钢铁厂煤气及蒸汽发电技术的应用

祝百东，王艳红

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

1 前言

近年来，国家大力提倡循环经济、绿色经济、低碳经济，号召节能减排。作为用能大户的钢铁企业，节能显得更为重要。不断地提高能源的综合利用效率，降低综合能耗指标，成为钢铁企业可持续发展和提高竞争力的必然趋势。

钢铁企业在正常生产过程中，会产生大量的副产品——煤气和低品质的蒸汽，有些企业将其直接放散，这样既造成浪费又污染了环境。将这部分富裕煤气及蒸汽收集起来用于发电，不仅改善了企业环境，同时产生电能，对企业的电力供应进行有益的补充。

2 钢铁厂煤气及蒸汽富裕量现状

钢铁厂中的的富裕煤气主要是高炉煤气和转炉煤气，一般高炉煤气除供炼铁热风炉、烧结机以及棒、线材轧钢车间加热炉使用外，会有大量富裕。而转炉煤气部分由炼钢系统自用外，如无其他用户，也会有一定的富裕量。一般钢厂会通过煤气放散塔对其进行放散，浪费了大量的煤气能源。

低压蒸汽主要来自转炉、电炉、加热炉汽化冷却及近几年兴起的烧结余热锅炉，这部分蒸汽除少量供公司生产、生活等使用外，大部分常年处于放散状态，造成了能源和资源（水）浪费。

以一个年生产能力140万t的钢铁企业为例，厂区煤气富裕量详见表1；蒸汽富裕量详见表2。

表1 厂区煤气富裕量表

表2 厂区蒸汽富裕量表

3 发电机组方案及系统组成

3.1 装机方案的确定及可行性分析

根据表1可知，厂区富裕大量的煤气，根据煤气量核算，可选择新建一套40 t/h中温中压燃烧煤气锅炉，配套一套9MW中压汽轮发电机组。

根据表2可知，蒸汽来源主要为转炉汽化冷却及烧结余热锅炉。其中转炉汽化冷却蒸汽压力、流量波动大，很难直接利用。而烧结余热锅炉虽然产汽压力稳定，但产汽量较少，单独用于发电不经济。把转炉汽化冷却蒸汽稳压后，将其与烧结余热锅炉蒸汽混合用于发电，可以提高装机容量，降低总投资。根据厂区富裕的蒸汽量和压力，压力0.8 MPa以上蒸汽为38 t/h作为主汽，0.4 MPa蒸汽～4.5 t/h作为补汽，可选择一套6MW饱和蒸汽补汽凝汽式汽轮发电机组。

3.2 主机设备参数

3.2.1 9MW中压汽轮发电机组主机参数

（1）燃气锅炉参数：

台数：1台

锅炉额定出力：40 t/h

过热器出口压力：3.82 MPa

过热器出口温度：450℃

锅炉给水温度：104℃

锅炉排烟温度：≤160℃

锅炉排污率：2%

锅炉设计热效率：≥87%

空气预热器进口温度：20℃

空气预热器出口温度：≤370℃

负荷调节范围：30%～110%

锅炉点火方式：转炉煤气

设计燃料：50%高炉煤气+50%转炉煤气

（2）汽轮机：

台数：1台

型号：N9-3.43型

汽轮机额定功率：9MW

主汽门前蒸汽压力：3.43 MPa(a)

最高：3.62 MPa(a)

最低：3.14 MPa(a)

主汽门前蒸汽温度:435℃

最高：445℃

最低：420℃

额定进汽量：40 t/h

额定排汽压力：0.005 MPa(a)

（3）发电机：

台数：1台

型号：QFW-9-2

额定功率：9MW

额定电压：10.5kV

额定转速：3000 r/min

功率因数：0.8

频率：50 Hz

冷却方式：密闭循环空气系统

励磁方式：无刷励磁

3.2.2 6MW饱和蒸汽补汽凝汽式汽轮发电机组主机参数

（1）汽轮机：

台数：1台

机组型式：饱和蒸汽补汽凝汽式

额定进汽量：38 t/h

主汽门前蒸汽压力：0.8 MPa(a)

主汽门前蒸汽温度:171℃

额定补汽量：0～8 t/h

补汽速关阀前压力：0.4 MPa(a)

补汽温度:145℃

额定排汽压力：～0.007 MPa(a)

（2）发电机：

台数：1台

型号：QF2W-6-2

额定功率：6MW

额定电压：10.5kV

额定转速：3000 r/min

功率因数：0.8

频率：50 Hz

冷却方式：密闭循环空气系统

励磁方式：无刷励磁

3.3 主要热力系统

图1为9MW中压汽轮发电系统流程图，图2为6MW饱和蒸汽发电系统流程图。

图19MW中压汽轮发电系统流程图

图26MW饱和蒸汽发电系统流程图

3.3.1 蒸汽系统

（1）9MW机组蒸汽系统

9MW机组主蒸汽管道采用单元制管道系统，进入9MW汽轮机的主蒸汽由新建的锅炉供给。

（2）6MW机组蒸汽系统

根据炼钢转炉生产作业的特点，其汽化冷却产生的蒸汽流量及压力波动大，且为饱和蒸汽，品位较低，直接用于发电无论对于汽轮机组本体安全性还是生产组织连续运行都产生重要影响。为保证汽轮机用汽的连续性，在进入汽轮机前设有蓄热器。根据蒸汽参数，进入蓄热器的蒸汽参数为～1.3 MPa，蓄热器的出口蒸汽压力为0.8 MPa。转炉汽化冷却产生蒸汽经蓄热器后调节阀送出，与烧结余热锅炉产生的蒸汽合并后，经过蒸汽滤洁器，作为主汽最后进入6MW蒸汽汽轮机中。

烧结余热锅炉产生的0.4 MPa连续的低压饱和蒸汽经过蒸汽滤洁器，作为补汽进入6MW蒸汽汽轮机。

3.3.2 主给水系统

9MW机组主给水系统分设低压给水母管和高压给水母管。高压给水母管采用切换单母管系统，低压给水母管采用单母管系统。

3.3.3 凝结水系统

（1）9MW机组凝结水系统

9MW机组的凝结水由设在汽轮机底部凝结水泵送入除氧、回热系统后进入锅炉循环使用。

（2）6MW机组凝结水系统

6MW饱和蒸汽发电机组的凝结水，由设在汽轮机底部凝结水泵送入软水箱，再由2台软水泵送回转炉汽化冷却系统及烧结余热锅炉的软化水箱，实现凝结水的回收利用。

另外，两套发电机组系统还包含抽真空系统、机组轴封系统、润滑油系统和工业水系统，其中9MW机组还包括除氧系统、回热系统、锅炉排汽、排污系统、加药、取样系统等。

4 饱和蒸汽发电技术难点及解决方案

饱和蒸汽发电系统的汽源不同于煤气发电系统中燃气锅炉产生的压力、流量稳定的过热蒸汽，其蒸汽根据来源的不同，蒸汽品质相差较大。如炼钢转炉汽化冷却系统只在吹炼期产生蒸汽，非吹炼期不产生蒸汽。其蒸气的压力、流量波动非常大，且为饱和蒸汽，湿度大，直接用于发电将导致发电机功率波动大、汽轮机易发生水蚀现象，不利于发电机组安全稳定的运行。因此，饱和蒸汽发电技术的难点是如何保证饱和蒸汽的压力、流量稳定、干度等。

4.1 饱和蒸汽压力的平稳及蓄热器的选择

根据转炉汽化冷却产生蒸汽的间断性和波动性，可以装设蓄热器来克服这些问题。在转炉汽化冷却系统中，广泛采用的蓄热器是湿式变压式蓄热器。

当转炉吹氧时，汽化冷却装置产生的多余蒸汽被引入蓄热器内，容器里的压力渐渐升高，蒸汽在蓄热器内将水加热并凝结成水，使蓄热器里水的热焓值升高到与引入蒸汽压力p1相对应的饱和水焓值，此时蓄热器中的水位也由于蒸汽的凝结而升高。在转炉非吹氧期或蒸发量较小的瞬间，当发电机组继续用汽时，蓄热器中的压力就下降，此时蓄热器中水的热焓值比降压后相对应的饱和水焓值大，部份水被蒸发以弥补产汽的不足，进而保证连续稳定的向发电机组供汽，蓄热器所允许的最低压力为p2。

蓄热器容积按下式计算：

式中：

V——蓄热器的容积，m3；

Gx——蓄热器的计算蓄热能力，kg；

g0——单位蓄热能力，kg/m3；

η蓄热器的热效率，一般η＝0.99；

φ——蓄热器冲水系数。

其中g0由下式可得：

式中：

i′1、i′2——压力p1和p2时饱和水的焓，kJ/kg；

i″1、i″2压力 p1和 p2时饱和蒸汽的焓，kJ/kg；

r′1——压力p1时饱和水的密度，kg/m3。

根据计算，6MW发电机组系统中增设1台150 m3蓄热器与原有2台50 m3蓄热器并联使用，进汽压力1.3 MPa，出汽压力0.8 MPa。

4.2 饱和蒸汽干度的提高

在6MW发电机组系统中烧结余热锅炉产生的主蒸汽具有一定的过热度，因此转炉汽化冷却系统产生的蒸汽经蓄热器稳压后与其合并可有效的提高蒸汽的干度，而且主蒸汽及补汽在进入汽轮机之前要先通过蒸汽滤洁器，进一步提高了蒸汽干度，有效地增加了系统的运行平稳可靠性，提高了机组发电效率。

4.3 饱和蒸汽汽机叶片特点

根据饱和蒸汽易产生凝结水的特点，在汽轮机的未级叶片的边沿采用抗腐蚀耐磨的材料，同时在易产生凝结水的叶片和轴上开有导水槽，将蒸汽做功过程中产生的凝结水及时导出汽缸，避免对后面的叶片产生水击，保证汽轮机的稳定安全运行。

5 结束语

利用钢铁厂生产过程中产生的富裕煤气、低压饱和蒸汽进行发电的技术安全、可靠，既避免了煤气、蒸汽的放散及其产生的污染，同时节能减排的效果显著，具有很好的经济及环保效益。

[1]蔡发明，邹永红.饱和蒸汽发电在钢铁厂的应用[J].节能与综述.2009年增刊.

[2]江彦军.饱和蒸汽发电在天铁的应用[J].天津冶金.2010年第6期.

[3]李冬庆，张华，米静，张恒春.转炉饱和蒸汽发电系统及其参数选择[J].热力发电.2008年第11期.