提高300 t轉爐余熱蒸汽綜合利用效益

尹天平

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

轉爐是目前國內外鋼廠煉鋼的主要手段，在鋼鐵生產中占著絕對的比重。隨著我國鋼企面臨能源和環保雙重壓力的不斷加劇，轉爐余熱蒸汽回收和綜合再利用的技術也得到了大力的發展和應用。它可以提高企業的節能降耗、降本增效和環境保護的能力，也是實現轉爐負能煉鋼的有效途徑。但據調查，目前國內鋼鐵企業對余熱蒸汽還普遍存在回收低效、利用率不高的情況。因回收的余熱焓值低，造成實際能源回收率低；甚至出現沒有合適的用戶，所回收的蒸汽又被大量放散，造成能源浪費。

馬鋼“十一五”新建三座300 t轉爐和配套的兩座RH精煉爐建成投產后，應國家環保節能政策以及企業可持續發展的要求，于2007年9月和2010年10月分別實施了，轉爐蒸汽直供RH真空噴射泵使用和氧槍孔密封改造，并成功地投入使用，對大型鋼廠進一步提高轉爐蒸汽綜合利用效益具有很好的借鑒意義。

1 轉爐余熱系統

2007及2012年馬鋼四鋼軋經兩期工程總建成三座300 t轉爐，配套日本最新一代OG技術和裝備，以及引進了VAI兩座平移雙工位RH真空精煉爐。

轉爐OG汽化系統，如圖1所示。其主要由除氧器、汽包、泵組和閥門組成。除氧器是整個汽化系統用水的源頭，其水為脫鹽水站。除氧器水位由氣動調節閥自動控制補水；同時通入蒸汽加熱完成除氧。除氧器容器內存儲的水有兩個用處：一是供低壓循環系統，冷卻裙罩和夾套；二是為汽包供水，通過汽包給水泵和補水閥組給汽包供水。

汽包給水泵通過管路閥門將除氧器中的脫鹽水送至汽包，再由高壓循環泵加壓供給各段煙道，然后與流經冷卻煙道的高溫煙氣發生熱量置換。各段冷卻煙道內的冷卻水吸收大量的熱量后，形成水汽混合物。由于水蒸氣相對于水的密度較小，于是在重力的作用下，蒸汽在蒸發管內上升，通過汽化上升管進入汽包，經水汽分離和調壓閥調整壓力后送至蓄熱器、RH、蒸汽管網、除氧器加熱以及氧槍孔密封等各處。

圖1 轉爐汽化系統示意圖

其中，P1為汽包壓力調節閥，P2為轉爐送RH蒸汽壓力調節閥，P3為轉爐送公司管網蒸汽壓力調節閥，P4為OG除氧器加熱和氧槍孔密封用蒸汽壓力調節閥，P0為RH真空主調節閥，P5為管網壓力。

2 轉爐供RH蒸汽系統

RH真空處理的主要任務是脫氣,并通過鋼水循環使得非金屬夾雜物上浮、均勻鋼水成分和溫度,同時通過加料系統使其具有脫氧、脫碳、脫硫和脫磷功能，同時具有合金微調和溫度調整的功能[1]。

真空泵系統是RH的核心部分，設計為三級增壓五級全蒸汽噴射泵真空泵。E1、E2和E3增壓泵依次串聯于冷凝器C1。C1、C2和C3冷凝器之間分別安裝有E4/E4a和E5/5a平行泵，為了生成高度真空經濟運行，當E3-E1依次打開時，平行噴射泵E4a和E5a將關閉，其工作模式見表1。

表1 蒸汽噴射泵系統的常用工作模式

煉鋼廠轉爐蒸汽供應RH精煉爐真空處理一般有兩種方式。一種是大型轉爐，管網蒸汽經過蓄熱器緩沖供RH使用。由于RH蒸汽需求量很大，對蒸汽管網的耐壓能力和管容要求高。因此，所需設備投資大和維護費用高。另外一種就是小型轉爐，因汽化系統運行壓力低蒸汽含水量大，不宜直接供RH使用，必須加熱處理后才能使用[2]，該方法的缺點是設備投入大、運行成本也高。

而馬鋼四鋼軋煉鋼汽化系統經汽包壓力調節閥，可以將運行壓力調整至3.0 MPa，生成中壓飽和蒸汽，經P2減壓形成過熱蒸汽，實現了轉爐余熱蒸汽直供RH真空系統的噴射泵使用。為了滿足RH真空處理蒸汽供應持續穩定的高要求，在供汽安保和壓力控制兩方面對系統進行了改進。

2.1 RH供汽安保

為防止轉爐停爐檢修，或事故等因素造成蒸汽供應中斷的發生，在轉爐供RH蒸汽管路的基礎上，系統又增設了一路公司蒸汽管網汽源。這樣系統便構成了轉爐和管網兩路并聯運行汽的源，而且可依據兩路汽源壓力的大小實現自動進汽匹配和無干擾切換。若P2調壓閥的閥后壓力小于管網p5值，即P2＜P5，則RH真空蒸汽主要由管網提供；若P2=P5，則RH用汽量各占一半；若P2＞P5，則由轉爐提供蒸汽。

轉爐供RH壓力調閥P1設定值為1.3 MPa時，以2018年4月份為例，24 h為單位統計，將3座轉爐的蒸汽回收量（單位：kg/t鋼）、平均回收量以及RH內網蒸汽使用比例繪制成折線，如圖2轉爐余熱蒸汽回收及使用統計所示。轉爐蒸汽發生為98.7 kg/t鋼，RH使用轉爐余熱蒸汽比列達97.9%。

除直供RH外，轉爐多余的余熱蒸汽送至5套149 m3蓄熱器存儲，待轉爐生產間隙再持續釋放出來，供RH使用。這樣就為間隙性生產的轉爐實現了持續向RH供汽提供了保障。

因此，本文采取蓄熱續汽和氣源并行的方式，構建了RH真空蒸汽安保系統。

2.2 汽源壓力控制

實際生產中，轉爐汽源的壓力波動以及RH真空起始階躍抽氣，對系統壓力精度控制影響巨大，采用常規PID控制很難保證供汽品質。結合了模糊控制和常規PID兩者的優點，轉爐供RH蒸汽壓力調閥P1采用了模糊PID控制，比列、積分和微分三控制參數具有一定的在線整定功能[3]，從而提高了壓力控制品質，減小了系統的超調量和誤差，縮短了上升時間和調節時間，如圖3所示。其中白色直線為壓力設定值1.3 MPa，白色曲線為壓力過程值，藍線為RH蒸汽用量。

圖3 P1模糊PID控制

在轉爐送RH蒸汽壓力調節閥P2目標壓力設定為1.3 MPa的條件下，分別采集改進前后連續110爐數據統計分析，控制算法改進前閥后實際壓力波動范圍為1.05～1.55 MPa，平均誤差為19.23%；而改進后，現實際壓力波動范圍為1.210～1.397 MPa，平均誤差為4.07%，取得了顯著的控制效果。

該項目改造投入少，通過轉爐余熱蒸汽供RH這種子網自給自足的模式，可減輕公司蒸汽管網運行壓力，提高能源利用效率，降低鋼廠生產成本。以2018年4月生產數據統計：RH平均處理時間為1496 s/爐，即0.4155 h/爐，平均消耗蒸汽流量44 t/h，平均用汽18.282 t/爐，平均用汽量0.06 t/t鋼，管網與轉爐蒸汽成本差價6元/t，RH產量是35.6萬t，當月因RH直接使用轉爐蒸汽的成本就節省了12.816萬元人民幣，一年可節省150萬元以上。另外，還減少了轉爐蒸汽的放散。與國內其他鋼廠利用蓄熱器使用轉爐蒸汽技術相比，該優點是：該技術不受蓄熱器壓力波動的限制和減少低壓蒸汽加熱裝置的投資。

目前，該裝置已在我們馬鋼三座300 t轉爐對兩座RH的蒸汽使用上得到應用，在大中型鋼廠具有很好的應用前景，值得大力推廣。

3 轉爐蒸汽供氧槍孔密封

轉爐氧槍套氣封介質原為低壓氮氣，氮氣壓力為0.4～0.6 MPa，每座轉爐氧槍套氣封用氮氣流量為4500 m3/h，氮氣消耗量大，生產成本高，另外，從公司介質系統平衡情況來看，因氮氣消耗量大，而氧氣消耗相對較少，為了滿足氮氣用戶的需求，公司必須多開制氧機組，造成能源浪費，為了降低成本節約能源，2010年決定對轉爐氧槍套氮封進行改造，用轉爐自身產生的蒸汽替代氧槍氮封用的低壓氮氣。

氧槍孔蒸汽封的汽源若直接取自轉爐汽包輸出管路，因壓力差太大必須設置減壓閥組，將汽包輸出壓力3.0 MPa降為0.5 MPa才能滿足其使用要求。為了節約成本，我們將氧槍孔密封汽源設計為除氧器加熱總管調節閥P4的閥后管路，其管徑和閥后壓力等級完全符合用汽要求。經過反復試驗，氧槍套密封效果良好，可有效控制轉爐氧槍口火焰和煙氣的外溢，對減少環境污染和保護相關設備都取得了較好的效果。

采用轉爐自身產生的蒸汽代替低壓氮氣對氧槍套進行密封，該技術在大型轉爐上是首次應用，屬技術創新。其使用效果、蒸汽系統的設計以及蒸汽消耗量指標等的技術水平處于同行業之首，達到國內先進水平。傳統的轉爐氧槍口均采用低壓氮氣密封，消耗氮氣量大，不利于節能降耗，本技術可推廣到所有轉爐，特別是大型轉爐，將會產生可觀的經濟效益。

根據原設計氮封計算每座轉爐氧槍密封用蒸汽量。已知氧槍氮封用氣流量為4500 m3/h，氮氣壓力0.5 MPa，則轉化為工作狀態的氮氣流量為4500/5=900 m3/h，查蒸汽密度表可知0.5 MPa的飽和蒸汽密度為2.5 kg/m3，則所需蒸汽流量為900 m3/h×2.5 kg/m3=2.25 t/h。若轉爐吹煉周期為18 min，每爐可節省1350 m3氮氣，單價0.3元，單爐節省405元，按照2017年796萬t鋼產量計算，年可節約成本約1040萬元。

4 結論

轉爐煉鋼時會產生大量的飽和蒸汽，其中大部分放散，造成非常大的能源浪費。通過在轉爐和RH爐之間設置一套蒸汽轉換裝置，解決了RH爐生產需要過熱蒸汽的問題，使轉爐蒸汽得到了充分利用，在節約生產成本的同時，也滿足了節能減排的要求。馬鋼第四鋼軋總廠的兩座RH精煉爐使用轉爐自產蒸汽達97.9%以上；同時，氧槍孔密封用氮氣已全部由蒸汽取代。通過以上應用有效解決了轉爐蒸汽大量放散能源浪費問題；又提高了蒸汽有效利用率。這對提高公司經濟效益、環境效益、社會效益都有重要意義。