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技術前沿

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ORC發電技術與電爐煉鋼工藝相結合的余熱利用研究

 

       引言

   電爐煉鋼工藝過程中存在大量余熱,但由于其冶煉工藝不連續,且工況溫度波動范圍大,不適合直接用于產生蒸汽推動汽輪機發電,目前大多數電爐的余熱回收采用雙壓余熱鍋爐產生蒸汽后并入蒸汽管網,或者在余熱鍋爐后設置蓄熱器,將產生的蒸汽進行保存,以便能夠連續穩定地供精煉爐抽真空使用。

   但由于電爐余熱鍋爐一般采用雙壓設計,在煙氣溫度較低時,余熱鍋爐所產的低壓蒸汽除了滿足自身的除氧需求外,大部分低壓蒸汽無直接熱用戶,常常直接排空,不但造成能源浪費,放空蒸汽的噪音也影響工作環境,更是一種污染。另外,為了保證余熱鍋爐出口的排煙溫度(一般在200 ℃以下,主要目的是為了保護布袋除塵器),此時仍需要省煤器來保證余熱鍋爐的出口溫度,但在此工況下,省煤器除鹽水流量并不能完全和產汽量匹配,此時的除鹽水流量比蒸汽流量大很多,這就造成很多被加熱的140℃~170℃的除鹽水以及低壓飽和蒸汽無處可用,有的企業甚至直接排到降溫池。此外,較高的排煙溫度不但增加了尾部除塵風機的負荷,更是能源的浪費。有的鋼鐵企業電爐余熱回收裝置運行并不是太好,存在積灰影響換熱,直接導致余熱鍋爐排煙溫度升高,為了保證布袋除塵器的入口溫度,甚至在管道上設置混風閥,造成除塵器及除塵風機運行工況惡化。

   電爐煙氣從第四孔出來后需要有水冷煙道或汽化冷卻煙道進行降溫,該部分煙氣溫度較高,需要大量冷卻水將熱量帶走,以保證電爐穩定運行;大量冷卻水的使用,造成了電費增加,運行成本居高不下。

   本文主要以100 t康斯迪電爐為例分析其運行中的熱量平衡,給出了電爐余熱回收系統與低溫ORC發電系統相結合的解決方案,很好地解決了電爐煉鋼余熱回收系統中低品位熱能利用的問題。

1 基礎數據

   如表1和圖1所示為100 t康斯迪電爐的基礎參數和煙氣溫度曲線。

2 煙氣熱平衡分析

   電爐余熱系統中煙氣熱量約占電爐煉鋼系統總熱量的10%~14%左右,電爐煉鋼過程中有47.6%的熱量通過廢鋼預熱和余熱鍋爐進行了回收利用,但仍有多半的熱量通過排煙、散熱和強制水冷而浪費掉。

3 有機朗肯循環技術(ORC)與余熱回收相結合

3.1 工況分析

    電爐系統所配置的余熱鍋爐多為雙壓自然循環,所產蒸汽一般為1.0~2.0MPaG的飽和蒸汽,且由于電爐煉鋼工作不連續,余熱鍋爐蒸汽側通常會配置蓄熱器,以保證蒸汽用戶側有連續穩定的起源供給。
    0.3MPaG低壓蒸汽僅用于余熱鍋爐系統自除氧。由表3可以看出,在煙氣溫度低于300時,中壓蒸汽產量較低,此時系統所需的低壓除氧蒸汽約1.5 t/h;顯然以工況5運行時,低壓蒸汽產量有3.6 t/h的富余量,且省煤器有8.6 t/h的熱水富余量。這些低壓蒸汽和熱水,在電爐余熱鍋爐運行過程中,為了保證余熱鍋爐排煙溫度,保護后段的除塵設備,大多是直接放空掉或接入地面降溫池進行自然降溫,造成了熱量的浪費。
3.2 改造方案

   若將上述低溫熱量加以利用,可以實現熱能的高效回收及利用,并且可減少廠區的污染,既有一定的經濟效益又有很好的環保效益。由圖1可以看出,電爐運行的一個周期里,200℃的排煙溫度基本是連續且相對較穩定的,在這種低溫熱源的條件下,要想實現熱量的高效利用,把鋼鐵企業里無法使用的低壓蒸汽和熱水轉化為電能,有機朗肯循環(ORC)發電技術有著特殊的優勢。

   另外,在余熱鍋爐排煙系統尾部加裝省煤器,產生更多的熱水,把余熱鍋爐排煙溫度進一步降低,ORC發電機組的裝機容量也可以得到增加。

   在余熱鍋爐系統運行過程中,當高溫煙氣溫度在600 ℃以上時,低壓飽和蒸汽需要滿足系統自身除氧用;當高溫煙氣溫度低于600 ℃時,低壓蒸汽會有富余,中壓省煤器熱水產量在高溫煙氣溫度低于300 ℃時有富余,在上述工況條件下運行時,把該部分蒸汽及熱水送至蓄熱器進行儲存,由蓄熱器向ORC發電機組提供連續穩定的熱源。

   經過核算,在一個冶煉周期中,低壓蒸汽大約可以富余1.5 t,每小時富余2 t;熱水大約富余3 t,每小時富余4 t。另外,如果將余熱鍋爐排煙溫度再降低至120 ℃,可以提高熱水產量40 t/h;減少尾部除塵風機電耗約50 kW。目前,透平式ORC產品的熱電效率較高,一般為8%~18%,具體由熱源品質決定,若以平均熱電效率11%進行折算,100 t電爐的余熱系統可以實現的ORC發電總裝機容量為550 kW,其中低壓蒸汽部分發電量150 kW,熱水部分發電量400 kW。這還不包括水冷煙道的熱水帶走的熱量,如果能將此部分熱能用ORC發電技術加以利用,還可以增加發電機組裝機容量,并且降低循環冷卻水泵的電耗,進一步降低鋼鐵企業運行成本;由表2可知,此部分回收的熱量約占余熱鍋爐排煙總熱量的30%,占電爐煉鋼輸出總熱量的13%。

3 結束語

(1)電爐煉鋼余熱回收系統與ORC有機朗肯循環低溫發電技術可以有效結合起來實施,將大大提高系統熱利用效率,降低能耗、減少污染。

(2)在原有的余熱回收系統的基礎上進行改造,增設ORC發電裝置,需要考慮到流程組織的合理性,不能影響原有系統的正常運行。

(3)在冶金行業中,其它類似如燒結機、環冷機等工段也可以實施上述工藝流程。

(4)利用ORC發電技術對電爐冶煉裝置進行余熱回收,具有良好的經濟效益。



 

來源:《現代冶金》2016年6期



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