凌鋼提高自發(fā)電量的潛力分析和改進(jìn)措施

張艷珍

(凌源鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司能源環(huán)保部，遼寧 凌源 122500)

0 引言

全流程鋼鐵企業(yè)在焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼及軋制過程中，伴隨產(chǎn)生大量余熱、余壓等余能，如：高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、燒結(jié)環(huán)冷機(jī)煙氣余熱、干熄焦余熱、轉(zhuǎn)爐煙道和軋鋼水梁冷卻產(chǎn)生蒸汽等，這些余能品質(zhì)較高，回收后主要用于發(fā)電、供熱和設(shè)備拖動等[1-4]。目前應(yīng)用最廣、最普遍的主要是余熱余能發(fā)電[5-8]。鋼鐵企業(yè)利用余熱余能發(fā)電，不僅能減少外購電，降低生產(chǎn)成本，還能緩解社會電力系統(tǒng)供電壓力，降低碳排放，因此提高企業(yè)自發(fā)電量和自發(fā)電率[9-10]，已成為鋼鐵企業(yè)普遍追求的目標(biāo)。目前鋼鐵行業(yè)利用余熱余能自發(fā)電比例最高已達(dá)到85%以上。凌鋼余熱余能主要用于自發(fā)電，自發(fā)電率在62%左右，與行業(yè)先進(jìn)相比還存在較大差距，因此通過分析凌鋼余熱余能發(fā)電實(shí)際情況，找出提高發(fā)電量的潛力，主要是提高煤氣鍋爐系統(tǒng)發(fā)電和提高環(huán)冷機(jī)煙氣余熱回收發(fā)電，并提出提高自發(fā)電量的具體措施。

1 凌鋼自發(fā)電現(xiàn)狀

凌鋼是集焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼為一體的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，現(xiàn)有利用生產(chǎn)余熱余能發(fā)電的機(jī)組共11套，其中利用富余煤氣發(fā)電機(jī)組共5套，即高溫超高壓80 MW和65 MW機(jī)組各一套，次高溫次高壓25 MW機(jī)組兩套，中溫中壓12 MW機(jī)組一套；高爐爐頂余壓發(fā)電機(jī)組三套即6 MW、9 MW和15 MW；燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電機(jī)組9 MW一套；干熄焦余熱發(fā)電機(jī)組12 MW一套；利用轉(zhuǎn)爐煙道冷卻和鋼坯加熱過程中產(chǎn)生余熱蒸汽發(fā)電機(jī)組15 MW一套，年發(fā)電總量15～17億kWh。

表1 2020年自發(fā)電量和自發(fā)電比例數(shù)據(jù)

通過上表數(shù)據(jù)可看出，2020年自發(fā)電量為16.6億kWh，自發(fā)電比例為62.5%，夏季最高達(dá)到68.4%，與生產(chǎn)鏈條和裝備結(jié)構(gòu)相近的先進(jìn)單位自發(fā)電比例達(dá)到85%以上，還存在較大差距。

提高自發(fā)電量，減少外購電量，降低生產(chǎn)成本，是降本增效的一個關(guān)鍵途徑；同時自發(fā)電比例指標(biāo)的高低，也是衡量企業(yè)二次能源回收利用水平的一個重要標(biāo)志，是企業(yè)節(jié)能環(huán)保和綜合利用水平的體現(xiàn)，是提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵，因此提高自發(fā)電量和自發(fā)電比例，意義重大。

2 提高自發(fā)電量的潛力分析

鋼鐵長流程生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的余熱余能品質(zhì)不同，各發(fā)電系統(tǒng)回收利用選用的工藝、發(fā)電裝備也不同，發(fā)電量的大小和可調(diào)控的空間不同。

TRT發(fā)電是利用高爐爐頂煤氣所帶有的熱能與壓力進(jìn)行發(fā)電，與高爐爐頂煤氣壓力、流量等關(guān)系較大，受高爐工藝穩(wěn)定影響，高爐頂壓和煤氣量相對穩(wěn)定，提高發(fā)電量潛力很小。

飽和蒸汽發(fā)電是利用軋鋼加熱爐水梁冷卻產(chǎn)生的余熱蒸汽，通過汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。受加熱爐產(chǎn)能影響，蒸汽量產(chǎn)生量比較穩(wěn)定，提升空間較小。

干熄焦發(fā)電是利用焦?fàn)t產(chǎn)生的紅焦顯熱，通過惰性氣體將紅焦降溫，吸收紅焦?jié)摕岷鬁囟壬叩亩栊匝h(huán)氣體進(jìn)入干熄焦余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，目前凌鋼干熄焦噸焦發(fā)電156 kWh左右，在同行業(yè)比較先進(jìn)。

鍋爐發(fā)電是高爐、轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的煤氣，在滿足生產(chǎn)使用后，富余的煤氣用于鍋爐發(fā)電，是鋼鐵行業(yè)最大的余熱余能。富余煤氣量的多少和發(fā)電機(jī)組效率直接影響發(fā)電量的多少。

燒結(jié)環(huán)冷機(jī)發(fā)電是利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)冷卻紅礦的熱煙氣，通過雙壓鍋爐產(chǎn)蒸汽進(jìn)行發(fā)電，凌鋼目前燒結(jié)礦噸礦發(fā)電在10 kWh左右，行業(yè)水平在17～25 kWh，遠(yuǎn)低于行業(yè)水平。

通過上述分析結(jié)合表2看，從發(fā)電的能源介質(zhì)特性看，可調(diào)控空間最大的是煤氣鍋爐系統(tǒng)；從與行業(yè)先進(jìn)比對看，環(huán)冷機(jī)煙氣余熱發(fā)電還存在較大差距。

表2 2019～2020年各系統(tǒng)發(fā)電所占比例和發(fā)電能源介質(zhì)特性

因此在凌鋼現(xiàn)有的裝備、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)組織模式下，提高發(fā)電量潛力重點(diǎn)在提高煤氣鍋爐系統(tǒng)的發(fā)電和提高環(huán)冷機(jī)煙氣余熱回收發(fā)電兩個環(huán)節(jié)；其次是提高二次能源的回收利用，包括低品質(zhì)二次能源的回收利用，可直接或間接提高發(fā)電量。

3 提高發(fā)電量具體措施

3.1 提高鍋爐發(fā)電的措施

(1)現(xiàn)有低效鍋爐能效升級是提高發(fā)電量的重要措施之一

目前夏季現(xiàn)有兩臺高溫超高壓高效發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行后，還有一臺低效的25 MW發(fā)電機(jī)組和一臺低效的12 MW發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，負(fù)荷：25 MW機(jī)組在75%～100%，12 MW機(jī)組在80%～90% ，兩套機(jī)組煤氣消耗小時平均18萬m3左右，發(fā)電效率：25 MW發(fā)電機(jī)組5.1 m3/kWh、12 MW發(fā)電機(jī)組6.3 m3/kWh，比現(xiàn)有的高效能機(jī)組發(fā)電效率(3.4～3.6 m3/kWh)明顯偏低。

新建一臺65 MW高效發(fā)電機(jī)組，淘汰現(xiàn)有的25 MW和12 MW低效發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行能效升級，發(fā)電效率可提高一倍，年可增加發(fā)電量1～1.3億kWh,可大大降低生產(chǎn)成本。

(2)提高供給鍋爐的煤氣量，增加發(fā)電量

從表3可看出，用于生產(chǎn)的煤氣中，高爐熱風(fēng)爐和軋鋼加熱爐是煤氣消耗的大戶，占生產(chǎn)消耗總量的82.8%，因此通過降低熱風(fēng)爐和加熱爐的煤氣消耗，節(jié)約煤氣用于發(fā)電，是提高發(fā)電量重要措施之一。

表3 凌鋼副產(chǎn)煤氣(僅考慮高爐煤氣)的利用結(jié)構(gòu)

①降低高爐熱風(fēng)爐煤氣消耗，為鍋爐發(fā)電提供更多的煤氣。凌鋼5座高爐配備16座熱風(fēng)爐，按照兩燒一送的模式進(jìn)行高爐送風(fēng)，煤氣消耗量小時平均在35～36萬m3以上，熱風(fēng)爐的集中換爐將使高爐煤氣管網(wǎng)大幅度波動，波動范圍在6～10 kPa，嚴(yán)重影響熱風(fēng)爐煤氣消耗和鍋爐發(fā)電負(fù)荷的調(diào)整，造成煤氣浪費(fèi)同時降低鍋爐的發(fā)電量。需通過優(yōu)化燒爐操作，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐錯峰換爐，減少高爐煤氣管網(wǎng)大幅度動蕩，從而降低熱風(fēng)爐煤氣消耗，實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，提高發(fā)電量；通過高爐熱風(fēng)爐自動燒爐，可降低煤氣消耗15～25 m3/t鐵，降低2%～3%；利用熱風(fēng)爐煙氣余熱實(shí)現(xiàn)煤氣、空氣雙預(yù)熱，提高熱風(fēng)爐煤氣溫度、助燃風(fēng)溫度，通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析，有空、煤預(yù)熱器比無空、煤預(yù)熱器的熱風(fēng)爐煤氣消耗節(jié)約35～90 m3/t鐵。

②降低軋材加熱爐煤氣消耗。關(guān)鍵要提高鋼坯熱裝率和熱裝溫度。經(jīng)查閱資料在熱裝率50%條件下，熱裝溫度提高100 ℃，煤氣消耗噸材降低15～20 m3；在熱裝溫度相同的條件下，熱裝率提高5%，煤氣消耗噸材降低7～10 m3；其次減少煤氣空耗。降低設(shè)備故障率是減少煤氣空耗的關(guān)鍵；爐機(jī)能力的合理匹配、精細(xì)化操作和爐機(jī)操作人員的及時溝通也是降低煤氣空耗的主要因素。

(3)降低鍋爐的煤氣單耗，提高機(jī)組的熱效率

從表4可看出，鍋爐的煤氣單耗遠(yuǎn)高于設(shè)計值，因此降低發(fā)電的煤氣單耗，即提高鍋爐和發(fā)電機(jī)組效率，是提高發(fā)電量一個重要措施。

表4 凌鋼鍋爐發(fā)電機(jī)組煤氣消耗數(shù)據(jù)

①提高發(fā)電機(jī)組凝汽器的真空度，提高發(fā)電機(jī)組效率。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下，可通過降低循環(huán)水溫度，改善循環(huán)水水質(zhì)，防止凝汽器結(jié)垢等措施提高凝汽器真空度，提高汽輪機(jī)熱循環(huán)效率。一般運(yùn)行經(jīng)驗表明，凝汽器真空每升高1 kPa，機(jī)組汽耗會降低，發(fā)電會增加1.5%～2.5%。

②優(yōu)化操作，提高發(fā)電機(jī)組綜合熱效率。合理調(diào)整煙道調(diào)節(jié)擋板開度，按照經(jīng)驗操作再熱器側(cè)開度控制5%～15%，省煤器側(cè)全開，實(shí)現(xiàn)煙道氣余熱的高效利用，降低排煙溫度，提高機(jī)組的熱循環(huán)效率；通過在線監(jiān)測氧含量，合理調(diào)整煤氣供給量、配風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)煤氣完全燃燒，提高燃料熱效率。

(4)加強(qiáng)鍋爐、機(jī)組點(diǎn)檢定修、維護(hù)保養(yǎng)，降低鍋爐、機(jī)組設(shè)備故障，提高作業(yè)率，提高發(fā)電量。

(5)優(yōu)化運(yùn)行方式，提高發(fā)電量

根據(jù)生產(chǎn)模式、設(shè)備檢修時間及煤氣的富余情況，以65 MW、80 MW高效機(jī)組滿發(fā)為前提，及時調(diào)整現(xiàn)有25 MW和12 MW發(fā)電機(jī)組開動方式和運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)在煤氣量相同的條件下，發(fā)電最大化。

3.2 提高燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電措施

(1)對現(xiàn)有180 m2、240 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造

現(xiàn)有180 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)上部無密封，下部是機(jī)械鋼刷密封；240 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)上部水密封，下部為柔性重力自補(bǔ)償密封，目前兩臺環(huán)冷機(jī)密封效果不好，漏風(fēng)率較高，余熱回收僅達(dá)到10～12 kWh/t礦，可通過改造，應(yīng)用水密封或其他密封效果好的密封技術(shù)，提高余熱回收水平，使噸礦發(fā)電達(dá)到17～18 kWh。

(2)適當(dāng)提高循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

環(huán)冷機(jī)循環(huán)風(fēng)機(jī)是將送往余熱鍋爐的熱煙氣換熱后送回環(huán)冷機(jī)冷卻，循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，煙氣帶入鍋爐的熱量越多，但轉(zhuǎn)速過高會影響環(huán)冷機(jī)其他冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，同時會對煙氣管道帶來沖刷，因此可通過試驗適當(dāng)提高循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，既可增加余熱回收量，又不會影響其他風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)低品質(zhì)二次能源回收利用，可直接或間接提高發(fā)電量

積極探討應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)，對焦?fàn)t上升管余熱、高爐、轉(zhuǎn)爐紅渣顯熱進(jìn)行回收利用，產(chǎn)生蒸汽可用于提高飽和蒸汽機(jī)組發(fā)電；對發(fā)散性蒸汽、熱電鍋爐連排蒸汽，熱電機(jī)組循環(huán)冷卻水的余熱等回收利用，可直接或間接進(jìn)行發(fā)電。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

通過對以上發(fā)電措施的分析，對可直接計算經(jīng)濟(jì)效益的措施，經(jīng)濟(jì)分析如下：

4.1 新建一套65 MW高溫超高壓發(fā)電機(jī)組增加效益

新建一套65 MW發(fā)電機(jī)組，淘汰現(xiàn)有一套25 MW和一套12 MW發(fā)電機(jī)組，按凌鋼現(xiàn)有65 MW、25 MW和12 MW發(fā)電機(jī)組發(fā)電煤氣單耗計算，年增加發(fā)電量1億kWh左右，按電費(fèi)0.5元/kWh、運(yùn)行費(fèi)用0.1元/kWh計算，年效益為4 000萬元。

4.2 降低熱風(fēng)爐和加熱爐煤氣消耗增加效益

通過采取熱風(fēng)爐自動燒爐、熱風(fēng)煙氣雙預(yù)熱和提高加熱爐熱裝率等措施，初步估算熱風(fēng)爐和加熱爐小時可節(jié)約煤氣4.3萬m3，小時供鍋爐發(fā)電煤氣增加4.3萬m3，年增加發(fā)電量4 400萬kWh左右，按電費(fèi)0.5元/kWh計算，年效益為2 200萬元。

4.3 180 m2、240 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)密封結(jié)構(gòu)改造增加效益

180 m2、240 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)實(shí)施密封結(jié)構(gòu)改造后，按噸礦增加6 kWh計算，年可增加發(fā)電量2 600萬kWh左右，按電費(fèi)0.5元/kWh計算，年效益為1 300萬元。

5 結(jié)論

(1)通過對凌鋼余熱余能發(fā)電量潛力分析，提出凌鋼鍋爐發(fā)電和燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電是凌鋼提高自發(fā)電量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并針對每個環(huán)節(jié)提出具體改進(jìn)措施。

(2)按照改進(jìn)措施實(shí)施后，年可增加發(fā)電1.7～2.0億kWh，自發(fā)電率提高6%～7%。

(3)可為利用生產(chǎn)余熱余能發(fā)電的鋼鐵同行在提高自發(fā)電量工作中起到借鑒作用。