機械真空技術在寶鋼特鋼VD爐上的應用

張 輝寶鋼特鋼有限公司能源環保部

機械真空技術在寶鋼特鋼VD爐上的應用

張 輝
寶鋼特鋼有限公司能源環保部

機械真空技術因其即開即得、可精確控制、運行可靠、節能環保，正在逐步成為大型真空脫氣系統的首選。介紹了寶鋼特鋼以合同能源管理模式實施機械真空節能改造，用機械真空泵替代原來蒸汽噴射泵的應用情況及應用效果。

VD爐；機械真空泵；蒸汽噴射泵

鋼水真空循環脫氣工藝干式(機械)真空系統應用技術（簡稱機械真空技術），近年來在國內外各大鋼廠得到越來越多應用，用以替代傳統廣泛應用的蒸汽噴射式真空泵。該技術采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產生真空將廢氣排出系統。相比傳統的蒸汽噴射泵，可節能90%以上，在2012年被國家發展和改革委員會納入《國家重點節能技術推廣目錄(第5批)》，在全國范圍內重點推廣。

寶鋼特鋼有限公司是寶鋼集團的全資子公司，專門從事高溫合金、鈦合金等特種材料的生產，其煉鋼產線采用的爐外精煉真空工藝即VD法，由燃氣鍋爐房提供蒸汽，使用多級蒸汽噴射泵、同時配套水處理系統來處理含塵污水和冷卻熱水。由于蒸汽通過鍋爐燃燒天然氣生產供應，相比傳統鋼鐵企業利用余熱生產蒸汽，成本極高。為降低煉鋼抽真空成本，提高產品競爭力，寶鋼特鋼從2011年起關注跟蹤機械真空技術的發展應用，經過一年多的技術調研、交流和實地考察，于2013年決定以合同能源管理模式實施煉鋼產線VD爐真空脫氣系統的機械真空節能改造。

1 干式機械真空泵系統和傳統蒸汽噴射泵系統的比較

1.1 工作原理

蒸汽噴射泵是根據質量傳輸的工作原理，由動力蒸汽通過拉瓦爾噴嘴噴射產生低壓區，該低壓區將工藝廢氣吸入噴射泵，推動混合氣體前行。

干式機械泵真空系統采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產生真空將廢氣排出系統。

1.2 技術性能比較[1]

（1）節能減排

機械效率決定了干式機械泵真空系統與蒸汽噴射泵系統相比具有較高的效率，目前國內干式機械泵真空系統市場中承諾的節能效果可達90%以上。

干式機械泵的運行即不依賴于水也不產生水的污染。因此不需要蒸汽鍋爐、蒸汽輸送管路，以及相應的設備、場地投資和相關的人工費用。由于沒有污水產生，也不需要污水處理系統，與蒸汽噴射泵系統相比，干式機械泵系統的運行噪音非常低。

（2）生產運行

機械泵由于不需要鍋爐、水處理等配套設施，僅消耗電能，故相比蒸汽泵其運行成本可低90%以上。

機械泵可以通過變頻器控制泵的運行速度，可實現脫氣工藝過程的精確控制，保證在所有壓力范圍的壓力設定點穩定的工作性能，并可以實現真正的自動操作。

機械泵的體積流量不受氣體的密度（壓力）的影響，而蒸汽泵的質量流量隨氣體的密度（壓力）變化而變化，可實現在脫氣工藝各壓力區間（階段）工作穩定，脫氣效果不會隨真空度降低而降低。

（3）設備維護

機械泵由于系統配套設備少、易耗件少，故相比蒸汽泵其系統維護量小，僅需每年更換機械泵油和定期更換過濾器袋，使得系統和設備的使用率高。

機械泵配套過濾器下方有干式粉塵收集罐，可實現粉塵自動清掃，而無需用水清理粉塵并配套水處理站。

（4）性能提升

干式機械泵真空系統產生的真空度（曲線）是精確和可復制的。

長時間和穩定的真空條件，可以適用于所有金屬冶煉的所有反應和過程。

2 國內外干式機械真空系統的供應商及其技術應用情況

2.1 國內外干式機械真空系統的供應商

全球目前約有40套左右的真空脫氣系統采用了干式機械真空泵，在德國Lech-Stahlwerke GmbH工廠有1臺由MTAG公司設計制造的90 t VD真空系統，已經穩定運行了9 a且無大修記錄。國外主要供應商：

（1）瑞士MTAG ，截至2011年一共有VD，VOD投產業績14臺；

（2）羅馬尼亞阿德萊姆Adrem ，約有10臺VD業績。

國內主要供應商：

（1）重慶鋼鐵公司設計院（購買阿德萊姆Adrem技術）；

（2）阿德萊姆Adrem包頭；

（3）杭州西湖真空所；

（4）上海寬量節能（聯合瑞士MTAG進行合同能源管理模式）。

2.2 干式機械真空系統的技術比較[2]：

任何一個機械真空脫氣系統，其真空罐內最終的真空度要求（通常為67Pa）與大氣壓之間的壓差為真空脫氣系統為一恒定值；機械真空泵系統所要產生的總壓縮比也為恒定值。因此，機械真空泵系統所采用的泵級數越多，每級泵的工作負荷越小、所需的壓縮比越小。即泵本身和氣體產生的溫升越小。反之，機械泵系統的泵級越小，其每級泵所需的壓縮比就越高，其系統內工藝廢氣產生溫升就越大。目前干式機械真空系統的技術主要有兩種，其技術特點見表1。

3 國內干式機械真空技術應用案例

（1）重鋼210 t RH干式機械泵真空脫氣系統

表1 干式機械真空系統的技術比較

重鋼210 t RH干式機械泵真空脫氣系統2010 年6月建成后調試周期經歷了將近2 a。期間發生過多次因為外方設計的過濾器不合理，過濾粉塵不達標造成泵組損壞，泵組負荷過高超溫停機或損壞的事故。雖然通過修改過濾器結構，增加備用泵組，加強冷卻等改進通過了驗收，但是整個泵組系統多達76臺泵，而且需要安裝在有大功率空調制冷系統的泵房內。表明盡管已經有了水冷系統但是其溫度控制始終是一個比較大的問題。

（2）包鋼120 t VD干式機械泵真空脫氣系統由羅馬尼亞阿德萊姆Adrem設計并制造。調試周期用了10個月。期間主要發生的問題是，在工藝規定的時間內達不到規定的真空度、泵組的超溫報警等。后通過增加輔助泵機，同時增加備用泵機的辦法解決。

4 寶鋼特鋼干式機械真空技術應用情況

4.1 寶鋼特鋼設備現狀

對于特種鋼的生產，必須采用爐外精煉工藝，如真空脫氣（VD）或真空吹氧脫碳（VOD）工藝來減少鋼中的雜質。在真空脫氣（VD）工藝中，在壓力低于100 Pa真空度狀態下，降低熔鋼中溶解的氣體（主要是氫氣），以提高鋼材的強度和耐腐蝕性。

寶鋼特鋼作為寶鋼集團的特鋼生產基地，其煉鋼產線現有VD爐2臺，由燃氣鍋爐房供應蒸汽，使用多級蒸汽噴射泵、同時配套水處理系統。其年設計能力41.1萬t。

4.2 技術方案選擇

寶鋼特鋼于2013年1月采用瑞士MTAG公司的技術，以合同能源管理模式，實施干式機械真空節能改造。

根據寶鋼特鋼煉鋼VD爐的生產工況條件，量身設計一套機械真空系統，按4級16臺真空泵設計，可供61號、62號2臺VD爐共用，設計能力為28萬t/a。拆除原有2臺蒸汽噴射泵的其中1臺，保留1臺，以備同步抽氣使用。所有工藝參數均可達到或優于原系統。

4.3 應用效果

寶鋼特鋼煉鋼VD爐機械真空節能改造歷時9個月完成設計、設備采購、制作、土建施工以及設備安裝，又歷時3個月先后完成機械真空泵系統的冷態調試驗收和熱態調試驗收，于2014年4月正式投運，投運至今1年多的時間內設備運行穩定，工藝參數完全滿足煉鋼VD爐生產工藝要求。在節能驗收期內，相比原來的蒸汽泵系統節能率高達97%以上。

（1）冷態調試結果

寶鋼特鋼機械真空系統包括由羅茨泵和螺桿泵組成的真空泵組、過濾除塵裝置和公輔系統等，按4級16臺真空泵設計，其中第一級9臺羅茨泵，第二級2臺羅茨泵，第三級1臺羅茨泵，第四級4臺螺桿泵。在冷態調試時，對整個機械真空系統的各部件設備進行性能調試，其中從真空罐至機械泵組的系統泄漏率僅為約9 kg/h。無負載情況下，從大氣壓抽至67 Pa的時間僅為約280 s，極限真空度可達0.3 hPa。

（2）熱態調試結果

熱態調試時，在寶鋼特鋼煉鋼VD爐主要生產的GCr5、MnCr5系列、H13、17CrNiMo6和SW718H等5大類鋼種中各考核3個爐號，對機械泵抽氣開始至真空度≤67Pa的時間、極限真空度以及脫氫、氮、氧能力進行測試。經測試，所有的性能指標均達到設計要求，特別是脫氫在實際真空處理后達到了超預期的效果（＜0.5 mg/L）。

（3）節能效果

寶鋼特鋼原來蒸汽泵系統使用的蒸汽是由燃氣鍋爐生產供應，其工作時需要過熱蒸汽，通過蒸汽的過熱度來實現真空脫氣，故在其生產前需要通過鍋爐燃燒將蒸汽壓力提高至約1.0 MPa。雖然燃氣鍋爐房距離煉鋼VD爐生產現場不足200 m，但通過蒸汽管道將蒸汽從鍋爐房送至VD爐依然存在較大的熱損失，在VD爐生產時的蒸汽壓力僅約為0.7～0.8 MPa。而蒸汽泵利用蒸汽過熱度真空脫氣后，蒸汽乏汽則大量放散無法利用，所以整個蒸汽泵系統能源利用效率較低。另外，蒸汽泵系統還產生大量的充滿粉塵的廢水，此種廢水需要進行冷卻處理，故需要配套循環冷軋水處理系統，配置水泵、風機進行強制循環冷卻，需要消耗大量的電能、循環水的補充新水以及水處理設施的藥劑和運維費用，所以蒸汽泵系統的使用成本很高。特別值得提出的是：蒸汽噴射泵要求定期停產，清理噴射泵內的粉塵沉積層，勢必影響生產，會帶來成本的增加和生產能力的降低。而且，蒸汽噴射泵粉塵需要在熱井中沉淀，但這種回收水無法再變成無粉塵水，這種有腐蝕作用的帶有粉塵顆粒的水流經管道和閥門，時間久了就容易損壞管道而導致漏水。

機械真空泵系統僅需要拖動機械真空泵組運轉的電能，除塵系統吹掃用的壓縮空氣，以及儀表用的氮氣等。其沒有蒸汽輸送以及放散損失，也沒有配套水處理設施強制循環冷卻所需的各類消耗，故相比蒸汽泵系統，其能源利用效率極高，能源使用成本也極低。在節能驗收期間，共抽氣269爐，抽氣鋼產量11 415 t，消耗電27 209 kWh，消耗壓縮空氣8 320 m3，消耗氮氣3 168 m3，能耗共10.31 tce，實際工序能耗0.90 kgce/t，節能率高達97%以上，噸鋼能源成本僅為1.9元/t，年經濟效益可達1 200余萬元。

5 結語

隨著資源環境壓力的日益增大，節能環保水平已成為鋼鐵企業體現其競爭力的重要組成部分。國家將充分利用節能環保標準促進鋼鐵業過剩、落后產能的退出。因此，節能環保水平將成為鋼鐵企業最主要的生命線。面對越來越大的節能減排和環保壓力，企業如何踐行環境經營理念，以盡可能低的能源成本和全新的商業模式支撐企業可持續發展成為一大課題。

寶鋼特鋼以合同能源管理模式實施機械真空節能改造，取得了良好的節能效果，有效降低了能源使用成本，提高了產品競爭力，也用實踐證明機械真空技術節能降本優勢明顯，是一項革命性的節能新技術，且在技術新能上隨著機械泵大型化及變頻技術的發展應用，可實現真空度精確控制，設備維護量小，可隨時啟停，特別是在鋼水脫氫方面明顯優于蒸汽噴射泵。

[1] 雷貴民，郝宏偉．VD/VOD 爐用的新型機械真空泵系統[J]．工業加熱，2013,(05)．

[2] 馬立華，胡兵．機械真空泵裝置在RH精煉中的應用實踐[J]．重鋼技術，2014,(04)．

INFORMATION AND DYNAMIC

節能信息與動態

加拿大研發成功高能量長壽命的石墨烯硅基鋰電池

近日，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授的科研團隊協同加拿大滑鐵盧大學科技公司成功開發一種石墨烯硅基鋰離子電池技術，這項技術采用55%以上的硅材料作為負極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過簡單高溫處理，實現電極微觀結構的構筑成型，其內部各材料間的相互協同效應解決了硅材料的體積膨脹、電導率低等問題，所測試的電化學性能與目前商業化電池相比，比容量提高了6～7倍，循環壽命達到2200次以上。 （電池網）

Mechanical Vacuum Technology Application in BaoSteel Special-Steel VD Boiler

Zhang Hui
BaoSteel Special-Steel Co.,Ltd Energy Environment Protection Department

Mechanical vacuum technology is easy for everyone and the first choice of large scale vacuum degassing system due to its precise control, reliable operation, energy saving and environmental protection. The article introduces aoSteel Special-Steel uses energy management contract mode to implement mechanical vacuum energy conservation renovation, which replaces original steam jet pump with mechanical vacuum pump. It puts forward application case and effect.

VD Boiler, Mechanical Vacuum Pump, Steam Jet Pump

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.010

節能工程與經濟 Energy Conservation Engineering and Economic