轉爐余熱蒸汽蓄熱系統的技術改造研究

蔡志春

前言

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠共有7 座轉爐，其中 1、2、3、6、7 號為煉鋼轉爐，4、5 號為提釩轉爐；煉鋼和提釩時會產生大量的余熱蒸汽。目前，在日均產量15000 t鋼情況下，7座轉爐余熱鍋爐平均產氣量約為70 t/h，除本廠自用約10 t/h，輸送至能動中心管網約45 t/h外，其余蒸汽受現有蒸汽蓄熱系統能力不足、汽包出口管徑偏小等問題影響，造成約15 t/h蒸汽被迫進行了放散。根據攀鋼釩公司2010～2015年發展規劃，煉鋼系統規劃產能將達到600萬t/a，隨著煉鋼產量的增加，余熱蒸汽的放散量將進一步增大，不僅造成余熱資源的極大浪費，而且產生噪音污染。

1　余熱蒸汽系統現狀

提釩煉鋼廠在煉鋼和提釩時會有大量的高溫煙氣產生，每座轉爐均設置有汽化冷卻煙道，以便回收高溫煙氣的余熱。故轉爐在煉鋼和提釩時，所產生的高溫煙氣通過汽化冷卻煙道[1]，生產出大量的余熱蒸汽。各轉爐相關參數見表1。

表1　各轉爐相關參數表

目前，轉爐的汽化冷卻煙道均降壓運行。汽化冷卻煙道的設計運行壓力為2.55 MPa，據現場調查，其實際運行壓力為1.55 MPa。蓄熱器的設計壓力2.55 MPa，實際運行壓力為1.55 MPa。

在日均產量15000 t鋼情況下，7座轉爐余熱鍋爐平均產氣量約為70 t/h（按噸鋼產蒸汽90 kg計算，5座煉鋼轉爐產汽量約56.5 t/h；2座提釩轉爐產汽量約為13.5 t/h），除本廠自用（主要是生活用汽，溴化鋰制冷用汽、連鑄保護渣烘烤用汽等）約10 t/h，輸送至能動中心管網約45 t/h外，1～5號轉爐所產蒸汽受現有蓄熱能力不足、汽包出口管徑偏小等問題影響，造成約15 t/h蒸汽被迫進行了放散。6、7號轉爐蒸汽全部回收。

2　低壓蒸汽現狀

攀鋼釩公司低壓蒸汽生產單位為能源動力中心、煉鋼廠和煉鐵廠。

能源動力中心低壓蒸汽生產設備主要為三臺CC12-3.43/0.98/0.112型調整抽汽發電機組，其調整抽汽壓力為0.7～1.2 MPa，為確保機組安全運行，抽汽壓力控制在0.8 MPa以下。每臺發電機額定抽汽量為50 t/h，最大抽汽量80 t/h，目前根據各低壓蒸汽用戶需求，總抽汽量為70 t/h左右；鼓風站設置有一臺50 t/h蒸汽減溫減壓器，熱電站設置有一臺65 t/h蒸汽減溫減壓器，目前均為備用狀態。能動中心生產的低壓蒸汽參數為：壓力為0.55～0.8 MPa，溫度為300～320℃。能動中心生產的低壓蒸汽除本廠自用外，其余通過管網送其他用戶使用。

煉鋼轉爐余熱產生低壓蒸汽約70 t/h，壓力為0.6～1.5 MPa，溫度為165～200℃。煉鋼廠生產的低壓蒸汽壓力波動較大[2]，且現有蓄熱器能力不足、汽包出口管徑偏小，造成汽包安全閥放散量約15 t/h，煉鋼廠自用約10 t/h，另外45 t/h并入能動中心主管網送其他用戶使用。

煉鐵廠6#燒結機、新1#燒結機環冷機余熱產生蒸汽約12 t/h，其參數為：壓力為0.5～0.8 MPa，溫度為180～190℃。其中6#燒結機產生的余熱蒸汽約3～5 t/h，并從能動中心主管網補充1.5 t/h低壓蒸汽供其主電除塵器、混合室等用汽點使用；新1#燒結機產生的余熱蒸汽約7～8 t/h（設計為13～15 t/h），并從能動中心主管網補充10 t/h中壓蒸汽經減溫減壓后供其主電除塵器、混合室等用汽點使用。煉鐵廠新二燒余熱鍋爐于2011年7月投產，煉鐵廠新二燒余熱鍋爐設計負荷為52 t/h，其參數為：壓力為0.5～0.7 MPa，溫度為290～310 ℃。

目前整個弄弄坪廠區低壓蒸汽供大于求，煉鋼廠余熱蒸汽存在放散現象。根據攀鋼釩公司2010～2015年發展規劃，煉鋼系統規劃產能將達到600萬t/a，隨著煉鋼產量的增加，余熱蒸汽產量隨之增加。若不對煉鋼轉爐余熱蒸汽回收系統進行改造，將會有更多的余熱蒸汽被放散。

3　余熱蒸汽系統技術改造研究

3.1　技術改造方案的確定

根據煉鋼廠現場余熱回收情況及分析研究，1～5號轉爐余熱蒸汽系統需進行改造；6、7號轉爐余熱蒸汽系統運行良好，不作改造。

1～3號轉爐余熱鍋爐單臺最大流量約為47 t/h（吹氧期間產汽量），4、5號轉爐余熱鍋爐單臺最大流量約為32.5 t/h（吹氧期間產汽量）。1～5號轉爐汽包出口管徑均為DN200，在壓力損失為0.1 MPa的情況下，輸送量為25 t/h，不能滿足最大量輸送需求，需將汽包出口管道擴大，同時由于現有蓄熱器蓄熱能力不足，需對蓄熱器進行擴能改造。

3.2　技術改造的內容

3.2.11～5號轉爐余熱蒸汽系統技術改造

(1)在轉爐吹氧期間，轉爐余熱蒸汽產量大，根據轉爐的生產工藝和蒸汽生產的特點，采用蒸汽蓄熱器削減輸出蒸汽的波峰谷，平衡轉爐吹氧期和非吹氧期輸入管網蒸汽量的大小，使轉爐余熱蒸汽能以穩定的壓力送出。通過蓄熱器調節后的蒸汽接入廠區管網。

在轉爐吹氧期間，轉爐余熱蒸汽產量大，蒸汽環網壓力升高，多余蒸汽進入蓄熱器，蓄熱器內壓力和水位升高；在轉爐非吹氧期間，轉爐余熱蒸汽產量小，蒸汽環網壓力降低，蓄熱器放出蒸汽，蓄熱器內壓力和水位降低。蓄熱器設水位檢測裝置，高水位時放水至正常水位，低水位時補水至正常水位，軟化補水由余熱鍋爐給水主管引入。蓄熱器高水位放水主要作為控制蓄熱器充水系數，其放水量根據計算不到0.2 t/h；根據實際運用經驗，實際放水量比計算值小。同時考慮到其回收難度大，故不做回收處理。

(2)蓄熱器的選型研究[3]

①蓄熱量的確定

轉爐的余熱蒸汽產量按轉爐年產600萬t鋼的原則進行考慮，蓄熱器的蓄熱量為1～5號轉爐余熱蒸汽富余量。當年產600萬t鋼時，5座煉鋼轉爐余熱蒸汽產量總產量為：600÷365÷24×90×10000=61644 kg/h≈61.6 t/h；此時兩座提釩轉爐余熱蒸汽產量為14.7 t/h；1～7號轉爐總產量為76.3 t/h。

根據轉爐生產工藝情況，在轉爐吹氧期間產生大量的蒸汽，此時蒸汽生產量大于使用量，富余蒸汽量需由蓄熱器暫時進行存儲。蓄熱器最大蓄熱量即為轉爐吹氧期蒸汽生產量與使用量之間的差值。因現在煉鋼廠6、7號轉爐余熱蒸汽已全部回收，所以本工程蓄熱器只考慮1～5號轉爐余熱蒸汽的回收。

按年產600萬t鋼計算蓄熱器最大蓄熱量。煉鋼轉爐共5臺，平均每小時出鋼量為685 t鋼，每小時需生產5.7爐鋼。根據生產情況1～5號轉爐按最大按4座轉爐同時吹氧考慮，此時蒸汽最大產量將會是1～3號轉爐同時吹氧，同時4、5號轉爐有一座轉爐吹氧，同時吹氧時間按10 min計算。1～5轉爐余熱蒸汽輸出平均為51.7 t/h，由此計算蓄熱量為：Q=（3×47×10/60+32.5×5/60）-（51.7×10/60）=17.6 t。

在蓄熱器容積一定的情況下，蓄熱器的充汽壓力越高，其蓄熱量越大。

目前，1～5號轉爐汽包設計壓力為2.55 MPa，實際運行壓力為1.55 MPa（汽包安全閥的放散壓力為1.55 MPa），廠區低壓蒸汽壓力為0.55～0.8 MPa。本次研究確定蓄熱器的最高放熱壓力為0.8 MPa，在此參數下的蓄熱器容積見表2。

表2　蓄熱器容積表

根據表2數據，蓄熱器的蓄熱量在一定數值的情況下，其充熱壓力高、放熱壓力小，蓄熱器容積就越小。根據國內轉爐余熱鍋爐運行壓力現狀，蒸汽壓力最高在1.8 MPa左右，再高將會影響轉爐生產。現煉鋼廠轉爐余熱鍋爐現按1.55 MPa運行，若將轉爐余熱蒸汽升壓運行，現有設備可能出現問題，為保證其安全運行，轉爐余熱鍋爐仍按照現有運行方式運行。考慮到余熱鍋爐汽包離蓄熱站較遠，途中蒸汽壓力損失約0.1 MPa，此時蓄熱器充熱壓力約為1.4 MPa。綜合考慮，蓄熱器總容積按450 m3設計。

1～5號轉爐現有4臺42 m3蓄熱器，在該容積下，蓄熱器的蒸汽含水量大，降低了蒸汽品質。在將蓄熱器集中布置后，其各蓄熱器進出口管道將變大，但壓力容器不允許重新開口，現有蓄熱器不能滿足要求。如果將4臺蓄熱器搬遷至新建蓄熱站，則蓄熱站占地面積將增大，同時需增加調節閥。綜合考慮，為減少用地及方便管理，原蓄熱器不再利舊。

新建蓄熱器總容積按450 m3設計，根據蓄熱器常用容積，研究決定選擇3臺150 m3臥式蓄熱器并聯工作。蓄熱器外部需進行保溫，保溫采用硅酸鹽保溫材料；保溫外護層采用鍍鋅鐵皮，厚度0.6 mm。

蓄熱器參數：

PN=2.5 MPa，V=150 m3/臺，DN3800，L≤15 m，重量約50 t/臺。

③設備布置

3臺150 m3臥式蓄熱器并排布置在蓄熱間內，蓄熱站廠房為L型，一部分長為18 m，寬12 m，另一部分長為17 m，寬6 m，高均為7.5 m；儀表控制室尺寸為6×4.5m，凈高4.5 m。在蓄熱間3.5 m高處設鋼結構操作平臺。

④蓄熱器的連接方式

3臺蒸汽蓄熱器采用并聯方式連接，回收1～5號轉爐的余熱蒸汽，并在余熱蒸汽進入蓄熱器前，設置蓄熱器旁通減壓閥組來控制蒸汽的儲量和進入蒸汽管網的流量，也可在蓄熱器故障時為管網提供一定量的余熱蒸汽。

(3)為滿足蓄熱器入口壓力至少為1.4 MPa，需將轉爐余熱蒸汽管道進行改造。經核算，1～3號轉爐汽包出口管徑需更換為DN300，4、5號轉爐汽包出口管徑需更換為DN250。同時新建一條蒸汽主管至新建蓄熱站，1～5號轉爐余熱蒸汽均由該管道送至蓄熱站。

新建主管最大流量按141 t/h考慮，蓄熱器入口壓力至少為1.4 MPa，汽包壓力為1.5 MPa時，管道壓力損失為0.1 MPa。經核算，為滿足蒸汽流量及壓力損失要求，新建蒸汽管道的管徑為DN500。在更換汽包至新建蒸汽主管時，需將新建管道敷設完成后，在轉爐停爐情況下分別進行碰點接管。

3.2.2蒸汽供應

煉鋼廠大部分低壓蒸汽用戶由1～5號轉爐余熱蒸汽供應，在新建蓄熱站后其供汽接點將發生變化。從1～3號轉爐新建蒸汽主管上接支管DN300，在老轉爐車間22.5 m平臺處與現有蓄熱器出口主管相接，原有蓄熱器進出口管道等均斷開，采用堵板封口。從4～5號轉爐新建蒸汽主管上接支管DN200，在提釩轉爐車間34 m平臺處與現有蓄熱器出口主管相接，原有蓄熱器進出口管道等均斷開，采用堵板封口。現有其他低壓蒸汽管道均維持現狀不變。

3.2.3經過技術改造后，煉鋼廠的余熱蒸汽回收量見表3。

表3　煉鋼余熱蒸汽回收量

通過新建蓄熱站后，煉鋼余熱蒸汽能全部進行回收利用。多回收的蒸汽進入能動中心低壓蒸汽管網，能動中心發電機抽汽量相應減少，以維持平衡。

3.2.4管道布置

新建管道在車間內沿廠房柱架空敷設，出車間后沿現有管道通廊架空敷設至新建蓄熱站。管道局部地方設獨立支架及桁架敷設。所有管道利用自然彎轉及安裝π型補償器進行熱補償，滿足柔性設計要求。蒸汽管道局部低點設置疏水排放裝置，疏水采用連續疏水和啟動疏水同時設置的方式排放。管道接點及各用戶點處設有控制閥。所有管道全部都要保溫，保溫采用硅酸鹽保溫材料[4]；保溫外護層采用鍍鋅鐵皮，厚度0.6 mm。

4　經濟效益

本項目總投資為1199.51萬元，新增勞動定員8人，增加人工工資36萬元。

項目投產后，煉鋼轉爐余熱蒸汽每小時多回收低壓蒸汽15 t，回收的蒸汽補充至低壓蒸汽管網，能動中心減少蒸汽產量15 t/h，從而降低標準動力煤消耗。減少標準動力煤消耗量為：Q=640×15÷7000×8760÷0.85=14134 t，即減少動力煤消耗費用為：14134t×527元/t=744.9萬元。

項目投產后，年增加電費5.89萬元，年折舊額為95.96萬元（綜合折舊率按8%計算，計算期15年，殘值率3%），年修理費為35.99萬元（修理費按固定資產投資的3%計取）。年成本費用合計為173.84萬元。

項目年利潤總額為：744.9萬元-173.84萬元=571.06萬元。投資利潤率為47.6%。投資回收期1199.51/571.06+1=3.1年。

5　結論

本次技術改造實施后具有良好的經濟效益，且同時解決了能源浪費和環境污染等問題，符合國家“發展循環經濟、節能減排”的政策。

[參 考 文 獻]

[1]崔敏．煉鋼轉爐汽化冷卻煙道熱力性能模擬與計算[D].浙江：浙江大學，2012．

[2]彭寶翠．煉鋼余熱蒸汽利用方案探討[J]．冶金能源，2005：1．

[3]航天工業部第七設計研究院．工業鍋爐房設計手冊（第二版）[M]．北京：中國建筑工業出版社，1986：744-768．

[4]李鴻發.設備及管道的保冷與保溫[M].北京：化學工業出版社，2002.6.