炼钢蒸汽自过热技术

王 宇，刘 江

(北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京100029)

钢铁产业作为我国能耗大户，其耗能量约占全国总能耗的15%，其中余热资源约占37%[1]。目前，国内钢铁行业高温、中温余热资源利用率高达44%、30%，而低温余热资源利用率仅为0.6%[2]。因此，大力推动钢铁行业低温余热资源回收利用技术的发展具有重要意义。

在转炉炼钢过程中会产生高温煤气，为达到除尘器运行条件，高温煤气会经冷却水冷却到适合温度，冷却水受热将汽化成低压饱和蒸汽。据统计，转炉吨钢产汽量为70~100 kg。《我国电炉炼钢发展趋势》表明，2017年我国转炉钢产量为73 798万t，且转炉炼钢在今后相当长的时间里，仍是我国主要的炼钢方法。转炉蒸汽温度一般在200~250℃，转炉蒸汽余热回收具有很大的节能潜力与经济价值。但由于转炉蒸汽为低压饱和蒸汽，湿度较大，易冷凝，现有的转炉蒸汽余热利用系统存在发电效率低、机组汽蚀严重等问题，因此转炉蒸汽余热利用系统需要一种加热转炉蒸汽成微过热蒸汽的自过热器装置。

1 炼钢蒸汽余热回收技术

现有的炼钢蒸汽余热回收利用系统包含转炉汽包、蒸汽蓄热器、汽轮机组等，转炉汽包产生低压饱和蒸汽，经由蒸汽蓄热器进行储存，蒸汽蓄热器持续输出低压饱和蒸汽供给汽轮机组进行余热发电。转炉蒸汽具有波动性与间歇性，经过蒸汽蓄热器存储，可以稳定输出1~1.6 MPa的低压饱和蒸汽，防止蒸汽波动对蒸汽管网与汽轮机组造成冲击。

目前，国内已经有多家炼钢厂采用了上述低压饱和蒸汽余热回收系统。济钢第一炼钢厂4×45 t转炉蒸汽余热发电系统是国内首例利用转炉烟道汽化冷却蒸汽进行发电的节能减排项目，2010年前11个月蒸汽发电量达到9.81 kWh/t.G[3]。唐山东海特钢3×120 t转炉可产生约36 t/h低压饱和蒸汽，采用低压饱和蒸汽余热发电技术，年发电量为4 872万kWh。

现有的炼钢蒸汽余热回收系统，虽然可以解决转炉蒸汽波动性的问题，但转炉蒸汽从蒸汽蓄热器输出到汽轮机组这一过程中会存在散热损失与阻力损失，转炉蒸汽冷凝成的疏水经汽轮机组前的汽水分离器被分离掉，且进入汽轮机组的饱和蒸汽湿度大，因此利用现有饱和蒸汽汽轮机组进行发电，会存在发电效率低、机组汽蚀严重、设备易损坏等问题。而加装有自过热器的炼钢蒸汽余热回收系统，即在蒸汽蓄热器与汽轮机组之间安装自过热器装置，充分利用转炉蒸汽的热能对蒸汽蓄热器输出的饱和蒸汽进行加热，将低压饱和蒸汽加热成微过热蒸汽，可有效提高蒸汽利用率以及系统的使用寿命。

2 炼钢蒸汽自过热技术简介

炼钢蒸汽自过热技术是利用高温段转炉蒸汽加热蒸汽蓄热器出口端低压饱和蒸汽，充分利用转炉蒸汽余热的技术。将自过热装置放置在蒸汽蓄热器与汽轮机组之间，转炉蒸汽从转炉汽包中流出后直接进入自过热器热源入口端，在自过热装置中进行放热后流进蒸汽蓄热器中进行储存，自过热器里存储有中温蓄热材质，如导热油、硝酸熔盐等，可将这部分热量储存起来，待从蒸汽蓄热器出口端流出的低压饱和蒸汽进入到自过热装置时，蓄热材质将这部分热量释放给冷源流体，将低压饱和蒸汽加热成微过热蒸汽，微过热蒸汽从自过热器冷源出口端流出后进入汽轮机中进行做功，做功后的蒸汽在凝汽器中被来自冷却塔的循环水冷却成凝结水，后经转炉给水泵加压打进转炉冷却系统中与转炉烟气进行热交换，生成转炉蒸汽。工艺流程见图1。

图1 炼钢蒸汽自过热系统工艺流程图

炼钢蒸汽自过热技术可提高转炉蒸汽的利用率，将蒸汽蓄热器输出的低压饱和蒸汽加热成微过热蒸汽，避免蒸汽因能量损失生成的疏水被分离，且能减弱汽轮机组汽蚀，提高设备及系统的使用寿命，推动冶金事业节能发展。

3 自过热装置简介

目前，常见的大中型转炉，其炼钢周期一般为30 min，吹氧过程一般占据12~15 min，在一个周期内转炉蒸汽的最大压力为4 MPa，最小压力为2 MPa，蒸汽蓄热器输出的低压饱和蒸汽压力一般为1.6 MPa。自过热装置可利用高温段转炉蒸汽对低压饱和蒸汽进行加热。由于转炉蒸汽具有波动性与间歇性，因此需要用蓄热材料对高温段蒸汽热量进行存储，使得自过热装置在热蒸汽停止供应时依然能够对低压饱和蒸汽进行加热。但因为自过热装置采用蓄热材质以及装置内冷热源流体为蒸汽，所以该装置仍具有几个问题需要解决。

常用的中高温蓄热材料为导热油和熔盐类材料。熔盐类材料一般为硝酸熔盐、碳酸熔盐等，造价偏高，受热易分解，相对导热油来讲，导热系数较大，传热效果更好。导热油比热容较大，储存或释放同样的热量，相对熔盐材料的温度变化小且造价便宜，但导热油导热系数小，热阻相对较大，会对加热冷源流体造成阻碍。

自过热装置进口端冷热流体均为蒸汽，蒸汽在管道内的流速较大，为保证冷热蒸汽在自过热器内有足够的换热时间，就需要增长冷热流体管道长度。

本文对自过热装置进行了初步设计。对于导热油导热能力不足的问题，可通过以下3种解决办法。

1）将导热油与砂砾进行混合，该混合物的蓄热效率能够提高18.5个百分点[4]。

2）在自过热装置外设置油泵，油泵启动，可将自过热装置内部储存的导热油形成油循环，使原本的导热变为对流换热。

3）在自过热装置内部加装肋片且将冷热管道设计成盘管结构，延长冷热流体的换热时间，确保低温蒸汽能够得到有效温升。可将冷热流体盘管分成多束，在冷热流体管道总横截面积一定的情况下，管束越多，冷热流体的受热面积越大。图2为自过热装置结构示意图。

图2 自过热装置结构示意图

4 结语

炼钢蒸汽自过热技术能够有效利用转炉蒸汽显热，将低压饱和蒸汽加热成微过热蒸汽，提高蒸汽品质，不仅有效地提高汽轮机组的发电效率，创造了经济效益，而且减轻机组汽蚀，提高了汽轮机组及系统的使用寿命，推动冶金事业节能发展。