鋼鐵企業(yè)富余煤氣綜合高效利用的探討

陳曉衛(wèi)

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

引言

鋼鐵企業(yè)生產過程中，產生大量的副產煤氣，在優(yōu)先供應工序生產后，煤氣往往仍有富余。為節(jié)能挖潛、降本增效，統(tǒng)一兼顧富余煤氣和各種余熱資源，做到發(fā)電和供熱的相對高效和平衡[1]。結合某鋼鐵企業(yè)余熱資源綜合效能提升項目的設計實踐，闡述設計思路及主要系統(tǒng)配置。

1 項目基本現狀

某鋼鐵企業(yè)燒結廠現有2 臺550 m2燒結機，配套建設2 臺600 m2環(huán)冷機雙壓余熱鍋爐，利用環(huán)冷機不同位置的排放煙氣溫度差異，梯度利用余熱資源，通過鍋爐產生兩種不同品質的蒸汽，高壓蒸汽1.8 MPa，380 ℃；低壓蒸汽0.5 MPa，180 ℃，分別進入1臺30 MW 汽輪發(fā)電機組發(fā)電。因燒結工藝設備檢修等諸多因素，余熱鍋爐產量波動較大，系統(tǒng)生產受到了不同程度的影響。

1.1 燒結余熱發(fā)電不足及不穩(wěn)定

燒結生產受自身工藝調整，上游原料供給工序、下游高爐生產調整的影響，燒結環(huán)冷余熱鍋爐產量波動較大。

（1）低壓蒸汽放散

余熱鍋爐處于低負荷運行時，余熱發(fā)電機組輸出功率較低，當機組負荷低于8.5 MW 時，受汽輪機設備的運行約束條件，余熱鍋爐產生的低參數蒸汽無法進入汽輪發(fā)電機組，造成低參數蒸汽排空放散。

（2）發(fā)電機組頻繁啟停

當一臺燒結機停爐或低負荷運行時，另一臺燒結機生產出現波動，造成兩臺燒結余熱鍋爐停爐或極低負荷運行，燒結余熱發(fā)電機組因蒸汽供應不足導致解列停機。

燒結系統(tǒng)檢修結束后恢復生產用時較短，但汽輪發(fā)電機組從解列到重啟的時間較長，期間循環(huán)水、油系統(tǒng)設備需正常維持運行，造成自用電率上升，燒結機啟動后至發(fā)電機投入前這一時期，鍋爐需要升溫升壓，蒸汽需要暖管，造成了資源的浪費。

（3）發(fā)電設備出力不足

根據運行實績，余熱發(fā)電汽輪機組短時發(fā)電達到29 MW，平均發(fā)電功率18.98 MW，為裝機容量的63.27%設備能力沒有發(fā)揮出來。

1.2 CDQ單元因抽汽減少發(fā)電量

燒結煤精區(qū)域處于蒸汽管網的末端，此區(qū)域用戶蒸汽用量20 t/h，溫度高于200 ℃。全廠蒸汽由兩臺50 t/h 的低壓鍋爐產生1.2 MPa、250 ℃蒸汽經過300 m 蒸汽管道輸送到煤精區(qū)域時，壓力約0.8 MPa左右，溫度約180 ℃左右，不滿足用戶要求。改造燒結煤精區(qū)域CDQ 高溫高壓發(fā)電單元，抽取20t/h 的高溫高壓(9.81 MPa，540 ℃)蒸汽經減溫減壓后補充管網，將該區(qū)域蒸汽的溫度提高到200 ℃。CDQ 機組抽蒸汽送管網后，機組的發(fā)電量減少了4 000 kW，影響了CDQ單元效益。

1.3 富余煤氣利用

全廠高爐煤氣富余4萬～10萬m3/h，煤氣長期處于放散的狀態(tài)，既浪費能源，也不利于環(huán)境保護。

2 改造方案

2.1 改造總體內容

燒結余熱發(fā)電系統(tǒng)的汽輪機主蒸汽設計量為130 t/h，設計壓力1.6 MPa，溫度350 ℃；補汽流量40 t/h，設計壓力0.4 MPa，溫度170 ℃，額定功率為30 MW。保持汽輪機不停機的負荷率在30%以上，對應汽輪機主蒸汽進汽量約39 t/h。所以本項目新建煤氣鍋爐的額定蒸發(fā)量設計為40 t/h，可滿足燒結余熱發(fā)電系統(tǒng)不會因燒結工藝的影響而停機，同時通過補汽進入汽輪機發(fā)電，也提高了燒結余熱發(fā)電機組的設備發(fā)電能力。

根據熱力計算，新建煤氣鍋爐額定負荷下需要燃燒高爐煤氣4 萬m3/h，可部分解決煤氣放散。

燒結余熱發(fā)電機組在0～8.5 MW 工況下及臨時停機時，新建煤氣鍋爐所產蒸汽40 t/h 全部進入汽輪機，保證不停機；在8.5～26 MW 負荷狀態(tài)下，新建煤氣鍋爐蒸汽20 t/h 進入燒結余熱汽輪機提高發(fā)電量。20 t/h進入低壓蒸汽管網提高區(qū)域管網溫度，滿足低壓蒸汽用戶需求；燒結余熱發(fā)電機組自身滿負荷工況時，新建煤氣鍋爐50%負荷運行，只產生20 t/h的蒸汽量，全部進入低壓蒸汽管網提高區(qū)域管網溫度。

2.2 鍋爐方案

鍋爐整體參數如下。

額定蒸發(fā)量：40 t/h；額定蒸汽溫度:375 ℃；

額定工作壓力:1.8 MPa；

鍋爐燃料形式:高爐煤氣；

鍋筒工作壓力:2.0 MPa；

給水溫度:104±2 ℃；進風溫度:20 ℃；

排煙溫度:140 ℃；余熱利用率:86.5%；

額定燃耗:39 000 m3/h；粉塵含量＜15 mg/m3；

煙氣排放標準:SOx含量＜50 mg/m3。

新建煤氣鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、Π型室外布置。鍋爐前部為膜式水冷壁爐膛，頂部水平煙道亦為膜式水冷壁結構，尾部豎井為全密封式鋼煙道。因此鍋爐具有良好的密封性能和保溫性能。膜式壁四周設置了剛性梁以抵抗因煙氣脈動引起的振動。水平煙道內布置兩級對流過熱器，兩級過熱器之間設置噴水減溫器。尾部煙道中布置兩級省煤器和兩級空氣預熱器。

鍋爐構架采用全鋼結構，按7°（或7°以下）地震烈度設防。爐膛及過熱器、水平煙道全部懸吊于頂部鋼梁上。尾部兩級省煤器和空氣預熱器放置在后部的柱和梁上。

全部采用輕型爐墻，既保證了鍋爐的密封，減少了熱損失，又省去了大量的耐火材料和復雜易漏的密封結構，提高了鍋爐的性能，減少了爐墻投資。省煤器采用高效螺旋鰭片管?？諝忸A熱器布置在省煤器后，采用立式、內搪瓷管結構。鍋爐以平衡通風方式運行。給水通過省煤器后進入鍋筒，再經下降管分配至四周水冷壁的下集箱，在上升管內受熱汽化，生成的汽水混合物由各自的上集箱導入鍋筒中進行分離，分離出的飽和蒸汽經頂棚過熱器、低溫過熱器、高溫過熱器過熱到375 ℃后送出。

2.3 煙氣處理

根據對企業(yè)內部高爐煤氣燃燒設施的調研分析，高爐煤氣燃燒產生SOX含量在70～110 mg/m3，NOX含量在10～15 mg/m3；企業(yè)所在地區(qū)鍋爐煙氣的允許指標分別為SOX≤50 mg/m3、NOX≤150 mg/m3。因此要建設煙氣脫硫設施，達到環(huán)保排放的要求。

脫硫工藝考慮到無脫硫廢水產生、工程造價、脫硫效率等因素，采用了目前較為成熟的半干法循環(huán)流化床脫硫工藝，基本工藝流程為煙氣→吸收塔→布袋除塵器→引風機→煙囪。

3 生產運行情況

煤氣鍋爐投入運行后，鍋爐可以最大連續(xù)穩(wěn)定送出蒸汽38.5～41 t/h，蒸汽壓力1.75～1.8 MPa，蒸汽溫度約380 ℃。鍋爐煙氣SOX含量約23 mg/m3，滿足環(huán)保排放要求。

表1顯示了煤氣鍋爐投運后燒結發(fā)電機組的運行工況。

表1 各種運行工況組合

新建鍋爐持續(xù)運行期間，30 t/h 左右的蒸汽量補入了汽輪機發(fā)電，提高了汽輪機的發(fā)電量。其余約10 t/h 蒸汽通過減溫減壓補入低壓管網，取消了CDQ 單元高溫高壓蒸汽的抽汽，既提高了管網溫度，煤精區(qū)域蒸汽的品質達到了要求，CDQ 也提高了發(fā)電量。

在一臺燒結檢修，另一臺燒結低負荷或臨時停機時，將40 t/h 蒸汽全部進入燒結汽輪機，保證汽輪機不停機，減少了汽輪機的頻繁啟停機，增加了汽機壽命，也提高了燒結蒸汽的發(fā)電效率，避免蒸汽放散及頻繁啟停機的無效消耗。

4 結論

本方案充分利用富余煤氣，解決了蒸汽管網溫度低、燒結余熱發(fā)電不足、CDQ 單元抽汽的問題，為煤氣利用提供了新的思路和方法，值得行業(yè)借鑒和參考。