转炉余热蒸汽蓄热系统的技术改造研究

蔡志春

前言

攀钢集团攀枝花钢钒有限公司提钒炼钢厂共有7 座转炉，其中 1、2、3、6、7 号为炼钢转炉，4、5 号为提钒转炉；炼钢和提钒时会产生大量的余热蒸汽。目前，在日均产量15000 t钢情况下，7座转炉余热锅炉平均产气量约为70 t/h，除本厂自用约10 t/h，输送至能动中心管网约45 t/h外，其余蒸汽受现有蒸汽蓄热系统能力不足、汽包出口管径偏小等问题影响，造成约15 t/h蒸汽被迫进行了放散。根据攀钢钒公司2010～2015年发展规划，炼钢系统规划产能将达到600万t/a，随着炼钢产量的增加，余热蒸汽的放散量将进一步增大，不仅造成余热资源的极大浪费，而且产生噪音污染。

1　余热蒸汽系统现状

提钒炼钢厂在炼钢和提钒时会有大量的高温烟气产生，每座转炉均设置有汽化冷却烟道，以便回收高温烟气的余热。故转炉在炼钢和提钒时，所产生的高温烟气通过汽化冷却烟道[1]，生产出大量的余热蒸汽。各转炉相关参数见表1。

表1　各转炉相关参数表

目前，转炉的汽化冷却烟道均降压运行。汽化冷却烟道的设计运行压力为2.55 MPa，据现场调查，其实际运行压力为1.55 MPa。蓄热器的设计压力2.55 MPa，实际运行压力为1.55 MPa。

在日均产量15000 t钢情况下，7座转炉余热锅炉平均产气量约为70 t/h（按吨钢产蒸汽90 kg计算，5座炼钢转炉产汽量约56.5 t/h；2座提钒转炉产汽量约为13.5 t/h），除本厂自用（主要是生活用汽，溴化锂制冷用汽、连铸保护渣烘烤用汽等）约10 t/h，输送至能动中心管网约45 t/h外，1～5号转炉所产蒸汽受现有蓄热能力不足、汽包出口管径偏小等问题影响，造成约15 t/h蒸汽被迫进行了放散。6、7号转炉蒸汽全部回收。

2　低压蒸汽现状

攀钢钒公司低压蒸汽生产单位为能源动力中心、炼钢厂和炼铁厂。

能源动力中心低压蒸汽生产设备主要为三台CC12-3.43/0.98/0.112型调整抽汽发电机组，其调整抽汽压力为0.7～1.2 MPa，为确保机组安全运行，抽汽压力控制在0.8 MPa以下。每台发电机额定抽汽量为50 t/h，最大抽汽量80 t/h，目前根据各低压蒸汽用户需求，总抽汽量为70 t/h左右；鼓风站设置有一台50 t/h蒸汽减温减压器，热电站设置有一台65 t/h蒸汽减温减压器，目前均为备用状态。能动中心生产的低压蒸汽参数为：压力为0.55～0.8 MPa，温度为300～320℃。能动中心生产的低压蒸汽除本厂自用外，其余通过管网送其他用户使用。

炼钢转炉余热产生低压蒸汽约70 t/h，压力为0.6～1.5 MPa，温度为165～200℃。炼钢厂生产的低压蒸汽压力波动较大[2]，且现有蓄热器能力不足、汽包出口管径偏小，造成汽包安全阀放散量约15 t/h，炼钢厂自用约10 t/h，另外45 t/h并入能动中心主管网送其他用户使用。

炼铁厂6#烧结机、新1#烧结机环冷机余热产生蒸汽约12 t/h，其参数为：压力为0.5～0.8 MPa，温度为180～190℃。其中6#烧结机产生的余热蒸汽约3～5 t/h，并从能动中心主管网补充1.5 t/h低压蒸汽供其主电除尘器、混合室等用汽点使用；新1#烧结机产生的余热蒸汽约7～8 t/h（设计为13～15 t/h），并从能动中心主管网补充10 t/h中压蒸汽经减温减压后供其主电除尘器、混合室等用汽点使用。炼铁厂新二烧余热锅炉于2011年7月投产，炼铁厂新二烧余热锅炉设计负荷为52 t/h，其参数为：压力为0.5～0.7 MPa，温度为290～310 ℃。

目前整个弄弄坪厂区低压蒸汽供大于求，炼钢厂余热蒸汽存在放散现象。根据攀钢钒公司2010～2015年发展规划，炼钢系统规划产能将达到600万t/a，随着炼钢产量的增加，余热蒸汽产量随之增加。若不对炼钢转炉余热蒸汽回收系统进行改造，将会有更多的余热蒸汽被放散。

3　余热蒸汽系统技术改造研究

3.1　技术改造方案的确定

根据炼钢厂现场余热回收情况及分析研究，1～5号转炉余热蒸汽系统需进行改造；6、7号转炉余热蒸汽系统运行良好，不作改造。

1～3号转炉余热锅炉单台最大流量约为47 t/h（吹氧期间产汽量），4、5号转炉余热锅炉单台最大流量约为32.5 t/h（吹氧期间产汽量）。1～5号转炉汽包出口管径均为DN200，在压力损失为0.1 MPa的情况下，输送量为25 t/h，不能满足最大量输送需求，需将汽包出口管道扩大，同时由于现有蓄热器蓄热能力不足，需对蓄热器进行扩能改造。

3.2　技术改造的内容

3.2.11～5号转炉余热蒸汽系统技术改造

(1)在转炉吹氧期间，转炉余热蒸汽产量大，根据转炉的生产工艺和蒸汽生产的特点，采用蒸汽蓄热器削减输出蒸汽的波峰谷，平衡转炉吹氧期和非吹氧期输入管网蒸汽量的大小，使转炉余热蒸汽能以稳定的压力送出。通过蓄热器调节后的蒸汽接入厂区管网。

在转炉吹氧期间，转炉余热蒸汽产量大，蒸汽环网压力升高，多余蒸汽进入蓄热器，蓄热器内压力和水位升高；在转炉非吹氧期间，转炉余热蒸汽产量小，蒸汽环网压力降低，蓄热器放出蒸汽，蓄热器内压力和水位降低。蓄热器设水位检测装置，高水位时放水至正常水位，低水位时补水至正常水位，软化补水由余热锅炉给水主管引入。蓄热器高水位放水主要作为控制蓄热器充水系数，其放水量根据计算不到0.2 t/h；根据实际运用经验，实际放水量比计算值小。同时考虑到其回收难度大，故不做回收处理。

(2)蓄热器的选型研究[3]

①蓄热量的确定

转炉的余热蒸汽产量按转炉年产600万t钢的原则进行考虑，蓄热器的蓄热量为1～5号转炉余热蒸汽富余量。当年产600万t钢时，5座炼钢转炉余热蒸汽产量总产量为：600÷365÷24×90×10000=61644 kg/h≈61.6 t/h；此时两座提钒转炉余热蒸汽产量为14.7 t/h；1～7号转炉总产量为76.3 t/h。

根据转炉生产工艺情况，在转炉吹氧期间产生大量的蒸汽，此时蒸汽生产量大于使用量，富余蒸汽量需由蓄热器暂时进行存储。蓄热器最大蓄热量即为转炉吹氧期蒸汽生产量与使用量之间的差值。因现在炼钢厂6、7号转炉余热蒸汽已全部回收，所以本工程蓄热器只考虑1～5号转炉余热蒸汽的回收。

按年产600万t钢计算蓄热器最大蓄热量。炼钢转炉共5台，平均每小时出钢量为685 t钢，每小时需生产5.7炉钢。根据生产情况1～5号转炉按最大按4座转炉同时吹氧考虑，此时蒸汽最大产量将会是1～3号转炉同时吹氧，同时4、5号转炉有一座转炉吹氧，同时吹氧时间按10 min计算。1～5转炉余热蒸汽输出平均为51.7 t/h，由此计算蓄热量为：Q=（3×47×10/60+32.5×5/60）-（51.7×10/60）=17.6 t。

在蓄热器容积一定的情况下，蓄热器的充汽压力越高，其蓄热量越大。

目前，1～5号转炉汽包设计压力为2.55 MPa，实际运行压力为1.55 MPa（汽包安全阀的放散压力为1.55 MPa），厂区低压蒸汽压力为0.55～0.8 MPa。本次研究确定蓄热器的最高放热压力为0.8 MPa，在此参数下的蓄热器容积见表2。

表2　蓄热器容积表

根据表2数据，蓄热器的蓄热量在一定数值的情况下，其充热压力高、放热压力小，蓄热器容积就越小。根据国内转炉余热锅炉运行压力现状，蒸汽压力最高在1.8 MPa左右，再高将会影响转炉生产。现炼钢厂转炉余热锅炉现按1.55 MPa运行，若将转炉余热蒸汽升压运行，现有设备可能出现问题，为保证其安全运行，转炉余热锅炉仍按照现有运行方式运行。考虑到余热锅炉汽包离蓄热站较远，途中蒸汽压力损失约0.1 MPa，此时蓄热器充热压力约为1.4 MPa。综合考虑，蓄热器总容积按450 m3设计。

1～5号转炉现有4台42 m3蓄热器，在该容积下，蓄热器的蒸汽含水量大，降低了蒸汽品质。在将蓄热器集中布置后，其各蓄热器进出口管道将变大，但压力容器不允许重新开口，现有蓄热器不能满足要求。如果将4台蓄热器搬迁至新建蓄热站，则蓄热站占地面积将增大，同时需增加调节阀。综合考虑，为减少用地及方便管理，原蓄热器不再利旧。

新建蓄热器总容积按450 m3设计，根据蓄热器常用容积，研究决定选择3台150 m3卧式蓄热器并联工作。蓄热器外部需进行保温，保温采用硅酸盐保温材料；保温外护层采用镀锌铁皮，厚度0.6 mm。

蓄热器参数：

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

③设备布置

3台150 m3卧式蓄热器并排布置在蓄热间内，蓄热站厂房为L型，一部分长为18 m，宽12 m，另一部分长为17 m，宽6 m，高均为7.5 m；仪表控制室尺寸为6×4.5m，净高4.5 m。在蓄热间3.5 m高处设钢结构操作平台。

④蓄热器的连接方式

3台蒸汽蓄热器采用并联方式连接，回收1～5号转炉的余热蒸汽，并在余热蒸汽进入蓄热器前，设置蓄热器旁通减压阀组来控制蒸汽的储量和进入蒸汽管网的流量，也可在蓄热器故障时为管网提供一定量的余热蒸汽。

(3)为满足蓄热器入口压力至少为1.4 MPa，需将转炉余热蒸汽管道进行改造。经核算，1～3号转炉汽包出口管径需更换为DN300，4、5号转炉汽包出口管径需更换为DN250。同时新建一条蒸汽主管至新建蓄热站，1～5号转炉余热蒸汽均由该管道送至蓄热站。

新建主管最大流量按141 t/h考虑，蓄热器入口压力至少为1.4 MPa，汽包压力为1.5 MPa时，管道压力损失为0.1 MPa。经核算，为满足蒸汽流量及压力损失要求，新建蒸汽管道的管径为DN500。在更换汽包至新建蒸汽主管时，需将新建管道敷设完成后，在转炉停炉情况下分别进行碰点接管。

3.2.2蒸汽供应

炼钢厂大部分低压蒸汽用户由1～5号转炉余热蒸汽供应，在新建蓄热站后其供汽接点将发生变化。从1～3号转炉新建蒸汽主管上接支管DN300，在老转炉车间22.5 m平台处与现有蓄热器出口主管相接，原有蓄热器进出口管道等均断开，采用堵板封口。从4～5号转炉新建蒸汽主管上接支管DN200，在提钒转炉车间34 m平台处与现有蓄热器出口主管相接，原有蓄热器进出口管道等均断开，采用堵板封口。现有其他低压蒸汽管道均维持现状不变。

3.2.3经过技术改造后，炼钢厂的余热蒸汽回收量见表3。

表3　炼钢余热蒸汽回收量

通过新建蓄热站后，炼钢余热蒸汽能全部进行回收利用。多回收的蒸汽进入能动中心低压蒸汽管网，能动中心发电机抽汽量相应减少，以维持平衡。

3.2.4管道布置

新建管道在车间内沿厂房柱架空敷设，出车间后沿现有管道通廊架空敷设至新建蓄热站。管道局部地方设独立支架及桁架敷设。所有管道利用自然弯转及安装π型补偿器进行热补偿，满足柔性设计要求。蒸汽管道局部低点设置疏水排放装置，疏水采用连续疏水和启动疏水同时设置的方式排放。管道接点及各用户点处设有控制阀。所有管道全部都要保温，保温采用硅酸盐保温材料[4]；保温外护层采用镀锌铁皮，厚度0.6 mm。

4　经济效益

本项目总投资为1199.51万元，新增劳动定员8人，增加人工工资36万元。

项目投产后，炼钢转炉余热蒸汽每小时多回收低压蒸汽15 t，回收的蒸汽补充至低压蒸汽管网，能动中心减少蒸汽产量15 t/h，从而降低标准动力煤消耗。减少标准动力煤消耗量为：Q=640×15÷7000×8760÷0.85=14134 t，即减少动力煤消耗费用为：14134t×527元/t=744.9万元。

项目投产后，年增加电费5.89万元，年折旧额为95.96万元（综合折旧率按8%计算，计算期15年，残值率3%），年修理费为35.99万元（修理费按固定资产投资的3%计取）。年成本费用合计为173.84万元。

项目年利润总额为：744.9万元-173.84万元=571.06万元。投资利润率为47.6%。投资回收期1199.51/571.06+1=3.1年。

5　结论

本次技术改造实施后具有良好的经济效益，且同时解决了能源浪费和环境污染等问题，符合国家“发展循环经济、节能减排”的政策。

[参 考 文 献]

[1]崔敏．炼钢转炉汽化冷却烟道热力性能模拟与计算[D].浙江：浙江大学，2012．

[2]彭宝翠．炼钢余热蒸汽利用方案探讨[J]．冶金能源，2005：1．

[3]航天工业部第七设计研究院．工业锅炉房设计手册（第二版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，1986：744-768．

[4]李鸿发.设备及管道的保冷与保温[M].北京：化学工业出版社，2002.6.