王穎潔 丁勇山 王元新

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司)

文章的分析對象為鋼產(chǎn)量300萬t/a的國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)，該鋼鐵企業(yè)的主要生產(chǎn)工序包括原料場、焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼和軋鋼。由于該鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)能逐步擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝數(shù)次調(diào)整，因此具有復(fù)雜的熱力系統(tǒng)。

1 鋼鐵企業(yè)熱力系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 高溫高壓蒸汽

該鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有高溫高壓(9.8 MPa，540 ℃)煤氣鍋爐4臺。其中，2臺 110 t/h鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于2臺25 MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，25 MW汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)置低壓抽汽并入廠區(qū)低壓蒸汽管網(wǎng)；1臺130 t/h鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于30 MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電；1臺80 t/h鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于拖動1號高爐的AV63汽動鼓風(fēng)機(jī)組，該汽動鼓風(fēng)機(jī)組設(shè)置2.7 MPa、380 ℃抽汽供1號燒結(jié)機(jī)的主抽汽輪機(jī)。8.8～9.8 MPa高壓蒸汽平衡見表1。

表1 高溫高壓蒸汽平衡 t/h

1.2 中溫中壓蒸汽

該鋼廠現(xiàn)有中溫中壓(3.82 MPa，450 ℃)煤氣鍋爐3臺。其中，1臺35 t/h煤氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于拖動2號高爐的AV45汽動鼓風(fēng)機(jī)組；另外2臺75 t/h煤氣鍋爐與干熄焦余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽混入中壓蒸汽母管進(jìn)行再分配，主要為15 MW發(fā)電機(jī)組和3號高爐AV63汽動鼓風(fēng)機(jī)組提供動力源。

中壓蒸汽管道上設(shè)有2套減溫減壓裝置，1套減溫減壓裝置產(chǎn)生1.0 MPa低壓蒸汽用于焦化工序；1套減溫減壓裝置產(chǎn)生2.0 MPa次中壓蒸汽作為8 MW燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組的汽源，以保障8 MW發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。3.4～3.8 MPa中壓蒸汽平衡見表2。

表2 中壓蒸汽平衡 t/h

1.3 余熱回收

(1)干熄焦余熱回收蒸汽

焦化廠現(xiàn)有75 t/h干熄焦余熱鍋爐1臺，產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽并入中壓蒸汽母管。

(2)焦化煙氣余熱回收蒸汽

焦化廠設(shè)18 t/h焦化煙氣余熱鍋爐1臺，產(chǎn)生0.6 MPa低壓蒸汽主要供應(yīng)焦化蒸汽用戶。

(3)燒結(jié)余熱回收蒸汽

1號燒結(jié)環(huán)冷機(jī)、3號燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收的2.0 MPa次中壓蒸汽并入現(xiàn)有8 MW發(fā)電系統(tǒng)；0.6 MPa低壓蒸汽并入公司蒸汽管網(wǎng)。次中壓蒸汽管網(wǎng)上設(shè)有1套減溫減壓裝置作為低壓蒸汽備用汽源，一般情況下不投運(yùn)。2號燒結(jié)帶冷機(jī)回收的0.8 MPa低壓蒸汽直接并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)富裕蒸汽用作現(xiàn)有8 MW發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)汽汽源。

(4)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻

現(xiàn)有煉鋼系統(tǒng)均設(shè)有轉(zhuǎn)爐汽化冷卻，產(chǎn)生的低壓蒸汽滿足煉鋼自用汽后并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)。

(5)軋鋼加熱爐汽化冷卻

現(xiàn)有軋鋼車間均設(shè)有加熱爐汽化冷卻，產(chǎn)生的低壓蒸汽并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)。

(6)低品位余熱

高爐沖渣水和焦?fàn)t初冷器循環(huán)水余熱均已考慮回收，產(chǎn)生的熱水供全廠采暖，除了極寒天氣需要蒸汽補(bǔ)汽以外，全廠基本上已實(shí)現(xiàn)余熱供暖。全廠0.6～1.3 MPa低壓蒸汽平衡見表3。1.8～25 MPa次中壓蒸汽平衡見表4。

表3 低壓蒸汽平衡 t/h

表4 次中壓蒸汽平衡 t/h

2 熱力系統(tǒng)診斷

2.1 減溫減壓造成發(fā)電量損失

10 t/h中溫中壓蒸汽被直接減壓到低壓，供焦化車間使用，合計(jì)減溫減壓蒸汽量9萬t/a，與汽輪機(jī)抽汽相比，損失發(fā)電量約為930萬kWh/a。

13 t/h中溫中壓蒸汽被直接減壓到2.0 MPa，供8 MW余熱發(fā)電，合計(jì)減溫減壓蒸汽量9萬t/a，與汽輪機(jī)抽汽相比，損失發(fā)電量約為940萬kWh/a。

2.2 燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)效率低

1號126 m2燒結(jié)系統(tǒng)和3號126 m2燒結(jié)系統(tǒng)現(xiàn)有余熱鍋爐為雙壓、單進(jìn)氣、無補(bǔ)燃、立式水—汽自然循環(huán)余熱水管鍋爐，單煙道布置結(jié)構(gòu)，鍋爐低壓汽包兼具除氧器功能。2號72 m2燒結(jié)余熱鍋爐為單壓、單進(jìn)氣、無補(bǔ)燃、機(jī)上布置熱管鍋爐。1號爐年平均蒸汽回收量為76.7 kg/t，3號爐年平均蒸汽回收量為62.5 kg/t，余熱回收效果不佳，相對于國內(nèi)先進(jìn)指標(biāo)120 kg/t，改進(jìn)提升的空間較大。

(1)126 m2燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)

現(xiàn)有余熱回收系統(tǒng)僅利用了環(huán)冷機(jī)廢氣余熱，余熱回收煙氣系統(tǒng)風(fēng)箱與臺車之間、臺車與取風(fēng)罩之間的漏風(fēng)嚴(yán)重，約45%～50%；環(huán)冷三段100～150 ℃的熱風(fēng)未利用；機(jī)尾高溫?zé)煔庥酂釠]有加以利用而直接排入大氣，造成環(huán)境熱污染，同時(shí)還浪費(fèi)了寶貴的余熱資源。

(2)72 m2燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)

現(xiàn)有余熱鍋爐采用機(jī)上布置形式，利用帶冷鼓風(fēng)機(jī)余壓將冷卻礦料后的熱廢氣通過余熱鍋爐回收。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，回收0.6 MPa的飽和蒸汽5 t/h。該煙氣系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，余熱利用率低，粉塵排放量大。

2.3 自發(fā)電系統(tǒng)未高效利用

該鋼鐵企業(yè)共4個(gè)煤氣發(fā)電機(jī)組，其中包括1×15 MW中溫中壓發(fā)電機(jī)組、2×25 MW高溫高壓發(fā)電機(jī)組和1×30 MW高溫高壓發(fā)電機(jī)組，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表5。

表5 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

高溫高壓30 MW發(fā)電機(jī)組由于負(fù)荷率約為50%，效率較低，而中溫中壓15 MW發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率為100%，煤氣的利用明顯不合理，發(fā)電效率高的機(jī)組應(yīng)優(yōu)先消耗煤氣。

2.4 煤氣鍋爐參數(shù)低，能源轉(zhuǎn)換效率低

該鋼鐵企業(yè)目前有7個(gè)煤氣鍋爐，其中包括2×75 t/h中溫中壓鍋爐、1×35 t/h中溫中壓鍋爐、2×110 t/h高溫高壓鍋爐、1×130 t/h高溫高壓鍋爐和1×80 t/h高壓鍋爐，煤氣消耗情況見表6。全廠平均煤氣單耗為4.0 m3/kWh，單耗偏高，能源利用效率低。

表6 煤氣鍋爐運(yùn)行參數(shù)

相對于市場上廣泛應(yīng)用的超高溫超高壓發(fā)電機(jī)組，全廠平均煤氣單耗高1 m3/kWh，發(fā)電效率低30%。

2.5 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻蓄熱器容積偏小

每套60 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)配置1臺40 m3蓄熱器，蓄熱器幾乎無法發(fā)揮蓄熱作用，而是依靠現(xiàn)場運(yùn)行人員手動調(diào)節(jié)汽包后調(diào)節(jié)閥控制蒸汽壓力，汽化冷卻系統(tǒng)夏季運(yùn)行均有蒸汽放散的情況出現(xiàn)。

2.6 蒸汽系統(tǒng)計(jì)量不完善

有些地方蒸汽計(jì)量數(shù)值不準(zhǔn)確，部分車間內(nèi)部蒸汽分配無計(jì)量。由于計(jì)量設(shè)施缺失和不完善，造成對蒸汽用戶的無序管理，很難為進(jìn)一步優(yōu)化蒸汽系統(tǒng)提供依據(jù)。

3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 燒結(jié)余熱系統(tǒng)優(yōu)化

(1)126 m2燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)

常規(guī)環(huán)冷余熱回收僅回收環(huán)冷一段、二段的熱量，溫度為100～150 ℃的熱量不回收。

燒結(jié)恒溫復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)采用回風(fēng)恒溫調(diào)節(jié)技術(shù)、落塵管煙氣恒溫調(diào)節(jié)技術(shù)，既提高機(jī)尾煙氣余熱回收的穩(wěn)定性，又實(shí)現(xiàn)高參數(shù)蒸汽恒溫控制；融合了熱風(fēng)密閉循環(huán)、雙壓汽水系統(tǒng)等先進(jìn)成熟的技術(shù)，提高鍋爐回收的火用效率。燒結(jié)恒溫復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)[1]不僅能夠回收環(huán)冷一段、二段的熱量，而且還能回收溫度為100～150 ℃的熱量，實(shí)現(xiàn)了在不影響燒結(jié)工藝生產(chǎn)的前提，最大限度增加余熱發(fā)電量。

(2)72 m2燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)

采用廢氣密閉循環(huán)系統(tǒng)代替現(xiàn)有的直排系統(tǒng)，提高回風(fēng)溫度及增加熱廢氣風(fēng)量；采用雙進(jìn)氣余熱鍋爐，提高高溫風(fēng)的火用效率，使鍋爐出口蒸汽參數(shù)趨于穩(wěn)定。

(3)利用燒結(jié)動密封組

燒結(jié)冷卻機(jī)密封效果不僅影響余熱回收系統(tǒng)的蒸汽量，而且與蒸汽參數(shù)(溫度、壓力)及電耗都息息相關(guān)。

燒結(jié)動密封系統(tǒng)[2]能夠提高環(huán)冷機(jī)密封性能，減少煙罩與臺車、臺車與風(fēng)箱之間的漏風(fēng)量，使得漏風(fēng)率由原有的45%～50%下降至15%左右。優(yōu)化后，每個(gè)126 m2燒結(jié)系統(tǒng)蒸汽回收量(中、低壓合計(jì))24 t/h；72 m2燒結(jié)系統(tǒng)蒸汽回收量(中、低壓合計(jì))8 t/h；噸礦蒸汽回收量可達(dá)約120 kg/t。每年增加的低壓蒸汽回收量和次中壓蒸汽回收量分別為6.3萬和9.5萬t/a，低壓蒸汽按供焦化考慮，燒結(jié)余熱外供電量可增加1 397萬kWh/a。

3.2 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

現(xiàn)有3套煉鋼系統(tǒng)，分別是一煉鋼45 t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)、二煉鋼60 t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)和三煉鋼60 t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)。一煉鋼45 t轉(zhuǎn)爐即將進(jìn)行產(chǎn)能升級改造，對此轉(zhuǎn)爐文章不進(jìn)行分析。二煉鋼60 t轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)鋼水102.89萬t/a，噸鋼蒸汽回收量為68.10 kg/t(已扣除除氧器加熱用消耗蒸汽)；三煉鋼60 t轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)鋼水107.81萬t/a，噸鋼蒸汽回收量為66.43 kg/t(已扣除除氧器加熱用蒸汽)。噸鋼蒸汽回收量基本達(dá)到國內(nèi)平均值。

二煉鋼和三煉鋼60 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)配置：煙道直徑為2 200 mm；煙道分為活動煙罩、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段，除活動煙罩與除氧器、循環(huán)水泵組成強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)外，其余煙道各段與汽包組成自然循環(huán)系統(tǒng)。汽包額定工作壓力1.25 MPa，每套轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)配置1臺40 m3蓄熱器。

現(xiàn)有煉鋼系統(tǒng)配套汽化冷卻系統(tǒng)夏季運(yùn)行均有蒸汽放散的情況發(fā)生。為消除蒸汽放散及減小轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)，蒸汽量的驟增對蒸汽管網(wǎng)的沖擊，2臺60 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)需要新增1套80 m3蒸汽蓄熱系統(tǒng)。

3.3 蒸汽網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

應(yīng)避免蒸汽的高能低用，盡量利用電站抽汽供生產(chǎn)用汽和余熱發(fā)電機(jī)組。原燒結(jié)系統(tǒng)用約15 t/h蒸汽預(yù)熱燒結(jié)混合料，蒸汽網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，用高爐沖渣水代替蒸汽，可節(jié)省蒸汽量11.73萬t/a，增加外供電量2 666萬kWh/a。

3.4 富裕煤氣利用優(yōu)化

該鋼鐵企業(yè)目前可支配富裕煤氣量約35.8萬m3/h(折合高爐煤氣)，增產(chǎn)及優(yōu)化后富裕煤氣量約47.7萬m3/h(折合高爐煤氣)。該部分煤氣為全廠所有鍋爐的可消耗的煤氣量，按照效益最大化原則，擬定了煤氣利用方案。

方案一：淘汰所有中溫中壓煤氣鍋爐，中溫中壓汽動鼓風(fēng)機(jī)改成電動鼓風(fēng)機(jī)，一期新建1臺35 MW超高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組，增產(chǎn)及優(yōu)化后二期再新建1臺35 MW超高溫超高壓發(fā)電機(jī)組。

方案二：淘汰所有中溫中壓煤氣鍋爐及高溫高壓煤氣鍋爐，所有汽動鼓風(fēng)機(jī)改成電動鼓風(fēng)機(jī)，一期新建2臺65 MW超高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組，增產(chǎn)及優(yōu)化后二期再新建1臺65 MW超高溫超高壓發(fā)電機(jī)組。

方案一和方案二技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表7。

表7 煤氣利用方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

考慮到方案二投資較大，而且現(xiàn)有變電所容量較小，并網(wǎng)困難，推薦采用方案一。采用方案一后，年增加外供電量43 050萬kWh/a。

3.5 富裕蒸汽利用

考慮到全廠蒸汽系統(tǒng)有放散，為充分節(jié)能降耗，建議新建1座4 000 kW飽和蒸汽發(fā)電站，可增加外供電量2 400萬kWh/a。

4 結(jié)語

該鋼鐵企業(yè)的熱力系統(tǒng)可提升空間較大，針對當(dāng)前的能源現(xiàn)狀優(yōu)化改進(jìn)，可大幅提高能源利用水平，降低能耗，總外供電量可增加49 513萬kWh/a，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益可觀。