螺桿膨脹機(jī)余熱余壓回收技術(shù)及其在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

白俊麗（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300400）

螺桿膨脹機(jī)余熱余壓回收技術(shù)及其在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

白俊麗
（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300400）

介紹螺桿膨脹機(jī)的工作原理、性能特點(diǎn)，分析其在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用情況，認(rèn)為采用螺桿膨脹機(jī)余熱回收系統(tǒng)對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗具有重要意義。

節(jié)能；余熱余壓回收；螺桿膨脹機(jī)；鋼鐵行業(yè)

1　鋼鐵企業(yè)能源及其利用狀況

2015年中國(guó)鋼鐵工業(yè)總能耗4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)總能耗的16.3%。我國(guó)鋼鐵能源利用效率約為30%～50%，與國(guó)際先進(jìn)水平相比我國(guó)噸鋼可比能耗高出10%～20%。目前我國(guó)能源形勢(shì)嚴(yán)峻的根本原因在于用能效率低下。

鋼鐵工業(yè)余熱余壓中品質(zhì)較高且穩(wěn)定的高溫高壓蒸汽、各種熱值的煤氣等回收利用可行性高，目前已得到較為充分的回收利用。品質(zhì)略低的加熱爐汽化冷卻余熱余壓等具有回收利用可行性，到目前為止并沒有得到完全的利用。這類余熱余壓的有效回收利用是鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的重要途徑。

2　螺桿膨脹機(jī)余熱余壓發(fā)電技術(shù)

近30年來，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了各種低品質(zhì)能源回收技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低參數(shù)、大容量、分散的各種能源進(jìn)行回收，并在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中開始應(yīng)用。其中螺桿蒸汽膨脹機(jī)［1］和ORC螺桿膨脹機(jī)［2］在近幾年內(nèi)逐步顯示其技術(shù)的優(yōu)越性。

2.1發(fā)電原理及主要設(shè)備

（1）發(fā)電原理：螺桿膨脹機(jī)發(fā)電回收余熱是以蒸汽和有機(jī)工質(zhì)為熱載體實(shí)現(xiàn)朗肯熱力循環(huán)，將熱能做功推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（2）發(fā)電設(shè)備—螺桿膨脹機(jī)：它是一種根據(jù)容量變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機(jī)械。主要由一對(duì)陰陽螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件及聯(lián)軸器等部件組成。其缸體呈兩圓相交的“∞”型，兩軸按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)，互相嚙合的螺旋陰陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。做功介質(zhì)（熱載體）先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽，并推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽加長(zhǎng)容積擴(kuò)大，介質(zhì)降壓降溫膨脹做功，最后排出，功率從主軸陽螺桿輸出，帶動(dòng)動(dòng)力機(jī)或發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2.2螺桿膨脹機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)

螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)按低品位熱源是否直接驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹機(jī)做功，可分為常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)與有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)是將含熱流體直接引入螺桿膨脹機(jī)主機(jī)并推動(dòng)主機(jī)膨脹做功。該類型系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，適用于高溫高壓流體的能量回收。受膨脹能力限制，熱源應(yīng)用范圍為低于300℃的0.15～3.0MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以上、高于170℃的熱水等。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)（ORC型）是低壓液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵庵?，推?dòng)螺桿膨脹機(jī)做功，產(chǎn)生能量輸出，螺桿膨脹機(jī)出口的低壓蒸氣進(jìn)入冷凝器，向低溫?zé)嵩捶艧岵⒗淠秊橐簯B(tài)，如此往復(fù)循環(huán)。對(duì)小于的0.1MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以下、高于85℃的熱水、煙氣、可以采用二次循環(huán)有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。

2.3螺桿膨脹機(jī)余熱余壓發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

從目前國(guó)內(nèi)螺桿膨脹機(jī)余熱余壓發(fā)電裝置的運(yùn)行情況來看，其應(yīng)用實(shí)踐已有如下特點(diǎn)：（1）可以回收不同種類的工業(yè)余熱；（2）變工況適用范圍大，且機(jī)組效率表現(xiàn)穩(wěn)定；（3）機(jī)組輸出功率空間大，彌補(bǔ)了蒸汽輪機(jī)單機(jī)功率不能太小的空間；（4）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

3　螺桿膨脹機(jī)在天津市鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用狀況

螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)在電廠、石化等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。鋼鐵行業(yè)是天津市第一大耗能行業(yè)，一直是節(jié)能工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為推動(dòng)本市鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗和能源的綜合利用工作，市政府積極在鋼鐵企業(yè)中推廣蒸汽螺桿膨脹機(jī)和ORC螺桿膨脹機(jī)二級(jí)梯度發(fā)電技術(shù)。

天豐鋼鐵公司率先在鋼鐵企業(yè)采用浙江開山的梯級(jí)發(fā)電余熱余能回收技術(shù)及設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在軋鋼加熱爐的余熱蒸汽和轉(zhuǎn)爐水冷低壓飽和蒸汽的回收發(fā)電上。其軋鋼加熱爐蒸汽發(fā)電電站采用兩級(jí)梯度發(fā)電工藝：第一級(jí)，將加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽（壓力為0.5MPa，溫度為160℃）引至蒸汽型螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組；發(fā)電后，能源介質(zhì)變壓力為0.018MPa，溫度為102℃的水蒸汽。第二級(jí)，將從第一級(jí)蒸汽螺桿膨脹機(jī)排出的蒸汽送進(jìn)ORC螺桿膨脹機(jī)發(fā)電；發(fā)電后，加熱有機(jī)工質(zhì)的水蒸氣變?yōu)?5℃的軟水，回收再利用。第二級(jí)機(jī)組發(fā)電不但回收了一般熱功轉(zhuǎn)換裝置不能利用的水蒸汽的低溫余熱，而且冷凝水可以循環(huán)利用，大大地提高了能源的利用率，可以達(dá)到了余熱、余能的吃干榨凈。

改系統(tǒng)余熱發(fā)電項(xiàng)目2016年4月份凈發(fā)電量55.9萬千瓦時(shí)，機(jī)組日平均凈發(fā)電2萬千瓦時(shí)，按年運(yùn)行330天、電價(jià)0.73元測(cè)算，年凈發(fā)電660萬千瓦時(shí)，折合節(jié)能量2244噸標(biāo)準(zhǔn)煤、減排量5834噸二氧化碳，年節(jié)能效益481.8萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

天津市還有幾家鋼鐵企業(yè)正在進(jìn)行螺桿膨脹機(jī)中低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，總裝機(jī)容量6326KW（其中蒸汽螺桿膨脹機(jī)4537KW，ORC螺桿膨脹機(jī)1825KW），預(yù)計(jì)年可發(fā)電量4364.6Kwh，減少CO2排放36994噸，年節(jié)能效益2793.33萬元。

4　總結(jié)

螺桿膨脹機(jī)余熱余壓回收技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用有效解決了高品質(zhì)能源發(fā)電后蒸汽放散及分散的熱源浪費(fèi)問題，有利于企業(yè)將能源吃干榨凈。目前鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能過剩和環(huán)境污染兩大考驗(yàn)，螺桿膨脹機(jī)余熱余壓發(fā)電的技術(shù)應(yīng)用，能從節(jié)能減排方面為企業(yè)增效和改善環(huán)境發(fā)揮重要作用。

［1］楊金煥，夏葵，姚艷霞等.兩相螺桿膨脹機(jī)的發(fā)展及其在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.制冷，2003，22（01）:23-27.

［2］談西峰，李維毅，史維秀.非共沸混合工質(zhì)用于螺桿膨脹機(jī)雙循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)的理論研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（06）:136-141.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.001

白俊麗（1984-），女，湖北人，碩士，講師，主要從事冶金技術(shù)教學(xué)及科研工作。