鋼鐵企業(yè)富余煤氣綜合高效利用的探討

陳曉衛(wèi)

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)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(yīng)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(xiàng)目的設(shè)計實(shí)踐，闡述設(shè)計思路及主要系統(tǒng)配置。

1 項(xiàng)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(jī)，配套建設(shè)2 臺600 m2環(huán)冷機(jī)雙壓余熱鍋爐，利用環(huán)冷機(jī)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(jìn)入1臺30 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。因燒結(jié)工藝設(shè)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(fù)荷運(yùn)行時，余熱發(fā)電機(jī)組輸出功率較低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于8.5 MW 時，受汽輪機(jī)設(shè)備的運(yùn)行約束條件，余熱鍋爐產(chǎn)生的低參數(shù)蒸汽無法進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組，造成低參數(shù)蒸汽排空放散。

（2）發(fā)電機(jī)組頻繁啟停

當(dāng)一臺燒結(jié)機(jī)停爐或低負(fù)荷運(yùn)行時，另一臺燒結(jié)機(jī)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(fù)荷運(yùn)行，燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組因蒸汽供應(yīng)不足導(dǎo)致解列停機(jī)。

燒結(jié)系統(tǒng)檢修結(jié)束后恢復(fù)生產(chǎn)用時較短，但汽輪發(fā)電機(jī)組從解列到重啟的時間較長，期間循環(huán)水、油系統(tǒng)設(shè)備需正常維持運(yùn)行，造成自用電率上升，燒結(jié)機(jī)啟動后至發(fā)電機(jī)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(fèi)。

（3）發(fā)電設(shè)備出力不足

根據(jù)運(yùn)行實(shí)績，余熱發(fā)電汽輪機(jī)組短時發(fā)電達(dá)到29 MW，平均發(fā)電功率18.98 MW，為裝機(jī)容量的63.27%設(shè)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(bǔ)充管網(wǎng)，將該區(qū)域蒸汽的溫度提高到200 ℃。CDQ 機(jī)組抽蒸汽送管網(wǎng)后，機(jī)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(fèi)能源，也不利于環(huán)境保護(hù)。

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(jī)主蒸汽設(shè)計量為130 t/h，設(shè)計壓力1.6 MPa，溫度350 ℃；補(bǔ)汽流量40 t/h，設(shè)計壓力0.4 MPa，溫度170 ℃，額定功率為30 MW。保持汽輪機(jī)不停機(jī)的負(fù)荷率在30%以上，對應(yīng)汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽量約39 t/h。所以本項(xiàng)目新建煤氣鍋爐的額定蒸發(fā)量設(shè)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(jī)，同時通過補(bǔ)汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，也提高了燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組的設(shè)備發(fā)電能力。

根據(jù)熱力計算，新建煤氣鍋爐額定負(fù)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(jī)組在0～8.5 MW 工況下及臨時停機(jī)時，新建煤氣鍋爐所產(chǎn)蒸汽40 t/h 全部進(jìn)入汽輪機(jī)，保證不停機(jī)；在8.5～26 MW 負(fù)荷狀態(tài)下，新建煤氣鍋爐蒸汽20 t/h 進(jìn)入燒結(jié)余熱汽輪機(jī)提高發(fā)電量。20 t/h進(jìn)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(jī)組自身滿負(fù)荷工況時，新建煤氣鍋爐50%負(fù)荷運(yùn)行，只產(chǎn)生20 t/h的蒸汽量，全部進(jìn)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(jìn)風(fēng)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(biāo)準(zhǔn):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(gòu)，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(shè)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(shè)置噴水減溫器。尾部煙道中布置兩級省煤器和兩級空氣預(yù)熱器。

鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)，按7°（或7°以下）地震烈度設(shè)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(yù)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(fù)雜易漏的密封結(jié)構(gòu)，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。空氣預(yù)熱器布置在省煤器后，采用立式、內(nèi)搪瓷管結(jié)構(gòu)。鍋爐以平衡通風(fēng)方式運(yùn)行。給水通過省煤器后進(jìn)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(dǎo)入鍋筒中進(jìn)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(shè)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(biāo)分別為SOX≤50 mg/m3、NOX≤150 mg/m3。因此要建設(shè)煙氣脫硫設(shè)施，達(dá)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(fēng)機(jī)→煙囪。

3 生產(chǎn)運(yùn)行情況

煤氣鍋爐投入運(yùn)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(yùn)后燒結(jié)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況。

表1 各種運(yùn)行工況組合

新建鍋爐持續(xù)運(yùn)行期間，30 t/h 左右的蒸汽量補(bǔ)入了汽輪機(jī)發(fā)電，提高了汽輪機(jī)的發(fā)電量。其余約10 t/h 蒸汽通過減溫減壓補(bǔ)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(dá)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(fù)荷或臨時停機(jī)時，將40 t/h 蒸汽全部進(jìn)入燒結(jié)汽輪機(jī)，保證汽輪機(jī)不停機(jī)，減少了汽輪機(jī)的頻繁啟停機(jī)，增加了汽機(jī)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(jī)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。