饱和蒸汽汽轮机发电技术在电炉炼钢烟气余热回收中的应用

0引言
为了改善全球环境资源,各国统一部署,提
出二氧化碳减排计划,即要求2030年前二氧化碳
排放量达到峰值,2060年前实现二氧化碳超净排
放,排放量为零。

我国为适应国际环保政策变化,
将废钢资源合理化利用,在15年时间内逐步用电
炉炼钢技术取代转炉炼钢技术。

而电炉炼钢生产
过程产生的烟气具有一定的热能焓值,可以回收
利用,节能减排,降低能耗。

高温烟气通过余热
锅炉与水对流换热,锅炉汽包产生饱和蒸汽驱动
饱和蒸汽汽轮机发电,降低电炉炼钢流程每吨钢
的能耗,产生较大的经济效益和社会效益。

值得
深入研究饱和蒸汽汽轮机发电技术在电炉炼钢烟
气余热回收的应用。

Abstract:In this paper,the characteristics and process flow of electric furnace steelmaking flue gas are analyzed.The working principle of heat accumulator and its parameter calculation in saturated steam power generation technology are introduced.Measures to improve steam dryness in saturated steam turbines are described.Saturated steam turbine power calculations are described,among other things.
Key words:saturated steam,steam turbine,electric furnace steelmaking
第一作者简介:刘向东(1979-)男,本科,高级工程师,毕业于长沙理工大学自动化专业,主要从事发电厂调试,检修方面工作。

DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.04.004
刘向东
(中冶南方都市环保工程技术股份有限公司,湖北武汉,430205)
摘要:文章分析了电炉炼钢烟气的特点及工艺流程,重点介绍了饱和蒸汽发电技术中蓄热器工作原理及其参数计算,讲述了饱和蒸汽汽轮机提高蒸汽干度措施,描述了饱和蒸汽汽轮机功率计算等内容。

关键词:饱和蒸汽,汽轮机,电炉炼钢
中图分类号:TM616文献标识码:A文章编号:1674-9987(2023)04-0015-03 Application of Saturated Steam Turbine Power Generation Technology in Waste Heat Recovery of Electric Furnace Steelmaking Flue Gas
LIU Xiangdong
(MCC Southern Urban Environmental Protection Engineering Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei,430205)
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1电炉炼钢烟气特性及工艺分析
以湖北某钢铁有限公司2座100t量子电炉炼
钢项目为例,单台电炉炼钢产生的烟气量20.5×
104Nm3/h,烟气温度≤850℃(冶炼期沉降室出
口)。

电炉一个冶炼周期包括熔池加料、竖井加
料、冶炼吹氧、断电出钢4个阶段。

一个冶炼周
期平均时间36~38min,其中熔池加料阶段持续时
间1~3min,产生烟气量7×108Nm3/h,竖井加料
阶段持续时间1~3min,产生烟气量2.05×109Nm3/
h,冶炼吹氧阶段持续时间7min左右,产生烟气
量2.05×109Nm3/h,断电出钢阶段持续时间3~6
min,产生烟气量3.5×108Nm3/h。

在一个冶炼周期
中熔池加料、竖井加料、冶炼吹氧来回反复3次,
烟气具有波动大,瞬间烟温高,粉尘多且黏性强
等特点。

为确保饱和蒸汽汽轮机发电连续稳定运
行,需配套相关的设备设施,如图1所示。

图1电炉余热饱和蒸汽汽轮机发电技术烟气流程图
正常运行时,从电炉沉降室出来的烟气经余
热锅炉换热,烟气从下至上依次经过锅炉蒸发器、
省煤器、凝结水换热器换热,烟温降至200℃以
下从锅炉顶部烟道排出,再经布袋除尘器处理,
处理净化后的烟气经引风机、排气筒排入大气。

余热锅炉控制烟气流速,烟气温度从850℃至200
℃降温时间小于2s,以遏制降温过程中二噁英的
再生。

锅炉检修时烟气通过切断阀控制由急冷塔降
温后经旁通烟道接入布袋除尘器,再经除尘器、
引风机、排气筒排入大气。

急冷塔布置于沉降室
上部,塔体直径5m,周圈设置水(气)雾喷枪,通
过喷水雾急速(<2s)将烟气温度降至200℃以下。

2饱和蒸汽汽轮机发电技术
在电炉的一个冶炼周期内烟气流量和温度变
化急剧,忽高忽低。

导致烟气与余热锅炉对流换
热后产生的饱和蒸汽参数不稳定,变化频繁。

为
保证汽轮机运行发电时饱和蒸汽压力、温度、流
量等参数稳定,发电机平稳运行,在饱和蒸汽汽
轮机发电热力系统中设计了蓄热器分系统。

余热锅炉没有过热器,蒸汽直接从锅炉汽包
引出,蒸汽为饱和汽,含水量较高。

当蒸汽湿度
超过某个限定值时,会导致汽轮机末级叶片水蚀,
减少汽轮机运行年限,汽轮机运行时出现较严重
的振动。

为避免以上问题,在蒸汽热力系统中,
汽水分离器布置于汽轮机前,降低进入汽轮机饱
和蒸汽湿度,蒸汽经汽轮机主汽门后进入汽轮机
膨胀做功,如图2所示。

图2饱和蒸汽汽轮机发电热力系统图
2.1蓄热器工作原理及关键参数计算
当进入汽轮机的蒸汽波动大时,通常在锅炉
和汽轮机之间设计蓄热器来提供稳定的蒸汽,平
衡汽轮机的发电负荷。

蒸汽蓄热器使用前,筒体
内部补充除盐水到正常液位。

锅炉产生的饱和蒸
汽连续进入蓄热器,对储存的除盐水不断加热。

直到蓄热器上部空间充满蒸汽,下部除盐水达到
饱和热水状态。

蓄热器工作原理是:当用汽轮机
用汽量小于锅炉汽包水蒸气蒸发量时,锅炉汽包
至蓄热器饱和蒸汽管道中蒸汽压力升高。

蒸汽进
入蓄热器后,通过内部充热装置加热饱和热水,
1.沉降室
2.急冷塔
3.余热锅炉
4.布袋除尘器
5.烟囱
M
6.引风机
M
11
12
7
8
灰斗
M
M
M9
10
冷却塔
凝汽器
发电机
循环
水泵
循环
水泵
饱和
汽式
汽轮机
补汽
汽水
分离器
主蒸
汽汽
水分
离器
凝结水泵
给水泵
除氧器
蓄热器
汽包
厂区低压饱和蒸汽
余热锅炉
凝结水换热器
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提高热水温度。

此时蓄热器下部部分水变为水蒸
气,进入蓄热器上部空间,提高饱和蒸汽压力,
这就是蓄热器的充热工作原理;当汽轮机用汽量
大于锅炉汽包蒸发量时,锅炉汽包至蓄热器供汽
管道中蒸汽压力会降低。

当蒸汽压力逐渐降到低
于蓄热器上部饱和汽压力时,蓄热器下部饱和热
水成为过热水,从而进行沸腾放热,产生蒸汽以
驱动汽轮机运转发电,这是蓄热器的放热过程。

电炉炼钢烟气流过余热锅炉,产生饱和蒸汽
驱动汽轮机发电。

一般采用高峰负荷持续时间(单
位时间秒)乘以相同时间内汽轮机最大耗汽量减去
余热锅炉额定蒸发量,用式(1~2)表示。

G=(D max-D g)×τh60(1)
式中,D max为汽轮机的最大耗汽量,t;D g为锅炉
额定蒸发量,t;τh为高峰负荷持续时间,min。

V=G g
1ηφ
(2)
式中,V为蓄热器的容积,m3;G为蓄热器的必
须蓄热量,kg;η为蓄热器热效率,一般取值
0.98~0.99;φ为充水系数,一般取值0.9。

2.2饱和蒸汽汽轮机提高蒸汽干度措施
饱和蒸汽式汽轮机有两路蒸汽,一路为主蒸
汽,其额定压力、温度、流量等参数分别为:1.82
MPa、210℃、56.2t/h。

另外一路是外供补汽蒸
汽,其额定压力、温度、流量等参数分别为:0.62
MPa、157℃,12.3t/h。

根据以上蒸汽参数值,查
询饱和水蒸气物性表得出,蒸汽湿度大,为避免
饱和蒸汽对汽轮机叶片产生水蚀,同时提高汽轮
机效率,在设计及生产方面采取以下防护措施:
(1)饱和水蒸汽进入汽轮机前先通过汽水分离
器除湿,饱和蒸汽95%以上的水分在汽水分离器
中排掉,提高饱和蒸汽干度[1]。

(2)饱和蒸汽驱动汽轮机转子叶片,带动转子
高速旋转,从而驱动汽轮机做功。

饱和蒸汽从汽
轮机前汽缸进入,做功后从后汽缸排入凝汽器,
在此过程中蒸汽焓值会逐渐减少,而蒸汽湿度会
逐渐增大。

如果饱和蒸汽做功过程中产生的水分
不能及时排出汽缸外,将会严重冲击汽轮机末级
叶片,造成水冲击事故。

因此,在汽缸下半底部、
两侧法兰上设有疏水口用来排除汽缸内产生的疏
水。

同时在隔板的前后增加疏水用的导流槽和导
流环,把“积水”及时导流至汽缸底部,并通过
疏水孔排出汽缸,以提高通流蒸汽的干度。

2.3饱和蒸汽汽轮机关键参数计算
根据已知的饱和蒸汽汽轮机额定蒸汽参数,
比如额定蒸汽流量D g/(kg·h-1)、额定蒸汽温度、
额定蒸汽压力,查饱和水蒸气物性表可得汽轮机
额定蒸汽比焓h1'/kJ·kg-1,进汽比熵S1'/(kJ·(kg·
K)-1)。

根据已知的饱和蒸汽汽轮机排汽压力、排汽
温度,查饱和水蒸汽物性表可得汽轮机排汽焓值
h2'/(kJ·kg-1)、排汽熵值S2'/(kJ·(kg·K)-1)。

饱和蒸汽汽轮机做功理想排汽干度计算公式:
X=(S1'-S2")÷(S2-S2")(3)
式中,S2"为液熵;
理想排汽焓计算公式:
h2=h2'·X+h2"·(1-X)(4)
式中,h2"为液焓;
饱和蒸汽汽轮机输出轴功率计算公式:
P=D g×(h1'-h2)×η(5)
式中,η为汽轮机内效率,已知;
汽轮机效率计算公式:
ηxn=h zq-h fq
h zq-h lxfq(6)
式中,h zq为汽轮机进汽初焓,kJ/kg。

3结束语
为达到节能减排要求,饱和蒸汽汽轮机发电
技术广泛应用在冶金、化工、水泥、玻璃等行业,
具有一定的社会效益和经济效益。

在当前国际环
境政策的大背景下,电炉炼钢烟气余热饱和蒸汽
汽轮机发电技术需要更深入的研究,以迎接钢铁
行业发展的需要。

参考文献
[1]杜云川.汽水分离器的研究现状与展望[J].流程工业,
2022(4),22-24.
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