方桂平
(福建省東鍋節(jié)能科技有限公司)
摘 要：針對(duì)鋼鐵行業(yè)回收余熱余能發(fā)電技術(shù)存在余熱回收機(jī)組分散、 余熱資源回收利用率不高、 轉(zhuǎn)爐蒸汽放散和余熱發(fā)電機(jī)組效率低的問(wèn)題。文章提出了從鋼鐵廠全局的角度考慮能量回收，利用煤氣燃燒的高位熱能帶動(dòng)回收余熱的中低位熱能進(jìn)行協(xié)同發(fā)電，以提高熱功轉(zhuǎn)換效率的解決方案，即用一臺(tái)高參數(shù)高效背壓機(jī)組與一臺(tái)大功率次中壓高溫冷凝機(jī)組實(shí)現(xiàn)了全廠余能余熱回收發(fā)電的目的，取消飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，整合低參數(shù)余熱發(fā)電機(jī)組，將鋼鐵廠余能余熱發(fā)電效率提高6.7%，使鋼鐵行業(yè)余能余熱發(fā)電水平提高到一個(gè)新的高度。
關(guān)鍵詞：鋼鐵行業(yè)；余能；余熱；協(xié)同發(fā)電
我國(guó)鋼鐵行業(yè)消耗了全社會(huì)總能耗的 10％左右，占比很高。同時(shí)，在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，有大量的余熱余能產(chǎn)生。目前鋼鐵行業(yè)余能 (高爐煤氣、 轉(zhuǎn)爐煤氣及焦?fàn)t煤氣) 回收發(fā)電做到超高壓高溫 (或超高壓超高溫) 的初參數(shù)，熱功轉(zhuǎn)換效率已提高到一個(gè)新的水平， 但是燒結(jié)余熱發(fā)電等還存在蒸汽初參數(shù)低、 過(guò)熱度低和發(fā)電效率普遍較低問(wèn)題，特別是轉(zhuǎn)爐與軋鋼加熱爐產(chǎn)出的是飽和蒸汽，利用飽和蒸汽機(jī)組發(fā)電，發(fā)電效率極低且機(jī)組可靠性差。
燒結(jié)、 球團(tuán)、 煉鐵、 轉(zhuǎn)爐、 電爐、 焦化及軋鋼工序均存在一定的余熱資源，傳統(tǒng)余熱回收發(fā)電都是站在各工序的角度考慮回收，以確定回收蒸汽的溫度及壓力，由于這些工序余熱資源均屬于中低溫余熱，其余熱回收發(fā)電裝置分散且低效，甚至迫不得以采用飽和蒸汽機(jī)組發(fā)電。
1 余能余熱發(fā)電現(xiàn)狀
1.1 余熱發(fā)電現(xiàn)狀
鋼鐵行業(yè)總用能約 70％ 會(huì)轉(zhuǎn)化成二次能源(包括副產(chǎn)煤氣)，有 30％ 左右的二次能源沒(méi)有得到充分回收利用， 其中煙氣顯熱回收率僅為14.92%，發(fā)電效率普遍不高[1]。 提高鋼鐵行業(yè)余能余熱發(fā)電水平對(duì)行業(yè)的節(jié)能降耗及國(guó)家能源安全都有重大意義。
1.1.1 燒結(jié)余熱發(fā)電
燒結(jié)余熱回收利用途徑，一是將燒結(jié)機(jī)后部較高溫度的廢氣送入燒結(jié)余熱鍋爐，產(chǎn)生一次過(guò)熱蒸汽用于發(fā)電，燒結(jié)煙氣含硫，余熱鍋爐排煙溫度應(yīng)控制在煙氣露點(diǎn)溫度以上， 因此鍋爐為單壓系統(tǒng)。二是燒結(jié)礦在帶冷機(jī)或環(huán)冷機(jī)冷卻過(guò)程中，由底部鼓入的冷風(fēng)在穿過(guò)燒結(jié)礦層時(shí)被加熱，成為中溫廢氣，將這些中溫的廢氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)引入冷卻機(jī)余熱鍋爐。由于冷卻機(jī)冷卻廢氣較為干凈，該余熱鍋爐為雙壓系統(tǒng)，最大化吸收余熱，將燒結(jié)余熱鍋爐與冷卻機(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的一次過(guò)熱蒸汽一并送入汽輪機(jī)，并將冷卻機(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓過(guò)熱蒸汽補(bǔ)入汽輪機(jī)做功發(fā)電， 目前燒結(jié)余熱發(fā)電一次蒸汽都采用 2.0MPa以下的 參數(shù)， 補(bǔ)汽壓力均為0.25-0.5MPa，發(fā)電汽耗率約 6kg / kWh。
1.1.2 飽和蒸汽發(fā)電
飽和蒸汽由轉(zhuǎn)爐汽化煙道和軋鋼加熱爐產(chǎn)生，前者占比較高。轉(zhuǎn)爐的冶煉周期性決定了轉(zhuǎn)爐汽化煙道產(chǎn)生的飽和蒸汽具有很強(qiáng)的周期波動(dòng)性，即使后面裝置蒸汽蓄熱器進(jìn)行削峰補(bǔ)谷，蒸汽的波動(dòng)性也只有所改善，并不能消除，因此飽和蒸汽發(fā)電汽輪機(jī)始終在變工況下運(yùn)行。
1.1.3其它余熱發(fā)電
除了燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐余熱和加熱爐余熱發(fā)電外，球團(tuán)、煉鐵、電爐和焦化工序等都有余熱資源，在現(xiàn)有的余熱發(fā)電理念下，或是因?yàn)橛酂崞肺坏蜔o(wú)法回收發(fā)電，或是與燒結(jié)工序一樣獨(dú)立發(fā)電。
1.1.4煤氣發(fā)電現(xiàn)狀
煤氣發(fā)電經(jīng)歷了中溫中壓→次高溫次高壓→ 高溫高壓的初參數(shù)逐步提升過(guò)程，目前主流的是高溫超高壓中間一次再熱機(jī)組，發(fā)電汽耗率約3.1kg/kWh，高爐煤氣耗率約 3m3 / kWh，大大提高了煤氣發(fā)電的能源利用效率。
2 存在問(wèn)題
2.1 余熱回收機(jī)組分散
燒結(jié)、 球團(tuán)、 煉鐵、 轉(zhuǎn)爐、 電爐、 焦化及軋鋼工序均存在一定的余熱資源， 目前余熱回收發(fā)電均是在各工序工段內(nèi)部考慮，根據(jù)工段內(nèi)部余熱資源的量及品位確定回收蒸汽的溫度及壓力，送入低參數(shù)汽輪機(jī)組做功發(fā)電。
分工段獨(dú)立考慮帶來(lái)的問(wèn)題: 一是機(jī)組規(guī)模小、 臺(tái)數(shù)多、 參數(shù)低。二是 300℃ 以下低品位余熱資源即使量大，因?yàn)槠肺坏投鴽](méi)法發(fā)電。三是分散布置造成占用較多的土地資源及需要較高的運(yùn)行成本。
2.2 余熱資源回收利用率不高
目前我國(guó)生產(chǎn)1t 鋼產(chǎn)生的余能余熱資源量為8 ~ 9GJ[2] 。國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)高溫余熱和中溫余熱資源利用率分別為44％ 、30％ ，而低溫余熱資源利用率僅為0.6%[3]。大量的低溫余熱未利用，如熱風(fēng)爐廢氣、石灰窯煙氣等，由于溫度較低，不能充分利用于發(fā)電，造成了余熱資源的浪費(fèi)。
2.3 轉(zhuǎn)爐蒸汽放散
由于轉(zhuǎn)爐冶煉周期的間歇性，汽化煙道的產(chǎn)汽量波動(dòng)較大，即便采用蓄熱器仍難于保持蒸汽穩(wěn)定，所以經(jīng)常出現(xiàn)蒸汽放散的現(xiàn)象，不僅造成能源的浪費(fèi)，而且造成熱污染和噪音污染。
2.4 余熱發(fā)電機(jī)組效率低
蒸汽過(guò)熱度低，燒結(jié)余熱發(fā)電效率偏低， 轉(zhuǎn)爐及軋鋼加熱爐只能產(chǎn)生飽和蒸汽，送入飽和蒸汽機(jī)組發(fā)電，發(fā)電效率更低，且汽蝕問(wèn)題造成運(yùn)行故障率高。
3 解決方案
3.1總體思路
利用煤氣發(fā)電高溫超高壓鍋爐這一高位熱源，將各工序余熱回收的低過(guò)熱度蒸汽與飽和蒸汽進(jìn)行再熱，進(jìn)一步提高蒸汽過(guò)熱度，提升余熱回收蒸汽品位，實(shí)現(xiàn)高品位與低品位協(xié)同發(fā)電的目標(biāo)。
3.2 鍋爐方案
燃?xì)忮仩t參數(shù)采用高溫超高壓，主蒸汽壓力13.7MPa，溫度 540 ℃，再熱器出口蒸汽壓力2.4MPa，溫度538 ℃ 。
3.3 機(jī)組方案
將煤氣發(fā)電高溫超高壓中間一次再熱機(jī)組高壓缸與低壓缸分開(kāi)，高壓缸成為一臺(tái)高排汽壓力背壓機(jī)組，高溫超高壓新蒸汽首先通過(guò)背壓機(jī)做功發(fā)電，背壓機(jī)排汽與各工序余熱回收蒸汽匯集后一并進(jìn)入超高壓鍋爐進(jìn)行再熱，再熱蒸汽送入低參數(shù)凝汽 (或抽凝) 機(jī)組做功發(fā)電。
3.4 再熱參數(shù)
當(dāng)在燃?xì)忮仩t主蒸汽參數(shù)13.MPa7、540℃時(shí)，選定再熱冷段蒸汽參數(shù)2.5MPa、310℃，再熱熱段蒸汽參數(shù) 2.4MPa、538℃。
4 方案熱經(jīng)濟(jì)性分析
4.1 背壓機(jī)
現(xiàn)有高溫超高壓中間一次再熱機(jī)組為沖動(dòng)式汽輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為 3000r/ min，高壓缸效率為75% ， 再熱冷段蒸汽參數(shù)2.5MPa，再熱熱段蒸汽參數(shù) 2.4MPa、538℃。
新型余能余熱發(fā)電技術(shù)裝置的背壓機(jī)采用反動(dòng)式汽輪機(jī)，可以提高汽輪機(jī)內(nèi)效率，降低背壓機(jī)排汽溫度，反動(dòng)式汽輪機(jī)的內(nèi)效率與沖動(dòng)式汽輪機(jī)相比可提高 8％ ~ 10％ ，達(dá)到83％ 以上的熱效率。
高壓缸與低壓缸分開(kāi)成為一臺(tái)獨(dú)立的背壓機(jī)后，可以采用效率更高的高轉(zhuǎn)速反動(dòng)式汽輪機(jī)，將排汽溫度降至310 ℃ ，比高壓缸排汽溫度降低20 ℃，絕熱等熵實(shí)際焓降線在焓熵圖上左移，發(fā)電量提高 (見(jiàn)圖 1)，計(jì)算可知每噸蒸汽增加發(fā)電量 12kWh。
圖1 沖動(dòng)式與反動(dòng)式機(jī)組實(shí)驗(yàn)焓降比較
4.2 飽和蒸汽
新型余能余熱發(fā)電技術(shù)將轉(zhuǎn)爐及軋鋼加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽過(guò)熱到538 ℃ ，原來(lái)飽和蒸汽發(fā)電汽耗約為10kg / kWh，過(guò)熱到 538 ℃ 后發(fā)電汽耗降至5kg / kWh，做功能力對(duì)比見(jiàn)圖 2 所示， 飽和蒸汽做功能力為 A － B －C － D － A 區(qū)域面積，過(guò)熱蒸汽做功能力為 A － B － H － F － E － A 區(qū)域面積， 兩者對(duì)比分析可知過(guò)熱蒸汽做功能力有很大提升，其相應(yīng)熱功轉(zhuǎn)換效率提高了近一倍。
5 經(jīng)濟(jì)效益分析
5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
以年產(chǎn)300 萬(wàn) t鋼鐵聯(lián)合企業(yè)為例， 含燒結(jié)、 煉鐵、 煉鋼、 軋鋼工序，不含焦化工序，具體見(jiàn)表1。
5.2 常規(guī)余能余熱發(fā)電
傳統(tǒng)余能余熱發(fā)電一般分為: 煤氣發(fā)電、 燒結(jié)余熱發(fā)電、 飽和蒸汽余熱發(fā)電，根據(jù)年產(chǎn) 300萬(wàn) t 鋼鐵產(chǎn)能， 富余煤氣折合高爐煤氣 23.6萬(wàn)m3 / h，其中煤氣發(fā)電裝機(jī) 80MW，燒結(jié)余熱發(fā)電裝機(jī)9MW，飽和蒸汽余熱發(fā)電裝機(jī) 6MW，總裝機(jī)容量為 95MW。
5.3 新型余能余熱發(fā)電方案
將鋼鐵廠的余能余熱資源整合，采用2 套汽輪發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)背壓機(jī)和一臺(tái)凝汽機(jī)，其中，背壓機(jī)采用反動(dòng)式汽輪機(jī)，裝機(jī)容量為25MW，凝汽機(jī)組裝機(jī)容量為80MW，總裝機(jī)容量為105MW。
5.4 兩個(gè)方案對(duì)比結(jié)論
根據(jù)兩種方案計(jì)算，熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。
(1) 背壓汽輪機(jī)采用高效率的反動(dòng)式背壓機(jī)，發(fā)電功率有較大提高，同樣進(jìn)汽量的情況下，可多發(fā)電約 10％。
(2) 燒結(jié)工序 (包括球團(tuán)、 白灰窯等工序) 回收的低過(guò)熱度蒸汽， 以及轉(zhuǎn)爐及軋鋼各工序回收的飽和蒸汽， 經(jīng)再熱后，發(fā)電汽耗大為降低，余熱利用的發(fā)電汽耗率由 7.03kg/kWh降到3.52kg/kWh。方案僅對(duì)目前利用的余熱資源進(jìn)行對(duì)比，另外還可回收其它工序未利用的余熱資源，進(jìn)一步提高鋼鐵廠的發(fā)電量。
(3) 電站的綜合發(fā)電汽耗率大大降低，由常規(guī)的3.68kg/kWh降低到 3.25kg/kWh。
(4) 在相同高爐煤氣用量的情況下，新型余熱余能發(fā)電裝機(jī)與常規(guī)方案相比， 裝機(jī)增加10MW，年發(fā)電量增加 4969.6萬(wàn) KWh， 電價(jià)以0.6元/ kWh 計(jì)，年新增收益 2981.8萬(wàn)元。
綜上，年產(chǎn) 300萬(wàn) t鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，利用新型余熱余能發(fā)電技術(shù)，年增加發(fā)電量約 5000 萬(wàn)kWh,年節(jié)約 1.59萬(wàn) tce (折標(biāo)系數(shù) 0.3180、等價(jià)值)，節(jié)能效果顯著。
6 結(jié)語(yǔ)
新型余能余熱發(fā)電的技術(shù)原則是 “能級(jí)匹配、 高能高用、 溫度對(duì)口、 梯級(jí)利用”，用該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有鋼鐵廠能量回收系統(tǒng)進(jìn)行改造，以及對(duì)產(chǎn)能置換后的新建鋼鐵廠直接導(dǎo)入該技術(shù)。由于熱功轉(zhuǎn)換效率的提高，消耗同樣的一次能源，將多回收 6.7%的二次能源，2017 年中國(guó)粗鋼產(chǎn)能超過(guò)8 億t，每年消耗一次能源約4 億 tce， 推廣該技術(shù)后每年可多回收超過(guò)130 億kWh 的電能，年節(jié)約能源 424 萬(wàn)tce，年節(jié)約能源費(fèi)用約 40 億元。
參 考 文 獻(xiàn)
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