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        鋼鐵企業(yè)富余煤氣綜合高效利用的探討

        2021-08-31 00:52:52陳曉衛(wèi)
        冶金動力 2021年4期
        關鍵詞:汽輪機

        陳曉衛(wèi)

        (寶鋼工程技術集團有限公司,上海 201900)

        引言

        鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中,產(chǎn)生大量的副產(chǎn)煤氣,在優(yōu)先供應工序生產(chǎn)后,煤氣往往仍有富余。為節(jié)能挖潛、降本增效,統(tǒng)一兼顧富余煤氣和各種余熱資源,做到發(fā)電和供熱的相對高效和平衡[1]。結(jié)合某鋼鐵企業(yè)余熱資源綜合效能提升項目的設計實踐,闡述設計思路及主要系統(tǒng)配置。

        1 項目基本現(xiàn)狀

        某鋼鐵企業(yè)燒結(jié)廠現(xiàn)有2 臺550 m2燒結(jié)機,配套建設2 臺600 m2環(huán)冷機雙壓余熱鍋爐,利用環(huán)冷機不同位置的排放煙氣溫度差異,梯度利用余熱資源,通過鍋爐產(chǎn)生兩種不同品質(zhì)的蒸汽,高壓蒸汽1.8 MPa,380 ℃;低壓蒸汽0.5 MPa,180 ℃,分別進入1臺30 MW 汽輪發(fā)電機組發(fā)電。因燒結(jié)工藝設備檢修等諸多因素,余熱鍋爐產(chǎn)量波動較大,系統(tǒng)生產(chǎn)受到了不同程度的影響。

        1.1 燒結(jié)余熱發(fā)電不足及不穩(wěn)定

        燒結(jié)生產(chǎn)受自身工藝調(diào)整,上游原料供給工序、下游高爐生產(chǎn)調(diào)整的影響,燒結(jié)環(huán)冷余熱鍋爐產(chǎn)量波動較大。

        (1)低壓蒸汽放散

        余熱鍋爐處于低負荷運行時,余熱發(fā)電機組輸出功率較低,當機組負荷低于8.5 MW 時,受汽輪機設備的運行約束條件,余熱鍋爐產(chǎn)生的低參數(shù)蒸汽無法進入汽輪發(fā)電機組,造成低參數(shù)蒸汽排空放散。

        (2)發(fā)電機組頻繁啟停

        當一臺燒結(jié)機停爐或低負荷運行時,另一臺燒結(jié)機生產(chǎn)出現(xiàn)波動,造成兩臺燒結(jié)余熱鍋爐停爐或極低負荷運行,燒結(jié)余熱發(fā)電機組因蒸汽供應不足導致解列停機。

        燒結(jié)系統(tǒng)檢修結(jié)束后恢復生產(chǎn)用時較短,但汽輪發(fā)電機組從解列到重啟的時間較長,期間循環(huán)水、油系統(tǒng)設備需正常維持運行,造成自用電率上升,燒結(jié)機啟動后至發(fā)電機投入前這一時期,鍋爐需要升溫升壓,蒸汽需要暖管,造成了資源的浪費。

        (3)發(fā)電設備出力不足

        根據(jù)運行實績,余熱發(fā)電汽輪機組短時發(fā)電達到29 MW,平均發(fā)電功率18.98 MW,為裝機容量的63.27%設備能力沒有發(fā)揮出來。

        1.2 CDQ單元因抽汽減少發(fā)電量

        燒結(jié)煤精區(qū)域處于蒸汽管網(wǎng)的末端,此區(qū)域用戶蒸汽用量20 t/h,溫度高于200 ℃。全廠蒸汽由兩臺50 t/h 的低壓鍋爐產(chǎn)生1.2 MPa、250 ℃蒸汽經(jīng)過300 m 蒸汽管道輸送到煤精區(qū)域時,壓力約0.8 MPa左右,溫度約180 ℃左右,不滿足用戶要求。改造燒結(jié)煤精區(qū)域CDQ 高溫高壓發(fā)電單元,抽取20t/h 的高溫高壓(9.81 MPa,540 ℃)蒸汽經(jīng)減溫減壓后補充管網(wǎng),將該區(qū)域蒸汽的溫度提高到200 ℃。CDQ 機組抽蒸汽送管網(wǎng)后,機組的發(fā)電量減少了4 000 kW,影響了CDQ單元效益。

        1.3 富余煤氣利用

        全廠高爐煤氣富余4萬~10萬m3/h,煤氣長期處于放散的狀態(tài),既浪費能源,也不利于環(huán)境保護。

        2 改造方案

        2.1 改造總體內(nèi)容

        燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的汽輪機主蒸汽設計量為130 t/h,設計壓力1.6 MPa,溫度350 ℃;補汽流量40 t/h,設計壓力0.4 MPa,溫度170 ℃,額定功率為30 MW。保持汽輪機不停機的負荷率在30%以上,對應汽輪機主蒸汽進汽量約39 t/h。所以本項目新建煤氣鍋爐的額定蒸發(fā)量設計為40 t/h,可滿足燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)不會因燒結(jié)工藝的影響而停機,同時通過補汽進入汽輪機發(fā)電,也提高了燒結(jié)余熱發(fā)電機組的設備發(fā)電能力。

        根據(jù)熱力計算,新建煤氣鍋爐額定負荷下需要燃燒高爐煤氣4 萬m3/h,可部分解決煤氣放散。

        燒結(jié)余熱發(fā)電機組在0~8.5 MW 工況下及臨時停機時,新建煤氣鍋爐所產(chǎn)蒸汽40 t/h 全部進入汽輪機,保證不停機;在8.5~26 MW 負荷狀態(tài)下,新建煤氣鍋爐蒸汽20 t/h 進入燒結(jié)余熱汽輪機提高發(fā)電量。20 t/h進入低壓蒸汽管網(wǎng)提高區(qū)域管網(wǎng)溫度,滿足低壓蒸汽用戶需求;燒結(jié)余熱發(fā)電機組自身滿負荷工況時,新建煤氣鍋爐50%負荷運行,只產(chǎn)生20 t/h的蒸汽量,全部進入低壓蒸汽管網(wǎng)提高區(qū)域管網(wǎng)溫度。

        2.2 鍋爐方案

        鍋爐整體參數(shù)如下。

        額定蒸發(fā)量:40 t/h;額定蒸汽溫度:375 ℃;

        額定工作壓力:1.8 MPa;

        鍋爐燃料形式:高爐煤氣;

        鍋筒工作壓力:2.0 MPa;

        給水溫度:104±2 ℃;進風溫度:20 ℃;

        排煙溫度:140 ℃;余熱利用率:86.5%;

        額定燃耗:39 000 m3/h;粉塵含量<15 mg/m3;

        煙氣排放標準:SOx含量<50 mg/m3。

        新建煤氣鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、Π型室外布置。鍋爐前部為膜式水冷壁爐膛,頂部水平煙道亦為膜式水冷壁結(jié)構,尾部豎井為全密封式鋼煙道。因此鍋爐具有良好的密封性能和保溫性能。膜式壁四周設置了剛性梁以抵抗因煙氣脈動引起的振動。水平煙道內(nèi)布置兩級對流過熱器,兩級過熱器之間設置噴水減溫器。尾部煙道中布置兩級省煤器和兩級空氣預熱器。

        鍋爐構架采用全鋼結(jié)構,按7°(或7°以下)地震烈度設防。爐膛及過熱器、水平煙道全部懸吊于頂部鋼梁上。尾部兩級省煤器和空氣預熱器放置在后部的柱和梁上。

        全部采用輕型爐墻,既保證了鍋爐的密封,減少了熱損失,又省去了大量的耐火材料和復雜易漏的密封結(jié)構,提高了鍋爐的性能,減少了爐墻投資。省煤器采用高效螺旋鰭片管??諝忸A熱器布置在省煤器后,采用立式、內(nèi)搪瓷管結(jié)構。鍋爐以平衡通風方式運行。給水通過省煤器后進入鍋筒,再經(jīng)下降管分配至四周水冷壁的下集箱,在上升管內(nèi)受熱汽化,生成的汽水混合物由各自的上集箱導入鍋筒中進行分離,分離出的飽和蒸汽經(jīng)頂棚過熱器、低溫過熱器、高溫過熱器過熱到375 ℃后送出。

        2.3 煙氣處理

        根據(jù)對企業(yè)內(nèi)部高爐煤氣燃燒設施的調(diào)研分析,高爐煤氣燃燒產(chǎn)生SOX含量在70~110 mg/m3,NOX含量在10~15 mg/m3;企業(yè)所在地區(qū)鍋爐煙氣的允許指標分別為SOX≤50 mg/m3、NOX≤150 mg/m3。因此要建設煙氣脫硫設施,達到環(huán)保排放的要求。

        脫硫工藝考慮到無脫硫廢水產(chǎn)生、工程造價、脫硫效率等因素,采用了目前較為成熟的半干法循環(huán)流化床脫硫工藝,基本工藝流程為煙氣→吸收塔→布袋除塵器→引風機→煙囪。

        3 生產(chǎn)運行情況

        煤氣鍋爐投入運行后,鍋爐可以最大連續(xù)穩(wěn)定送出蒸汽38.5~41 t/h,蒸汽壓力1.75~1.8 MPa,蒸汽溫度約380 ℃。鍋爐煙氣SOX含量約23 mg/m3,滿足環(huán)保排放要求。

        表1顯示了煤氣鍋爐投運后燒結(jié)發(fā)電機組的運行工況。

        表1 各種運行工況組合

        新建鍋爐持續(xù)運行期間,30 t/h 左右的蒸汽量補入了汽輪機發(fā)電,提高了汽輪機的發(fā)電量。其余約10 t/h 蒸汽通過減溫減壓補入低壓管網(wǎng),取消了CDQ 單元高溫高壓蒸汽的抽汽,既提高了管網(wǎng)溫度,煤精區(qū)域蒸汽的品質(zhì)達到了要求,CDQ 也提高了發(fā)電量。

        在一臺燒結(jié)檢修,另一臺燒結(jié)低負荷或臨時停機時,將40 t/h 蒸汽全部進入燒結(jié)汽輪機,保證汽輪機不停機,減少了汽輪機的頻繁啟停機,增加了汽機壽命,也提高了燒結(jié)蒸汽的發(fā)電效率,避免蒸汽放散及頻繁啟停機的無效消耗。

        4 結(jié)論

        本方案充分利用富余煤氣,解決了蒸汽管網(wǎng)溫度低、燒結(jié)余熱發(fā)電不足、CDQ 單元抽汽的問題,為煤氣利用提供了新的思路和方法,值得行業(yè)借鑒和參考。

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