鋼鐵企業(yè)全廠熱力系統(tǒng)的診斷及優(yōu)化

王穎潔 丁勇山 王元新

(中冶京誠工程技術有限公司)

文章的分析對象為鋼產量300萬t/a的國內某鋼鐵企業(yè)，該鋼鐵企業(yè)的主要生產工序包括原料場、焦化、燒結、球團、煉鐵、煉鋼和軋鋼。由于該鋼鐵企業(yè)的產能逐步擴大，生產工藝數次調整，因此具有復雜的熱力系統(tǒng)。

1 鋼鐵企業(yè)熱力系統(tǒng)現狀

1.1 高溫高壓蒸汽

該鋼鐵企業(yè)現有高溫高壓(9.8 MPa，540 ℃)煤氣鍋爐4臺。其中，2臺 110 t/h鍋爐產生的蒸汽用于2臺25 MW汽輪發(fā)電機組發(fā)電，25 MW汽輪發(fā)電機組設置低壓抽汽并入廠區(qū)低壓蒸汽管網；1臺130 t/h鍋爐產生的蒸汽用于30 MW汽輪發(fā)電機組發(fā)電；1臺80 t/h鍋爐產生的蒸汽用于拖動1號高爐的AV63汽動鼓風機組，該汽動鼓風機組設置2.7 MPa、380 ℃抽汽供1號燒結機的主抽汽輪機。8.8～9.8 MPa高壓蒸汽平衡見表1。

表1 高溫高壓蒸汽平衡 t/h

1.2 中溫中壓蒸汽

該鋼廠現有中溫中壓(3.82 MPa，450 ℃)煤氣鍋爐3臺。其中，1臺35 t/h煤氣鍋爐產生的蒸汽用于拖動2號高爐的AV45汽動鼓風機組；另外2臺75 t/h煤氣鍋爐與干熄焦余熱鍋爐產生的蒸汽混入中壓蒸汽母管進行再分配，主要為15 MW發(fā)電機組和3號高爐AV63汽動鼓風機組提供動力源。

中壓蒸汽管道上設有2套減溫減壓裝置，1套減溫減壓裝置產生1.0 MPa低壓蒸汽用于焦化工序；1套減溫減壓裝置產生2.0 MPa次中壓蒸汽作為8 MW燒結余熱發(fā)電機組的汽源，以保障8 MW發(fā)電機組的穩(wěn)定運行。3.4～3.8 MPa中壓蒸汽平衡見表2。

表2 中壓蒸汽平衡 t/h

1.3 余熱回收

(1)干熄焦余熱回收蒸汽

焦化廠現有75 t/h干熄焦余熱鍋爐1臺，產生的中溫中壓蒸汽并入中壓蒸汽母管。

(2)焦化煙氣余熱回收蒸汽

焦化廠設18 t/h焦化煙氣余熱鍋爐1臺，產生0.6 MPa低壓蒸汽主要供應焦化蒸汽用戶。

(3)燒結余熱回收蒸汽

1號燒結環(huán)冷機、3號燒結環(huán)冷機余熱回收的2.0 MPa次中壓蒸汽并入現有8 MW發(fā)電系統(tǒng)；0.6 MPa低壓蒸汽并入公司蒸汽管網。次中壓蒸汽管網上設有1套減溫減壓裝置作為低壓蒸汽備用汽源，一般情況下不投運。2號燒結帶冷機回收的0.8 MPa低壓蒸汽直接并入廠區(qū)蒸汽管網，廠區(qū)蒸汽管網富裕蒸汽用作現有8 MW發(fā)電系統(tǒng)補汽汽源。

(4)轉爐汽化冷卻

現有煉鋼系統(tǒng)均設有轉爐汽化冷卻，產生的低壓蒸汽滿足煉鋼自用汽后并入廠區(qū)蒸汽管網。

(5)軋鋼加熱爐汽化冷卻

現有軋鋼車間均設有加熱爐汽化冷卻，產生的低壓蒸汽并入廠區(qū)蒸汽管網。

(6)低品位余熱

高爐沖渣水和焦爐初冷器循環(huán)水余熱均已考慮回收，產生的熱水供全廠采暖，除了極寒天氣需要蒸汽補汽以外，全廠基本上已實現余熱供暖。全廠0.6～1.3 MPa低壓蒸汽平衡見表3。1.8～25 MPa次中壓蒸汽平衡見表4。

表3 低壓蒸汽平衡 t/h

表4 次中壓蒸汽平衡 t/h

2 熱力系統(tǒng)診斷

2.1 減溫減壓造成發(fā)電量損失

10 t/h中溫中壓蒸汽被直接減壓到低壓，供焦化車間使用，合計減溫減壓蒸汽量9萬t/a，與汽輪機抽汽相比，損失發(fā)電量約為930萬kWh/a。

13 t/h中溫中壓蒸汽被直接減壓到2.0 MPa，供8 MW余熱發(fā)電，合計減溫減壓蒸汽量9萬t/a，與汽輪機抽汽相比，損失發(fā)電量約為940萬kWh/a。

2.2 燒結余熱回收系統(tǒng)效率低

1號126 m2燒結系統(tǒng)和3號126 m2燒結系統(tǒng)現有余熱鍋爐為雙壓、單進氣、無補燃、立式水—汽自然循環(huán)余熱水管鍋爐，單煙道布置結構，鍋爐低壓汽包兼具除氧器功能。2號72 m2燒結余熱鍋爐為單壓、單進氣、無補燃、機上布置熱管鍋爐。1號爐年平均蒸汽回收量為76.7 kg/t，3號爐年平均蒸汽回收量為62.5 kg/t，余熱回收效果不佳，相對于國內先進指標120 kg/t，改進提升的空間較大。

(1)126 m2燒結余熱回收系統(tǒng)

現有余熱回收系統(tǒng)僅利用了環(huán)冷機廢氣余熱，余熱回收煙氣系統(tǒng)風箱與臺車之間、臺車與取風罩之間的漏風嚴重，約45%～50%；環(huán)冷三段100～150 ℃的熱風未利用；機尾高溫煙氣余熱沒有加以利用而直接排入大氣，造成環(huán)境熱污染，同時還浪費了寶貴的余熱資源。

(2)72 m2燒結余熱回收系統(tǒng)

現有余熱鍋爐采用機上布置形式，利用帶冷鼓風機余壓將冷卻礦料后的熱廢氣通過余熱鍋爐回收。據現場調研，回收0.6 MPa的飽和蒸汽5 t/h。該煙氣系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，余熱利用率低，粉塵排放量大。

2.3 自發(fā)電系統(tǒng)未高效利用

該鋼鐵企業(yè)共4個煤氣發(fā)電機組，其中包括1×15 MW中溫中壓發(fā)電機組、2×25 MW高溫高壓發(fā)電機組和1×30 MW高溫高壓發(fā)電機組，實際運行參數見表5。

表5 發(fā)電機組運行參數

高溫高壓30 MW發(fā)電機組由于負荷率約為50%，效率較低，而中溫中壓15 MW發(fā)電機組負荷率為100%，煤氣的利用明顯不合理，發(fā)電效率高的機組應優(yōu)先消耗煤氣。

2.4 煤氣鍋爐參數低，能源轉換效率低

該鋼鐵企業(yè)目前有7個煤氣鍋爐，其中包括2×75 t/h中溫中壓鍋爐、1×35 t/h中溫中壓鍋爐、2×110 t/h高溫高壓鍋爐、1×130 t/h高溫高壓鍋爐和1×80 t/h高壓鍋爐，煤氣消耗情況見表6。全廠平均煤氣單耗為4.0 m3/kWh，單耗偏高，能源利用效率低。

表6 煤氣鍋爐運行參數

相對于市場上廣泛應用的超高溫超高壓發(fā)電機組，全廠平均煤氣單耗高1 m3/kWh，發(fā)電效率低30%。

2.5 轉爐汽化冷卻蓄熱器容積偏小

每套60 t轉爐汽化冷卻系統(tǒng)配置1臺40 m3蓄熱器，蓄熱器幾乎無法發(fā)揮蓄熱作用，而是依靠現場運行人員手動調節(jié)汽包后調節(jié)閥控制蒸汽壓力，汽化冷卻系統(tǒng)夏季運行均有蒸汽放散的情況出現。

2.6 蒸汽系統(tǒng)計量不完善

有些地方蒸汽計量數值不準確，部分車間內部蒸汽分配無計量。由于計量設施缺失和不完善，造成對蒸汽用戶的無序管理，很難為進一步優(yōu)化蒸汽系統(tǒng)提供依據。

3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 燒結余熱系統(tǒng)優(yōu)化

(1)126 m2燒結余熱回收系統(tǒng)

常規(guī)環(huán)冷余熱回收僅回收環(huán)冷一段、二段的熱量，溫度為100～150 ℃的熱量不回收。

燒結恒溫復合循環(huán)系統(tǒng)采用回風恒溫調節(jié)技術、落塵管煙氣恒溫調節(jié)技術，既提高機尾煙氣余熱回收的穩(wěn)定性，又實現高參數蒸汽恒溫控制；融合了熱風密閉循環(huán)、雙壓汽水系統(tǒng)等先進成熟的技術，提高鍋爐回收的火用效率。燒結恒溫復合循環(huán)系統(tǒng)[1]不僅能夠回收環(huán)冷一段、二段的熱量，而且還能回收溫度為100～150 ℃的熱量，實現了在不影響燒結工藝生產的前提，最大限度增加余熱發(fā)電量。

(2)72 m2燒結余熱回收系統(tǒng)

采用廢氣密閉循環(huán)系統(tǒng)代替現有的直排系統(tǒng)，提高回風溫度及增加熱廢氣風量；采用雙進氣余熱鍋爐，提高高溫風的火用效率，使鍋爐出口蒸汽參數趨于穩(wěn)定。

(3)利用燒結動密封組

燒結冷卻機密封效果不僅影響余熱回收系統(tǒng)的蒸汽量，而且與蒸汽參數(溫度、壓力)及電耗都息息相關。

燒結動密封系統(tǒng)[2]能夠提高環(huán)冷機密封性能，減少煙罩與臺車、臺車與風箱之間的漏風量，使得漏風率由原有的45%～50%下降至15%左右。優(yōu)化后，每個126 m2燒結系統(tǒng)蒸汽回收量(中、低壓合計)24 t/h；72 m2燒結系統(tǒng)蒸汽回收量(中、低壓合計)8 t/h；噸礦蒸汽回收量可達約120 kg/t。每年增加的低壓蒸汽回收量和次中壓蒸汽回收量分別為6.3萬和9.5萬t/a，低壓蒸汽按供焦化考慮，燒結余熱外供電量可增加1 397萬kWh/a。

3.2 轉爐汽化冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

現有3套煉鋼系統(tǒng)，分別是一煉鋼45 t轉爐系統(tǒng)、二煉鋼60 t轉爐系統(tǒng)和三煉鋼60 t轉爐系統(tǒng)。一煉鋼45 t轉爐即將進行產能升級改造，對此轉爐文章不進行分析。二煉鋼60 t轉爐年產鋼水102.89萬t/a，噸鋼蒸汽回收量為68.10 kg/t(已扣除除氧器加熱用消耗蒸汽)；三煉鋼60 t轉爐年產鋼水107.81萬t/a，噸鋼蒸汽回收量為66.43 kg/t(已扣除除氧器加熱用蒸汽)。噸鋼蒸汽回收量基本達到國內平均值。

二煉鋼和三煉鋼60 t轉爐汽化冷卻系統(tǒng)配置：煙道直徑為2 200 mm；煙道分為活動煙罩、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段，除活動煙罩與除氧器、循環(huán)水泵組成強制循環(huán)系統(tǒng)外，其余煙道各段與汽包組成自然循環(huán)系統(tǒng)。汽包額定工作壓力1.25 MPa，每套轉爐汽化冷卻系統(tǒng)配置1臺40 m3蓄熱器。

現有煉鋼系統(tǒng)配套汽化冷卻系統(tǒng)夏季運行均有蒸汽放散的情況發(fā)生。為消除蒸汽放散及減小轉爐吹煉時，蒸汽量的驟增對蒸汽管網的沖擊，2臺60 t轉爐汽化冷卻系統(tǒng)需要新增1套80 m3蒸汽蓄熱系統(tǒng)。

3.3 蒸汽網絡優(yōu)化

應避免蒸汽的高能低用，盡量利用電站抽汽供生產用汽和余熱發(fā)電機組。原燒結系統(tǒng)用約15 t/h蒸汽預熱燒結混合料，蒸汽網絡優(yōu)化后，用高爐沖渣水代替蒸汽，可節(jié)省蒸汽量11.73萬t/a，增加外供電量2 666萬kWh/a。

3.4 富裕煤氣利用優(yōu)化

該鋼鐵企業(yè)目前可支配富裕煤氣量約35.8萬m3/h(折合高爐煤氣)，增產及優(yōu)化后富裕煤氣量約47.7萬m3/h(折合高爐煤氣)。該部分煤氣為全廠所有鍋爐的可消耗的煤氣量，按照效益最大化原則，擬定了煤氣利用方案。

方案一：淘汰所有中溫中壓煤氣鍋爐，中溫中壓汽動鼓風機改成電動鼓風機，一期新建1臺35 MW超高溫超高壓煤氣發(fā)電機組，增產及優(yōu)化后二期再新建1臺35 MW超高溫超高壓發(fā)電機組。

方案二：淘汰所有中溫中壓煤氣鍋爐及高溫高壓煤氣鍋爐，所有汽動鼓風機改成電動鼓風機，一期新建2臺65 MW超高溫超高壓煤氣發(fā)電機組，增產及優(yōu)化后二期再新建1臺65 MW超高溫超高壓發(fā)電機組。

方案一和方案二技術經濟指標見表7。

表7 煤氣利用方案的技術經濟指標

考慮到方案二投資較大，而且現有變電所容量較小，并網困難，推薦采用方案一。采用方案一后，年增加外供電量43 050萬kWh/a。

3.5 富裕蒸汽利用

考慮到全廠蒸汽系統(tǒng)有放散，為充分節(jié)能降耗，建議新建1座4 000 kW飽和蒸汽發(fā)電站，可增加外供電量2 400萬kWh/a。

4 結語

該鋼鐵企業(yè)的熱力系統(tǒng)可提升空間較大，針對當前的能源現狀優(yōu)化改進，可大幅提高能源利用水平，降低能耗，總外供電量可增加49 513萬kWh/a，經濟效益和社會效益可觀。