钢铁企业煤气蒸汽余热整体利用方案应用研究-刘峰

余热余能回收与工艺优化210钢铁企业煤气蒸汽余热整体利用方案应用研究刘峰1,2黄飞3（1.北京科技大学；2辽宁科技大学；3北京志能祥赢节能环保科技有限公司）摘要：钢铁企业作为我国能源消耗最大的产业部门之一，节能减排压力日趋加大。综合有效利用钢铁企业富余资源进行煤气发电，不仅能回收低品位能源、降低产品单耗，同时也减少了工业废气及物理热污染，其作为一种可推广工艺流程具有显著的经济效益和社会效益。关键词：钢铁企业、副产煤气、余热蒸汽、发电1前言随着资源能源问题的日益紧张，钢铁企业在提高钢铁产品质量的同时，将更多注意力放在钢铁节能技术的开发与应用，并已取得了显著成效[1]。通过节能降耗技术的应用及回收二次能源，企业消耗的能源不断减少，余热、余能回收量不断增加，使吨钢综合能耗大幅减少，但与发达国家能耗相比仍有不小的差距，这激励我们进一步开发和应用节能减排技术，早日达到高水平的节能减排指标[2]。在这种背景下，北京志能祥赢节能环保科技有限公司，对承德建龙煤气蒸汽系统进行了深入的调研和梳理，通过大量的数据统计计算及现场调研，初步摸清承德建龙能源系统的基本情况，对企业内各工序的工序能耗、用能结构以及成熟节能技术的应用情况进行了深入分析整合，并与国内先进水平的指标和管理状况进行了对比，发现了一些优化改进的潜力，提出了系统优化的整体技术解决方案。2企业能源消耗现状承德建龙钢铁公司现有钢铁产能约180万吨，有烧结、炼铁、炼钢、轧钢四个生产主工序，包括580m3和1350m3高炉各1座，70t炼钢转炉2座、70t提钒转炉1座，265m2烧结生产线1条，10m2烧结球团生产线2条，年产80万吨棒材轧线1条，300t/d石灰窑生产线1条。工序副产品煤气、蒸汽和余热资源较为丰富，除已利用的煤气、蒸汽、余热外，仍有很大一部分利用不合理或无法利用而放散。根据现有生产情况及能源平衡现状，对企业能源系统进行了分析与梳理。2.1煤气系统现状承德建龙2011年高炉煤气消耗用户主要有炼铁、能源、轧钢、竖炉、烧结等生产工序，其中炼铁工序高炉煤气消耗占整个消耗量的46.35%、动力工序占煤气消耗的16.04%、轧钢工序占整个煤气消耗的10.3%、竖炉工序占7.42%；转炉煤气主要用于白灰竖窑、炼钢和土球团；发生炉煤气主要为供钒制品厂的回转窑、熔片炉使用。具体煤气系统分布见图1。根据煤气平衡图，可以发现其煤气系统存在以下主要问题：（1）转炉煤气用户不足，严重制约了其回收由于转炉煤气没有足够的用户，导致炼钢3座转炉煤气回收不足只能放散。目前回收能力可达到95m3/t钢，实际回收量只达到约60m3/t钢。（2）煤气柜容量不够，缓冲能力不足由于生产的波动，煤气的产生与使用量不稳定，用适当容量的煤气柜进行有效的缓冲是提高煤气回收水平和煤气供应质量的必要手段。承德建龙只有1座3万m3转炉煤气柜，没有高炉煤气柜。煤气柜能力不足，严重制约了煤气的高效利用。（3）工艺过程煤气使用量大工艺加热用煤气份额大，占煤气总发生量的95.88％。按照承德建龙的产品结构来看，经过梳理后应该在60%以下比较合理。第七届全国能源与热工学术年会2111#高炉2#高炉2#转炉3#转炉高炉热风炉喷煤升温炉265㎡烧结机2座10m²竖炉烘干炉炼钢氧化铁皮烘烤3万立LDG柜蓄热式加热炉20t锅炉100t锅炉竖炉煤气加压站转炉煤气加压站180000m³/h3000m³/h20000m³/h35000m³/h7000m³/h38000m³/h高炉煤气转炉煤气混合煤气白灰窑加压站白灰竖窑白灰回转窑炼钢烤包23000m³/h1000m³/h17000m³/h75000m³/h2座高炉煤气煤气发生量40万m³/h66m³/t·钢12500m³/h图1承德建龙煤气消耗平衡图2.2蒸汽系统现状承德建龙现有两台中温中压燃煤气锅炉，其中一台100吨热力锅炉主要是为1350m3高炉鼓风站汽拖而配套建设的，设计蒸汽蒸发量为100t/h，压力为3.82MPa，温度约450℃；另一台为能源中心20吨锅炉主要为供VD炉使用蒸汽而配套建设，设计蒸汽蒸发量为20t/h，压力1.6MPa，温度220℃。生产工序共有余热锅炉7台，包括1#、2#、3#转炉汽化冷却烟道余热锅炉；烧结厂1#、2#余热锅炉、球团厂1#、2#余热锅炉。余热蒸汽设计产生量为45-60t/h，设计蒸汽压力1.0MPa；实际产量约32t/h，实际蒸汽压力约0.3～0.5MPa，温度为饱和温度。蒸汽产生量如表1所示。承德建龙主要的蒸汽用户分为工艺用户和生活用户。根据能源平衡表统计分析，目前蒸汽用户主要有烧结厂、炼铁厂、炼钢厂、钒制品厂、能源中心等，生活用蒸汽用户主要有全厂冬季采暖、道北职工宿舍洗浴、钒制品厂洗浴等。其蒸气平衡表如表2所示。表1承德建龙蒸气产生量表季节项目非采暖季节采暖季节蒸汽产量锅炉蒸汽余热蒸汽锅炉蒸汽余热蒸汽100t锅炉727520t锅炉1010烧结77竖炉55炼钢2020小计82328532表2承德建龙蒸气产生量表季节项目非采暖季节采暖季节蒸汽消耗量锅炉蒸汽余热蒸汽锅炉蒸汽余热蒸汽烧结55白灰1竖炉1高炉26鼓风机站7262炼钢VD炉1010霞普气站11.5轧钢0.5钒制品厂810能源中心610换热站15其他2合计82267252根据蒸汽平衡表，可以发现其蒸汽系统存在以下主要问题：（1）采暖系统消耗大量的蒸汽，造成能源浪费。目前，承德建龙全厂生活区、办公区采暖、洗浴等所用蒸汽总消耗量约32t/h，大量采用蒸汽直接采暖这种落后的采暖方式，能源效率比较低。（2）大量的余热蒸汽放散，造成能源和软水资源浪费。在非采暖季节，因为余热蒸汽品质较差，蒸汽被大量放散，放散量约为20-30t/h；在采暖季节，余热蒸汽被大量用于采暖，放散量要少一些。（3）热力锅炉蒸汽被大量直接减温减压，余热余能回收与工艺优化212使用不合理，热力锅炉效率低。100吨锅炉全年平均蒸发量仅达到72t/h左右，能源中心20吨蒸汽锅炉，由于炼钢品种过VD炉数量有限，非采暖季节20吨锅炉需要经常启停，而且大部分时间低负荷运行。两台热力锅炉低负荷运行，既浪费能源，又增加岗位操作人员。2.3余热系统现状承德建龙轧钢加热炉虽然采用蓄热式加热炉，但没有采用汽化冷却，而是采用循环水冷却，烟气显热没有回收利用；高炉冲渣水是企业内部比较好的热水资源，温度约70-80℃，可用来采暖，但现在没有回收利用。3富余煤气蒸汽优化及综合利用方案根据煤气、蒸汽、余热系统现状，整合已有技术，以能级匹配、高效转化、系统优化为理论依据，对原系统进行梳理优化。3.1煤气系统优化方案（1）增加高炉煤气回收量从生产实际情况看，在高炉煤气发生量较大或消耗不足时，管网压力升高，煤气部分放散，放散率约10%。增设15万m3高炉煤气柜后，正常生产波动将由煤气柜调节控制，在煤气用户能力足够前提下，煤气将不再放散。（2）增加转炉煤气回收量转炉煤气柜扩容增设5万m3煤气柜1座，调节能力满足现有转炉生产波动需求，可增加煤气回收量约11500Nm3/h，煤气总量达到25000Nm3/h。3.2蒸汽系统优化方案（1）增设炼钢蒸汽蓄热器，提高转炉蒸汽回收量炼钢系统目前有3座转炉，由于转炉系统吹氧期烟气量大，烟温高，汽化冷却系统瞬时产汽量大，而汽包和管网压差小，导致蓄热器调峰能力不足，从而出现转炉蒸汽放散、回收汽量较少的现象；再增设1台100m3蒸汽蓄热器，与现有蒸汽蓄热器并联运行，增加蓄热系统调峰能力，减少蒸汽放散，转炉蒸汽回收量将提高到20t/h以上。（2）回收轧钢加热炉余热蒸汽轧钢加热炉为步进梁蓄热式水冷加热炉，目前未采用汽化冷却系统，将原系统采用汽化冷却系统；根据冶金行业现有技术水平，加热炉改造后将有4~6t/h余热蒸汽可回收利用。（3）烧结及球团余热回收为了提高烧结余热回收量和效率，需要对环冷机密封、取风罩、排风和锅炉系统进行改造；新建余热锅炉梯级取用环冷机高中温废气生产蒸汽，系统采用热风循环和双压锅炉技术，提高热效率，产生两种压力和品质的蒸汽供应不同用户使用。3.3余热系统优化方案（1）承德建龙轧钢加热炉改造为汽化冷却，可增加低温低压蒸汽回收10t/h，冬季用于发电，夏季用于制冷替代高品位蒸汽。（2）建立高炉冲渣水供暖项目，冬季可以满足企业部分供暖需汽，节省的高品位蒸汽用于发电。3.4富余资源发电方案根据煤气、蒸汽、余热平衡量，需在厂内新建50MW发电机组，这不仅能补充电力，节约购电费用，同时还可作为钢厂的一个新的供电点，提高了生产用电的安全可靠性。4经济性分析4.1投资计算（1）发电前项目投资根据优化方案，发电前提项目投资包括新增煤气柜、加热炉汽化冷却改造、冲渣水取暖等各种技术改造费用，共计15097万元。（2）发电项目投资估算新建50WM发电机组，项目投资估算范围包括锅炉、汽轮机、发电机等主体设备，共计19826万元。（3）投资总计将发电前项目与发电项目投资进行合算，投资总额为34923万元。4.2效益分析（1）发电前项目效益通过建设高炉、转炉煤气柜、工艺改造等可减少高炉煤气放散量20000m³/h，多回收转炉煤气11500m³，节约煤气全部用于发电机组发电；另外通过加热炉汽化冷却改造、冲渣水取暖项目改造，可节约高品位蒸汽用于汽轮机第七届全国能源与热工学术年会213发电补气可增加发电量。（2）发电项目效益分析新建50WM发电机组，企业内部核算供电电价为：0..65元/kw.h（含税），余热发电供厂内使用，电站投入运营后，支付电业部门的费用按0.08元/kw.h考虑，税费按照0.06元/kw.h考虑，则发电净利润14280万元。4.3投资回收期根据投资金额及回收效益，可计算出该工艺投资回报期为2.45年。5结论本文根据承德建龙钢铁公司煤气蒸汽利用现状进行了系统梳理及方案优化，得出如下结论：（1）原系统存在大量煤气、蒸汽、余热资源使用不合理及放散情况，通过新增设备及优化生产工艺，可以减少煤气放散、增加蒸汽、余热回收，提高单体设备运行效率。（2）建成煤气柜、发电机组等优化项目的总投资为34923万元，投资效益为14280万元，投资回报期为2.45万元。（3）煤气、蒸汽、余热整体解决方案能有效提高企业余热资源利用率，对相关企业技术改造具有指导意义。参考文献[1]丁皓,郭新有.关于我国钢铁工业二次能源利用的思考[J].科技进步与对策,2004,(10):102-104.[2]李利剑.我国钢铁企业二次能源回收技术创新[J].科学学与科学技术管理,2005(1):67-69.