王曉明，鄧萬里，熊高松

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海 201900）

前言

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（Blast Furnace Top GasRecovery Turbine Unit，簡稱TRT 發(fā)電），是利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱，把煤氣導出透平膨脹機時壓力能和熱能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的一種能量回收裝置。TRT 可以回收高爐工序電耗的60%～65%[1],是衡量鋼廠節(jié)能減排水平的重要指標之一。

1 鋼廠TRT裝備

隨著我國高爐大型化、節(jié)能減排工作的推進和TRT 設(shè)備的國產(chǎn)化，TRT 技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用快速推進。從1995年底的12套，到2010年總計有超過600座高爐配備597套TRT設(shè)備[2]。

選取國內(nèi)4 個大型鋼廠高爐共15 座（其中干法除塵9 座），TRT 配備率100%。各TRT 配置情況見表1。

表1 四大鋼廠TRT和高爐配置簡表

不考慮高爐容積的大小，按高爐單位容積TRT的裝機容量排序為：C 鋼廠7.2＞D 鋼廠6.5＞B 鋼廠6.3＞A 鋼廠5.0，見表2。干式TRT 裝機容量在設(shè)計上明顯高于濕式（見圖1），是由于高爐采用干法除塵后，其爐頂高爐煤氣溫度較高，余能產(chǎn)生量大于濕法除塵。

圖1 單位爐容TRT裝機功率（未加注者為干式）

表2 高爐和TRT配備簡表

2 總體指標分析

四個鋼廠鐵產(chǎn)量、煤氣發(fā)生量、TRT發(fā)電量等數(shù)據(jù)見表3。雖然C鋼廠鐵產(chǎn)量低于A鋼廠，但TRT發(fā)電量卻高于A鋼廠?？紤]到A鋼廠3#TRT設(shè)備狀態(tài)一直不好，在11 月底更換轉(zhuǎn)子后發(fā)電效率大幅提升，如果按照其近4 個月的發(fā)電效率，則A 鋼廠全年TRT 發(fā)電總量與C 鋼廠相當。為便于分析，下文按3#TRT轉(zhuǎn)子更換后的數(shù)據(jù)進行對標。

表3 某年鐵產(chǎn)量和發(fā)電量等數(shù)據(jù)

若將高爐煤氣通過透平機做功過程看作絕熱過程，則TRT 的輸出功率W 可以用下式進行計算見式1。

式中：Q——煤氣流量；

CP、K——煤氣的定壓熱容和絕熱指數(shù)；

T1——TRT入口溫度；

P1、P2——進出口壓力；

ηt、ηf——為透平機和發(fā)電機效率因數(shù)。

由計算公式可見，影響TRT 發(fā)電量的因素主要有爐頂煤氣流量、爐頂煤氣溫度、爐頂壓力、設(shè)備效率及TRT的有效工作時間等。

從噸鐵發(fā)電、單位爐容發(fā)電量、單位體積煤氣發(fā)電量來看，B 鋼廠顯著領(lǐng)先于其它三廠。這既得益于其全干法除塵和大爐容，也可能與陜鼓的設(shè)備高效和較新有關(guān)。這里給出鋼鐵研究總院的一篇圖表[2]，見圖2。可以看出B 鋼廠的噸鐵發(fā)電指標在大型高爐中是很先進的。

圖2 不同爐容下TRT發(fā)電效率樣本

從表3的TRT運轉(zhuǎn)時出力與裝機功率比來看，B鋼廠和A 鋼廠均達到70%以上，D 鋼廠為67%，說明設(shè)備選型更貼近實際工況；C 鋼廠則不到55%，說明C鋼廠TRT存在一定程度的“大馬拉小車”現(xiàn)象。

A 鋼廠雖然噸鐵發(fā)電量最低，但高爐煤氣產(chǎn)氣率也最低，單位體積煤氣發(fā)電量反而優(yōu)于C鋼廠，這與A 鋼廠高爐煤氣干法除塵比例高于C 鋼廠有關(guān)。從表4 看，A 鋼廠干式TRT 單位體積煤氣發(fā)電量（287）要略高于C 鋼廠（285）和D 鋼廠（272），但明顯落后于B鋼廠（314），說明前三家干式TRT總體效率相近，B鋼廠仍然領(lǐng)先。

表4 干式TRT運轉(zhuǎn)效率比較

A 鋼廠和C 鋼廠配置有全濕式TRT。A 鋼廠噸鐵發(fā)電量（36.1）略低于C鋼廠（36.7），而單位體積煤氣發(fā)電量總體（244）優(yōu)于C鋼廠（225）。

高爐煤氣產(chǎn)氣率會影響噸鐵發(fā)電量，但A 鋼廠這兩個能源回收指標雖然較低，對高爐工序能耗卻似乎不大。圖3 給出了煉鐵工序能耗（kg 標煤/t）與回收能源（kg標煤/t）的比較。

表5 濕式TRT運轉(zhuǎn)效率比較

圖3 煉鐵工序能耗（kg標煤/t）與回收能源（kg標煤/t）比較

其中總回收包括煤氣和電力（按當量折標系數(shù)）回收。A 鋼廠雖然在煤氣回收和電力回收總量處于劣勢，但由于燃料等消耗低，因此工序能耗（371.9 kg 標煤/t）反而較優(yōu)，與B 鋼廠（375.6 kg 標煤/t）大致相當。

3 機組分析

根據(jù)前述計算公式，TRT 發(fā)電功率可表達為煤氣量與“運行系數(shù)”、設(shè)備效率的乘積。煤氣量與高爐利用系數(shù)、煤氣利用系數(shù)、燃料比等系列因素相關(guān)，這里不贅述。“運行系數(shù)”主要與TRT 入口煤氣溫度、入口壓力、出口壓力等有關(guān)。根據(jù)表6的數(shù)據(jù)對“運行系數(shù)”計算見圖4。

圖4 各TRT機組的“運行系數(shù)”

表6 各TRT運行參數(shù)和指標

干式TRT 因入口壓力和溫度高，“運行系數(shù)”高于濕式TRT 約30%。B 鋼廠兩座TRT 最高，其次是A 鋼廠3#TRT。C 鋼廠8#TRT 因?qū)嵭械蜏責掕F，D 鋼廠2#TRT 因入口壓力和溫度偏低（應(yīng)該是小爐型高爐的問題），“運行系數(shù)”明顯較低。而各濕式TRT之間的“運行系數(shù)”沒有明顯差異，見表6。

設(shè)備效率包括透平和發(fā)電機效率因數(shù)，實際效率很難量化，但設(shè)備狀態(tài)對設(shè)備效率影響非常大。如A 鋼廠3#TRT，狀態(tài)一直不好，發(fā)生過葉片損壞，更換轉(zhuǎn)子后，噸鐵發(fā)電恢復(fù)到42 kWh/t。C 鋼廠1#TRT，多次發(fā)生葉片斷裂事件，設(shè)備效率下降，噸鐵發(fā)電僅為30 kWh/t 左右。另外，A 鋼廠和B 鋼廠（僅對比1#TRT，2#TRT 當年7 月投運）TRT 運轉(zhuǎn)小時數(shù)較高，見圖5。

圖5 各TRT機組的某年運轉(zhuǎn)小時數(shù)

4 結(jié)論和建議

結(jié)合上述分析，對各鋼廠TRT 運行情況打分，如表7所示。

表7 各TRT運行情況評分表

總的來說，四大鋼廠，B 鋼廠TRT 運行效果最好，A 鋼廠總體略好于C 鋼廠（干式TRT 發(fā)電不如C鋼廠），D鋼廠略差。

影響TRT 運行效果的因素是多方面的。從能源利用的角度，TRT 技術(shù)應(yīng)從以下幾個方面進行改進：

（1）應(yīng)注重大型干式TRT 的技術(shù)改造，同時采取措施，解決葉片磨損、管道腐燭等問題，更好的發(fā)揮干式TRT的利用效果。

（2）TRT 與高爐生產(chǎn)操作協(xié)同優(yōu)化。提高高爐生產(chǎn)穩(wěn)定性，兼顧TRT 生產(chǎn)需要，使高爐煤氣全量進透平機發(fā)電，以保證TRT 透平機煤氣量最大；保證高爐正常生產(chǎn)的條件下，適當提高并穩(wěn)定爐頂壓力，在爐頂設(shè)備和干法除塵設(shè)施允許的情況下，將TRT入口溫度和爐頂煤氣溫度偏上限控制等。

（3）提高TRT 作業(yè)率。運行過程中加強設(shè)備維護及相關(guān)環(huán)節(jié)的配合，如保證除塵系統(tǒng)正常工作，以減少煤氣中含塵量，從而降低葉片積灰、積鹽等，使透平機保持良好的工作狀態(tài)。