電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

王政偉，史萬濤，任向南，王海林，王葉飛

(常州大學石油工程學院，江蘇常州213016)

摘要：本文分析了電爐煙氣余熱回收的難度和研究現(xiàn)狀，針對電爐煙氣的特性，提出了中壓過熱蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)，分析了其需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對100 t電爐余熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益進行了分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟和社會效益，對各企業(yè)開展余熱發(fā)電具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：電爐；煙氣；余熱回收；發(fā)電系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TK11`+5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0457-03

Abstract：This article analyzes the difficulty of waste heat recovery and the research status of the electric arc furnace. According to the characteristics of a electric furnace flue gas, waste heat power generation system of medium pressure superheated steam is put forward. At the same time, the key technical problems are analyzed. Furthermore, the economic benefit of a 100 ton electric furnace is calculated. The result shows that this system has good economic and social benefits, which have an important reference value for enterprises to carry out the waste heat power generation.

收稿日期2014-12-04修訂稿日期2015-02-03

作者簡介：王政偉(1961~)，男，教授，研究方向為余熱鍋爐及節(jié)能技術(shù)。

The Optimal Design of Waste Heat Power Generation System of Electric Furnace’s Flue Gas

WANG Zheng-wei, SHI Wan-tao, REN Xiang-nan, WANG Hai-lin, Wang Ye-fei

(School of Petroleum Engineering，University of Chang Zhou，Changzhou 213016，China)

Key words：the electric furnace;flue gas;waste heat recovery;power generation system;optimal design

電爐冶煉過程中產(chǎn)生的大量熱量隨煙氣排出，高溫煙氣造成的熱損失已達21%，它是電爐煉鋼最主要的熱損失項[1]。雖然電爐煉鋼技術(shù)發(fā)展迅速，但是由于電爐煙氣溫度高、波動性大、粉塵多等特點，余熱回收利用的難度很大。傳統(tǒng)的煙氣處理方式，不僅不能回收高溫煙氣中的顯熱，還消耗了大量電能，帶來了龐大的建設(shè)費用和運行費用[2-4]。

為了充分利用煙氣的余熱，國內(nèi)外學者和企業(yè)一直在研究電爐煙氣余熱回收技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)，目前投入工程應(yīng)用的有廢鋼預熱和余熱回收生產(chǎn)飽和蒸汽兩種方式。常用的廢鋼預熱為Consteel型(水平通道預熱)，可以連續(xù)加料、預熱，但也存在預熱后的廢鋼溫度不均、有害元素富集等不足[5]。近年來，利用熱管余熱鍋爐生產(chǎn)飽和蒸汽受到了廣泛關(guān)注，并已在很多鋼廠投入運行，但受煙氣進口溫度的限制，熱管余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽壓力較低，只能供煉鋼車間RH、VD等真空精煉裝置使用，總的余熱利用效率不高[6-9]。隨著煉鋼企業(yè)電爐容量的擴大，加之國家對節(jié)能減排要求的進一步提高，電爐煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)具有較高的安全性和經(jīng)濟性。

1電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的組成

根據(jù)電爐煙氣的特點，常州大學聯(lián)合有關(guān)單位優(yōu)化設(shè)計了電爐中壓過熱蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由余熱產(chǎn)汽、蒸汽穩(wěn)定過熱和蒸汽做功發(fā)電三部分組成，產(chǎn)汽部分由余熱鍋爐的強制水循環(huán)輻射受熱面、自然水循環(huán)的對流蒸發(fā)面、省煤器和汽包組成；蒸汽穩(wěn)定過熱部分由蓄熱器、過熱爐、管道及附件組成；蒸汽做功發(fā)電部分由汽輪機、發(fā)電機、冷凝器、凝水泵、除氧器和給水泵組成，其余熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng) 1-電爐；2-水冷彎煙道；3-除氧器；4-除氧泵；5-余熱鍋爐的燃燒沉降室； 6-余熱鍋爐對流受熱面；7-給水泵；8-強制循環(huán)泵；9-汽包；10-除塵器；11-引風機，12-煙囪；13-蓄熱器；14-過熱爐； 15-汽輪機；16-發(fā)電機；17-凝汽器；18-凝結(jié)水泵

煙氣流程：從電爐出來的高溫煙氣進入水冷彎管煙道，降到1 000℃后進入余熱鍋爐，依次經(jīng)過其燃燒沉降室、蒸發(fā)器組、省煤器后，溫度降至200℃以下，進入除塵器除塵后，由引風機引入煙囪排入大氣。

汽水流程：凝結(jié)水和補水匯集到除氧器，經(jīng)除氧循環(huán)泵送入水冷彎煙道，加熱到對應(yīng)壓力下飽和溫度回到除氧水箱，再經(jīng)給水泵打到省煤器加熱接近飽和狀態(tài)進入汽包；一部分水由強制循環(huán)泵送到燃燒沉降室中的輻射受熱面，加熱汽化后回到汽包，進行汽水分離后，再進入下一個強制水循環(huán)過程；另外一部分水通過下降管進入下集箱，分配到各個蒸發(fā)管組吸熱汽化，通過導汽管回流到汽包，經(jīng)汽水分離后再進行下一個自然水循環(huán)。飽和蒸汽從汽包引出到蓄熱器內(nèi)儲存；從蓄熱器引出的飽和蒸汽進入過熱爐過熱到過熱蒸汽，再引到汽輪發(fā)電機組，過熱蒸汽在汽輪機內(nèi)做功后部分進入凝汽器凝結(jié)成凝結(jié)水，另一部分低壓蒸汽從汽輪機中抽出供熱用戶使用。

2余熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

電爐在冶煉過程中，排出煙氣的溫度、流量、含塵量都在不斷變化，然而，蒸汽發(fā)電系統(tǒng)是一個穩(wěn)定連續(xù)的過程，為了保證發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，根據(jù)工程實踐和理論分析，電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1　額定蒸發(fā)量的選擇

電爐煙氣的溫度和流量變化劇烈，若余熱鍋爐的額定蒸發(fā)量選擇過小，會影響余熱鍋爐的安全運行；額定蒸發(fā)量選擇過大，會造成余熱鍋爐的成本過高，影響其經(jīng)濟效益。在設(shè)計電爐余熱鍋爐時，筆者按煙氣的平均流量和最大流量來確定余熱鍋爐的額定蒸發(fā)量。

(1)

式中τi——入口煙氣參數(shù)在某一穩(wěn)定狀態(tài)的時間/min；

Vi——時間τi內(nèi)煙氣的流量/Nm3·h-1；

τ——電爐煉鋼一個周期的時間/min;

n——在電爐一個周期的溫度時間段。

額定蒸發(fā)量Vy的計算式為

(2)

式中Vmax——在電爐一個周期內(nèi)的最大流量/Nm3·h-1。

2.2　彎煙道的可靠冷卻和余熱的充分利用

彎煙道是連接電爐和余熱鍋爐的一段煙道，由于電爐出口煙氣溫度很高而且變化劇烈，容易導致超溫爆管事故，因此彎煙道需采用水冷卻。為了充分利用煙氣的余熱，將除氧器中的水經(jīng)除氧泵送入彎煙道前端，逐步加熱到對應(yīng)壓力下飽和溫度后，從彎煙道的后端回到除氧器，既滿足了水冷煙道的可靠冷卻，又提高了余熱回收效率。

除氧器采用大氣式除氧器，工作壓力為0.02 MPa，工作溫度為104℃。凝結(jié)水和補水進入除氧頭，通過小孔形成表面積較大的細水流，部分加熱蒸汽從下部進入汽室，與細水流逆向流動并加熱到一定溫度匯集到除氧水箱的上部，經(jīng)除氧泵的進口進入彎煙道，加熱到飽和狀態(tài)后進入除氧水箱的下部。

2.3　余熱鍋爐的優(yōu)化設(shè)計

2.3.1　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電爐余熱鍋爐采用水平煙道式結(jié)構(gòu)，根據(jù)煙氣的流程依次布置燃燒沉降室、三組蒸發(fā)器和省煤器：燃燒沉降室布置強制水循環(huán)的輻射受熱面，汽包底部的煙道內(nèi)布置對流蒸發(fā)器組和省煤器。水平煙道式結(jié)構(gòu)使煙氣均勻、平穩(wěn)地通過，受熱面方面支吊，對于煙氣的劇烈波動具有良好的適應(yīng)性。

余熱鍋爐的有效利用熱量可表示為[10]

(3)

式中Qyx——余熱鍋爐的有效利用熱量/kW；

φ——余熱鍋爐的保溫系數(shù)；

余熱鍋爐的飽和蒸汽的產(chǎn)量按式(4)計算

(4)

式中Dbz——飽和蒸汽的產(chǎn)量/kg·h-1；

ibq——飽和蒸汽焓/kJ·kg-1；

igs——余熱鍋爐給水焓/kJ·kg-1。

2.3.2　復合式水循環(huán)的安全可靠性

根據(jù)余熱鍋爐的整體設(shè)計和煙氣溫度的分布特點，燃燒沉降室內(nèi)煙氣溫度很高，且距余熱鍋爐的汽包較遠，其輻射受熱面采用強制水循環(huán)方式，在四周和頂部布置蛇形管結(jié)構(gòu)的受熱面，并采用高循環(huán)倍率來適應(yīng)負荷的劇烈變化。余熱鍋爐的對流蒸發(fā)受熱面布置在汽包下面的水平煙道內(nèi)，采用自然水循環(huán)的三級蒸發(fā)器加省煤器，可以更好的適應(yīng)電爐運行變化情況，同時大幅降低電耗。

2.4　采用蓄熱器來穩(wěn)定蒸汽的流量和壓力

由于電爐煙氣的不穩(wěn)定性，造成余熱鍋爐產(chǎn)汽的不穩(wěn)定，為了確保汽輪發(fā)電機的安全可靠性，采用蒸汽蓄熱器來穩(wěn)定蒸汽的流量和壓力。蒸汽蓄熱器設(shè)計的關(guān)鍵就是水容量的確定，其水容量應(yīng)根據(jù)汽包的壓力、最大產(chǎn)汽量、平均產(chǎn)汽量以及蓄熱器輸出蒸汽的壓力和流量來確定，計算式為[11]

(5)

式中Vx——蒸汽蓄熱器的水容量/m3；

G——蓄熱器的蓄熱量/kJ；

β——充水系數(shù)，一般取0.75~0.9；

g0——單位蓄熱能力，即1 m3飽和水從充熱壓力p1降到放熱壓力p2時所產(chǎn)生的蒸汽量/kg·m-3。

2.5　采用過熱爐過熱蒸汽

蓄熱器的低壓飽和蒸汽壓力低，濕度大，直接發(fā)電效率很低，而且對汽輪機的安全運行造成較大的危害。因此該發(fā)電系統(tǒng)用過熱爐將飽和蒸汽過熱到400℃以上，再進入汽輪機組進行發(fā)電做功。過熱爐利用煉鋼行業(yè)富有的高爐煤氣作為燃料，采用煙氣再循環(huán)，將排煙與高溫燃燒氣體混合到1 200℃左右再進入換熱面，以確保前置過熱器的安全運行并提高了過熱爐的熱效率。

3實例設(shè)計及經(jīng)濟效益分析

3.1　余熱發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)某鋼廠100 t電爐煙氣的溫度和流量變化，經(jīng)過計算和優(yōu)化設(shè)計，得到余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)匯總于表1。

表1電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)

序號參數(shù)設(shè)計值1平均溫度/℃6702平均流量/Nm3·h-1720003余熱鍋爐飽和蒸汽的壓力/MPa3.04余熱鍋爐的回收效率/[%]68.85余熱鍋爐的額定容量/t·h-1306蓄熱器的單位蓄熱量/kJ·m-338.77蓄熱器的水容量/m31308蓄熱器蒸汽出口壓力/MPa2.09過熱爐蒸汽的出口溫度/℃42010過熱爐換熱面積/m220511凝汽式汽輪機額定功率/MW612凝汽式汽輪機的排氣壓力/MPa0.008

3.2　經(jīng)濟效益分析

電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)采用6 MW汽輪發(fā)電機組，年工作小時按6 000 h計，每年可發(fā)電3 600萬kW·h；從能源利用的角度看，電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)每年節(jié)約標煤1.28萬t，其經(jīng)濟效益分析如表2所示。

表2電爐余熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析

序號項目名稱數(shù)值1項目投資/萬元50002運行及維護成本/元·h-13503設(shè)備折舊年限/年154蒸汽量/t·h-1305年發(fā)電量/萬kW·h·年-136006年凈效益/萬元·年-126407節(jié)省標煤量/萬t1.288投資回收期/年1.89

4結(jié)論

本文介紹了電爐中壓過熱蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)，分析了煙氣參數(shù)的確定、彎煙道的可靠冷卻和余熱的充分利用、余熱鍋爐優(yōu)化設(shè)計、采用蒸汽蓄熱器來穩(wěn)定蒸汽的流量和壓力、采用過熱爐過熱蒸汽等關(guān)鍵技術(shù)問題，對于發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運行具有重要意義，同時計算了電爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對其經(jīng)濟效益進行了分析，結(jié)果表明該發(fā)電系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

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