煉鋼蒸汽自過熱技術

王 宇，劉 江

(北京中冶設備研究設計總院有限公司，北京100029)

鋼鐵產業作為我國能耗大戶，其耗能量約占全國總能耗的15%，其中余熱資源約占37%[1]。目前，國內鋼鐵行業高溫、中溫余熱資源利用率高達44%、30%，而低溫余熱資源利用率僅為0.6%[2]。因此，大力推動鋼鐵行業低溫余熱資源回收利用技術的發展具有重要意義。

在轉爐煉鋼過程中會產生高溫煤氣，為達到除塵器運行條件，高溫煤氣會經冷卻水冷卻到適合溫度，冷卻水受熱將汽化成低壓飽和蒸汽。據統計，轉爐噸鋼產汽量為70~100 kg。《我國電爐煉鋼發展趨勢》表明，2017年我國轉爐鋼產量為73 798萬t，且轉爐煉鋼在今后相當長的時間里，仍是我國主要的煉鋼方法。轉爐蒸汽溫度一般在200~250℃，轉爐蒸汽余熱回收具有很大的節能潛力與經濟價值。但由于轉爐蒸汽為低壓飽和蒸汽，濕度較大，易冷凝，現有的轉爐蒸汽余熱利用系統存在發電效率低、機組汽蝕嚴重等問題，因此轉爐蒸汽余熱利用系統需要一種加熱轉爐蒸汽成微過熱蒸汽的自過熱器裝置。

1 煉鋼蒸汽余熱回收技術

現有的煉鋼蒸汽余熱回收利用系統包含轉爐汽包、蒸汽蓄熱器、汽輪機組等，轉爐汽包產生低壓飽和蒸汽，經由蒸汽蓄熱器進行儲存，蒸汽蓄熱器持續輸出低壓飽和蒸汽供給汽輪機組進行余熱發電。轉爐蒸汽具有波動性與間歇性，經過蒸汽蓄熱器存儲，可以穩定輸出1~1.6 MPa的低壓飽和蒸汽，防止蒸汽波動對蒸汽管網與汽輪機組造成沖擊。

目前，國內已經有多家煉鋼廠采用了上述低壓飽和蒸汽余熱回收系統。濟鋼第一煉鋼廠4×45 t轉爐蒸汽余熱發電系統是國內首例利用轉爐煙道汽化冷卻蒸汽進行發電的節能減排項目，2010年前11個月蒸汽發電量達到9.81 kWh/t.G[3]。唐山東海特鋼3×120 t轉爐可產生約36 t/h低壓飽和蒸汽，采用低壓飽和蒸汽余熱發電技術，年發電量為4 872萬kWh。

現有的煉鋼蒸汽余熱回收系統，雖然可以解決轉爐蒸汽波動性的問題，但轉爐蒸汽從蒸汽蓄熱器輸出到汽輪機組這一過程中會存在散熱損失與阻力損失，轉爐蒸汽冷凝成的疏水經汽輪機組前的汽水分離器被分離掉，且進入汽輪機組的飽和蒸汽濕度大，因此利用現有飽和蒸汽汽輪機組進行發電，會存在發電效率低、機組汽蝕嚴重、設備易損壞等問題。而加裝有自過熱器的煉鋼蒸汽余熱回收系統，即在蒸汽蓄熱器與汽輪機組之間安裝自過熱器裝置，充分利用轉爐蒸汽的熱能對蒸汽蓄熱器輸出的飽和蒸汽進行加熱，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，可有效提高蒸汽利用率以及系統的使用壽命。

2 煉鋼蒸汽自過熱技術簡介

煉鋼蒸汽自過熱技術是利用高溫段轉爐蒸汽加熱蒸汽蓄熱器出口端低壓飽和蒸汽，充分利用轉爐蒸汽余熱的技術。將自過熱裝置放置在蒸汽蓄熱器與汽輪機組之間，轉爐蒸汽從轉爐汽包中流出后直接進入自過熱器熱源入口端，在自過熱裝置中進行放熱后流進蒸汽蓄熱器中進行儲存，自過熱器里存儲有中溫蓄熱材質，如導熱油、硝酸熔鹽等，可將這部分熱量儲存起來，待從蒸汽蓄熱器出口端流出的低壓飽和蒸汽進入到自過熱裝置時，蓄熱材質將這部分熱量釋放給冷源流體，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，微過熱蒸汽從自過熱器冷源出口端流出后進入汽輪機中進行做功，做功后的蒸汽在凝汽器中被來自冷卻塔的循環水冷卻成凝結水，后經轉爐給水泵加壓打進轉爐冷卻系統中與轉爐煙氣進行熱交換，生成轉爐蒸汽。工藝流程見圖1。

圖1 煉鋼蒸汽自過熱系統工藝流程圖

煉鋼蒸汽自過熱技術可提高轉爐蒸汽的利用率，將蒸汽蓄熱器輸出的低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，避免蒸汽因能量損失生成的疏水被分離，且能減弱汽輪機組汽蝕，提高設備及系統的使用壽命，推動冶金事業節能發展。

3 自過熱裝置簡介

目前，常見的大中型轉爐，其煉鋼周期一般為30 min，吹氧過程一般占據12~15 min，在一個周期內轉爐蒸汽的最大壓力為4 MPa，最小壓力為2 MPa，蒸汽蓄熱器輸出的低壓飽和蒸汽壓力一般為1.6 MPa。自過熱裝置可利用高溫段轉爐蒸汽對低壓飽和蒸汽進行加熱。由于轉爐蒸汽具有波動性與間歇性，因此需要用蓄熱材料對高溫段蒸汽熱量進行存儲，使得自過熱裝置在熱蒸汽停止供應時依然能夠對低壓飽和蒸汽進行加熱。但因為自過熱裝置采用蓄熱材質以及裝置內冷熱源流體為蒸汽，所以該裝置仍具有幾個問題需要解決。

常用的中高溫蓄熱材料為導熱油和熔鹽類材料。熔鹽類材料一般為硝酸熔鹽、碳酸熔鹽等，造價偏高，受熱易分解，相對導熱油來講，導熱系數較大，傳熱效果更好。導熱油比熱容較大，儲存或釋放同樣的熱量，相對熔鹽材料的溫度變化小且造價便宜，但導熱油導熱系數小，熱阻相對較大，會對加熱冷源流體造成阻礙。

自過熱裝置進口端冷熱流體均為蒸汽，蒸汽在管道內的流速較大，為保證冷熱蒸汽在自過熱器內有足夠的換熱時間，就需要增長冷熱流體管道長度。

本文對自過熱裝置進行了初步設計。對于導熱油導熱能力不足的問題，可通過以下3種解決辦法。

1）將導熱油與砂礫進行混合，該混合物的蓄熱效率能夠提高18.5個百分點[4]。

2）在自過熱裝置外設置油泵，油泵啟動，可將自過熱裝置內部儲存的導熱油形成油循環，使原本的導熱變為對流換熱。

3）在自過熱裝置內部加裝肋片且將冷熱管道設計成盤管結構，延長冷熱流體的換熱時間，確保低溫蒸汽能夠得到有效溫升。可將冷熱流體盤管分成多束，在冷熱流體管道總橫截面積一定的情況下，管束越多，冷熱流體的受熱面積越大。圖2為自過熱裝置結構示意圖。

圖2 自過熱裝置結構示意圖

4 結語

煉鋼蒸汽自過熱技術能夠有效利用轉爐蒸汽顯熱，將低壓飽和蒸汽加熱成微過熱蒸汽，提高蒸汽品質，不僅有效地提高汽輪機組的發電效率，創造了經濟效益，而且減輕機組汽蝕，提高了汽輪機組及系統的使用壽命，推動冶金事業節能發展。