制站完成數(shù)據(jù)采集和初步處理，并執(zhí)行生產(chǎn)過程的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和邏輯順序控制。

操作員站可以進(jìn)行包括總貌顯示、分組顯示、操作顯示、調(diào)整顯示、趨勢顯示、報警顯示等多種方式顯示和記錄；通過鍵盤和鼠標(biāo)，按畫面操作提示進(jìn)行生產(chǎn)操作。

3）主要控制方式

“遠(yuǎn)程”與“就地”的選擇。

（1）當(dāng)選擇“遠(yuǎn)程”時，控制系統(tǒng)參與控制，其主要控制方式有“自動”和“手動”兩種：

在“自動”控制方式下，控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的控制方案，自動完成所有控制功能。通過PLC實(shí)現(xiàn)本功能。

在“手動”控制方式下，控制系統(tǒng)按照操作員的操作指令，完成設(shè)備的單獨(dú)控制。通過PLC實(shí)現(xiàn)本功能。

(2)當(dāng)選擇“就地”時，控制系統(tǒng)不參與控制，在現(xiàn)場操作箱上通過操作開關(guān)完成設(shè)備的單獨(dú)控制?！艾F(xiàn)場”控制方式主要用于設(shè)備檢修。

2.5 液壓潤滑控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要組成部分：由油泵、循環(huán)油泵、濾油器、加熱器、蓄能器、閥及配管等組成。

液壓系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)和透平提供不低于12 MPa的油壓，同時為緊急快切閥、旁通閥快切閥提供動力。

潤滑系統(tǒng)主要組成部分：由油泵、油箱、高位油箱、油冷卻器、油濾器、閥及配管組成。

潤滑系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)和透平的潤滑供油。其中高位油箱能保證兩臺油泵在出現(xiàn)故障時，短時為潤滑部位供油，以保證機(jī)組安全停穩(wěn)。

2.6 透平工藝流程

高爐煤氣經(jīng)重力除塵器、布袋除塵器、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。透平膨脹做功后、經(jīng)出口插板閥、蝶閥、進(jìn)入低壓管網(wǎng)。透平運(yùn)行異常時自動關(guān)閉緊急切斷閥，打開旁通快開閥，以保證透平安全停穩(wěn)，其工藝流程見圖1所示。

圖1 透平工藝流程

2.7 透平出力

透平出力計算依據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計算：

式中：N-透平功率,kW

T-透平入口煤氣溫度,℃

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fd=1.1耀1.13；當(dāng)干式除塵時fd=1

?t-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。

2.8 透平效率

透平分向心式、軸流沖動式、軸流反動式三種，其效率分別為75豫，80豫，85豫，它與氣體的流向、葉片壓損的不同有關(guān)。

另外，影響透平回收能量的因素還與高壓煤氣管網(wǎng)阻力、透平機(jī)進(jìn)口煤氣壓力和低壓煤氣管網(wǎng)壓力，煤氣流量、透乎機(jī)煤氣進(jìn)口溫度和透平機(jī)作業(yè)率等有關(guān)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，高爐采用計算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高爐頂壓的自動控制。

3 透平裝置需要探討的問題

1）在透平超轉(zhuǎn)速的情況下油門開啟不可靠，建議采用電子測速，在控制系統(tǒng)中設(shè)置次高轉(zhuǎn)速報警，超轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖關(guān)閉快切閥進(jìn)行停機(jī)，確保透平裝置的安全。

2）主油泵運(yùn)行不可靠，故障較多，影響透平運(yùn)行，并且維護(hù)較難，因此，需配置一用一備供油泵，取消主油泵，確保透平裝置的正常運(yùn)行。

3)目前干式煤氣凈化溫度高，透平機(jī)組進(jìn)、出口接管位移量較大，下進(jìn)下出機(jī)組穩(wěn)定性差，建議采用徑向進(jìn)軸向出的透平機(jī)組，可確保機(jī)組正常運(yùn)行。另外，還可降低機(jī)組的基礎(chǔ)和廠房高度，節(jié)省基建投資。

4)干式透平除垢及波紋補(bǔ)償器防腐

高爐煤氣干式透平機(jī)組積灰主要成分為氨鹽，其組成成分為：氯離子含量55%，氨(NH3)含量30%，不可溶殘渣15%左右。

近來，已研發(fā)成功通過在透平入口噴灑干式阻垢擠(主要成分有機(jī)胺、咪唑啉、表面活性劑等)，除垢效果非常顯著。

隨著鋼鐵企業(yè)爐料中海外礦比例的增加，燒結(jié)工藝中添加CaCl2及干法除塵和噴煤新工藝的采用，使高爐煤氣中腐蝕成分增加，金屬波紋膨脹節(jié)的腐蝕日℃嚴(yán)重，盡管國內(nèi)眾多補(bǔ)償器廠家采用了波紋管材質(zhì)升級，如選用316L、254Mo、Incoloy800、825、Inconel600、固容處理、波紋管表面噴涂耐腐蝕材料等方法，企圖解決金屬波紋膨脹節(jié)的腐蝕，但其平均使用壽命仍然很短，有的甚至幾個月，給冶金企業(yè)造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和安全生產(chǎn)隱患。鑒于以上情況，科研部門運(yùn)用全新理念研制成功的成熟而先進(jìn)的高分子復(fù)合波紋膨脹節(jié)。高分子復(fù)合波紋膨脹節(jié)是由高分子緩蝕層、阻蝕層、結(jié)構(gòu)層復(fù)合構(gòu)成，該高分子材質(zhì)能抵御酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑的腐蝕，且不受煤氣pH值和Cl謠等H2SxOy、硫化物、奈、焦油等含量的限制。適用溫度范圍-72~550℃，其壽命是金屬波紋膨脹節(jié)的2~4倍以上。

5）BPRT工藝管道設(shè)計中，存在著冷風(fēng)管道和煤氣管道布置較為復(fù)雜，特別是多座高爐共用。

干式透平煤氣進(jìn)口管對主機(jī)的推力過大引起機(jī)組的震動燒毀軸瓦的嚴(yán)重事故時有發(fā)生，所以更顯煤氣管道布置的重要性。

6）高爐煤氣具有爆炸危險的乙類火災(zāi)危險介質(zhì)，以煤氣泄漏源為中心，地坪上7.5 m高度和15 m半徑以內(nèi)范圍，泄漏源頂部7.5 m高度和7.5 m半徑以內(nèi)范圍為防爆2區(qū)；泄漏源15 m半徑范圍內(nèi)的地坪下的坑、溝為防爆1區(qū)。通常高爐鼓風(fēng)機(jī)廠房是按不防爆的，高爐煤氣透平機(jī)廠房是按防爆2區(qū)設(shè)計的，所以高爐鼓風(fēng)機(jī)廠房和高爐煤氣透平機(jī)廠房合二為一時，特別要注意電氣設(shè)備防爆的問題，如電動機(jī)防爆問題，吊車防爆問題，液壓潤滑站油泵防爆問題。儀表電氣現(xiàn)場控制箱防爆等問題。

4 同軸BPRT技術(shù)的展望

2004年5月在安陽永興鋼鐵公司380 m3同軸BPRT機(jī)組投入使用以來運(yùn)行平穩(wěn)，回收效率高，經(jīng)濟(jì)效℃顯著。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，BPRT機(jī)組相繼投產(chǎn)，近來天鋼1080 m3高爐BPRT投產(chǎn)和2012年四川威鋼1870 m3高爐BPRT的順利投產(chǎn)等，標(biāo)志著BPRT機(jī)組逐步向中型高爐上發(fā)展，為社會和企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效率。

5 結(jié)束語

隨著BPRT機(jī)組的相接投產(chǎn)，逐漸被各鋼鐵企業(yè)所認(rèn)識，接下來是探討如何在2000 m3以上高爐上使用，更好的貫徹國家節(jié)能減排的政策，更好的做到機(jī)組安全可靠，這具有深遠(yuǎn)的意義。

BPRT不僅能回收高爐爐頂煤氣所具有的壓力能和熱能，而且能夠降低減壓閥組的噪聲，利用煤氣透平將這部分能量直接作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能作用在高爐鼓風(fēng)機(jī)軸系上，節(jié)省了能量的二次轉(zhuǎn)換，提高能量利用效率3豫耀5豫，使高爐余壓煤氣回收裝置潛力得到充分發(fā)揮。

另外,同軸BPRT機(jī)組在配置上比分軸機(jī)組少了一臺發(fā)電機(jī)及發(fā)配電系統(tǒng)，一臺吊車，一套液壓潤滑系統(tǒng)，設(shè)備投資可比分軸機(jī)組少20豫耀30豫，廠房也相應(yīng)減少一座，占地面積也相應(yīng)減少約50%左右。在現(xiàn)目前土地資源非常緊張的情況下，這對企業(yè)來說是非常重要的。

A Discussion on Energy Recovery of Blast Furnace by BPRT Unit

Zhang An
(CISDI Engineering Technology Co,Ltd.,Chongqing 400013China)

The integration performance and technology characteristics of the co-axel unit of gas turbine,motor and blast furnace blower(BPRT)are introduced,the problems frequently occurring during equipment operation are comprehensively analyzed and corresponding mea原sures as well as proposals are put forward.

BPRT;blower;turbine;control;problem

TK11

B

1006-6764（2014）11-0030-03

2012－05－20

張安（1961原），男，大學(xué)?？茖W(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事冶金燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計、咨詢工作。