煉鋼蒸汽自過熱技術(shù)

王 宇，劉 江

(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京100029)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)能耗大戶，其耗能量約占全國(guó)總能耗的15%，其中余熱資源約占37%[1]。目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)高溫、中溫余熱資源利用率高達(dá)44%、30%，而低溫余熱資源利用率僅為0.6%[2]。因此，大力推動(dòng)鋼鐵行業(yè)低溫余熱資源回收利用技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中會(huì)產(chǎn)生高溫煤氣，為達(dá)到除塵器運(yùn)行條件，高溫煤氣會(huì)經(jīng)冷卻水冷卻到適合溫度，冷卻水受熱將汽化成低壓飽和蒸汽。據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)爐噸鋼產(chǎn)汽量為70~100 kg。《我國(guó)電爐煉鋼發(fā)展趨勢(shì)》表明，2017年我國(guó)轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量為73 798萬(wàn)t，且轉(zhuǎn)爐煉鋼在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，仍是我國(guó)主要的煉鋼方法。轉(zhuǎn)爐蒸汽溫度一般在200~250℃，轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱回收具有很大的節(jié)能潛力與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但由于轉(zhuǎn)爐蒸汽為低壓飽和蒸汽，濕度較大，易冷凝，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱利用系統(tǒng)存在發(fā)電效率低、機(jī)組汽蝕嚴(yán)重等問題，因此轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱利用系統(tǒng)需要一種加熱轉(zhuǎn)爐蒸汽成微過熱蒸汽的自過熱器裝置。

1 煉鋼蒸汽余熱回收技術(shù)

現(xiàn)有的煉鋼蒸汽余熱回收利用系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)爐汽包、蒸汽蓄熱器、汽輪機(jī)組等，轉(zhuǎn)爐汽包產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，經(jīng)由蒸汽蓄熱器進(jìn)行儲(chǔ)存，蒸汽蓄熱器持續(xù)輸出低壓飽和蒸汽供給汽輪機(jī)組進(jìn)行余熱發(fā)電。轉(zhuǎn)爐蒸汽具有波動(dòng)性與間歇性，經(jīng)過蒸汽蓄熱器存儲(chǔ)，可以穩(wěn)定輸出1~1.6 MPa的低壓飽和蒸汽，防止蒸汽波動(dòng)對(duì)蒸汽管網(wǎng)與汽輪機(jī)組造成沖擊。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家煉鋼廠采用了上述低壓飽和蒸汽余熱回收系統(tǒng)。濟(jì)鋼第一煉鋼廠4×45 t轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首例利用轉(zhuǎn)爐煙道汽化冷卻蒸汽進(jìn)行發(fā)電的節(jié)能減排項(xiàng)目，2010年前11個(gè)月蒸汽發(fā)電量達(dá)到9.81 kWh/t.G[3]。唐山東海特鋼3×120 t轉(zhuǎn)爐可產(chǎn)生約36 t/h低壓飽和蒸汽，采用低壓飽和蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)，年發(fā)電量為4 872萬(wàn)kWh。

現(xiàn)有的煉鋼蒸汽余熱回收系統(tǒng)，雖然可以解決轉(zhuǎn)爐蒸汽波動(dòng)性的問題，但轉(zhuǎn)爐蒸汽從蒸汽蓄熱器輸出到汽輪機(jī)組這一過程中會(huì)存在散熱損失與阻力損失，轉(zhuǎn)爐蒸汽冷凝成的疏水經(jīng)汽輪機(jī)組前的汽水分離器被分離掉，且進(jìn)入汽輪機(jī)組的飽和蒸汽濕度大，因此利用現(xiàn)有飽和蒸汽汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，會(huì)存在發(fā)電效率低、機(jī)組汽蝕嚴(yán)重、設(shè)備易損壞等問題。而加裝有自過熱器的煉鋼蒸汽余熱回收系統(tǒng)，即在蒸汽蓄熱器與汽輪機(jī)組之間安裝自過熱器裝置，充分利用轉(zhuǎn)爐蒸汽的熱能對(duì)蒸汽蓄熱器輸出的飽和蒸汽進(jìn)行加熱，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，可有效提高蒸汽利用率以及系統(tǒng)的使用壽命。

2 煉鋼蒸汽自過熱技術(shù)簡(jiǎn)介

煉鋼蒸汽自過熱技術(shù)是利用高溫段轉(zhuǎn)爐蒸汽加熱蒸汽蓄熱器出口端低壓飽和蒸汽，充分利用轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱的技術(shù)。將自過熱裝置放置在蒸汽蓄熱器與汽輪機(jī)組之間，轉(zhuǎn)爐蒸汽從轉(zhuǎn)爐汽包中流出后直接進(jìn)入自過熱器熱源入口端，在自過熱裝置中進(jìn)行放熱后流進(jìn)蒸汽蓄熱器中進(jìn)行儲(chǔ)存，自過熱器里存儲(chǔ)有中溫蓄熱材質(zhì)，如導(dǎo)熱油、硝酸熔鹽等，可將這部分熱量?jī)?chǔ)存起來，待從蒸汽蓄熱器出口端流出的低壓飽和蒸汽進(jìn)入到自過熱裝置時(shí)，蓄熱材質(zhì)將這部分熱量釋放給冷源流體，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，微過熱蒸汽從自過熱器冷源出口端流出后進(jìn)入汽輪機(jī)中進(jìn)行做功，做功后的蒸汽在凝汽器中被來自冷卻塔的循環(huán)水冷卻成凝結(jié)水，后經(jīng)轉(zhuǎn)爐給水泵加壓打進(jìn)轉(zhuǎn)爐冷卻系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)行熱交換，生成轉(zhuǎn)爐蒸汽。工藝流程見圖1。

圖1 煉鋼蒸汽自過熱系統(tǒng)工藝流程圖

煉鋼蒸汽自過熱技術(shù)可提高轉(zhuǎn)爐蒸汽的利用率，將蒸汽蓄熱器輸出的低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，避免蒸汽因能量損失生成的疏水被分離，且能減弱汽輪機(jī)組汽蝕，提高設(shè)備及系統(tǒng)的使用壽命，推動(dòng)冶金事業(yè)節(jié)能發(fā)展。

3 自過熱裝置簡(jiǎn)介

目前，常見的大中型轉(zhuǎn)爐，其煉鋼周期一般為30 min，吹氧過程一般占據(jù)12~15 min，在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)爐蒸汽的最大壓力為4 MPa，最小壓力為2 MPa，蒸汽蓄熱器輸出的低壓飽和蒸汽壓力一般為1.6 MPa。自過熱裝置可利用高溫段轉(zhuǎn)爐蒸汽對(duì)低壓飽和蒸汽進(jìn)行加熱。由于轉(zhuǎn)爐蒸汽具有波動(dòng)性與間歇性，因此需要用蓄熱材料對(duì)高溫段蒸汽熱量進(jìn)行存儲(chǔ)，使得自過熱裝置在熱蒸汽停止供應(yīng)時(shí)依然能夠?qū)Φ蛪猴柡驼羝M(jìn)行加熱。但因?yàn)樽赃^熱裝置采用蓄熱材質(zhì)以及裝置內(nèi)冷熱源流體為蒸汽，所以該裝置仍具有幾個(gè)問題需要解決。

常用的中高溫蓄熱材料為導(dǎo)熱油和熔鹽類材料。熔鹽類材料一般為硝酸熔鹽、碳酸熔鹽等，造價(jià)偏高，受熱易分解，相對(duì)導(dǎo)熱油來講，導(dǎo)熱系數(shù)較大，傳熱效果更好。導(dǎo)熱油比熱容較大，儲(chǔ)存或釋放同樣的熱量，相對(duì)熔鹽材料的溫度變化小且造價(jià)便宜，但導(dǎo)熱油導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻相對(duì)較大，會(huì)對(duì)加熱冷源流體造成阻礙。

自過熱裝置進(jìn)口端冷熱流體均為蒸汽，蒸汽在管道內(nèi)的流速較大，為保證冷熱蒸汽在自過熱器內(nèi)有足夠的換熱時(shí)間，就需要增長(zhǎng)冷熱流體管道長(zhǎng)度。

本文對(duì)自過熱裝置進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。對(duì)于導(dǎo)熱油導(dǎo)熱能力不足的問題，可通過以下3種解決辦法。

1）將導(dǎo)熱油與砂礫進(jìn)行混合，該混合物的蓄熱效率能夠提高18.5個(gè)百分點(diǎn)[4]。

2）在自過熱裝置外設(shè)置油泵，油泵啟動(dòng)，可將自過熱裝置內(nèi)部?jī)?chǔ)存的導(dǎo)熱油形成油循環(huán)，使原本的導(dǎo)熱變?yōu)閷?duì)流換熱。

3）在自過熱裝置內(nèi)部加裝肋片且將冷熱管道設(shè)計(jì)成盤管結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)冷熱流體的換熱時(shí)間，確保低溫蒸汽能夠得到有效溫升。可將冷熱流體盤管分成多束，在冷熱流體管道總橫截面積一定的情況下，管束越多，冷熱流體的受熱面積越大。圖2為自過熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 自過熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

煉鋼蒸汽自過熱技術(shù)能夠有效利用轉(zhuǎn)爐蒸汽顯熱，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，提高蒸汽品質(zhì)，不僅有效地提高汽輪機(jī)組的發(fā)電效率，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，而且減輕機(jī)組汽蝕，提高了汽輪機(jī)組及系統(tǒng)的使用壽命，推動(dòng)冶金事業(yè)節(jié)能發(fā)展。