機械真空技術(shù)在寶鋼特鋼VD爐上的應(yīng)用

張 輝寶鋼特鋼有限公司能源環(huán)保部

機械真空技術(shù)在寶鋼特鋼VD爐上的應(yīng)用

張 輝
寶鋼特鋼有限公司能源環(huán)保部

機械真空技術(shù)因其即開即得、可精確控制、運行可靠、節(jié)能環(huán)保，正在逐步成為大型真空脫氣系統(tǒng)的首選。介紹了寶鋼特鋼以合同能源管理模式實施機械真空節(jié)能改造，用機械真空泵替代原來蒸汽噴射泵的應(yīng)用情況及應(yīng)用效果。

VD爐；機械真空泵；蒸汽噴射泵

鋼水真空循環(huán)脫氣工藝干式(機械)真空系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（簡稱機械真空技術(shù)），近年來在國內(nèi)外各大鋼廠得到越來越多應(yīng)用，用以替代傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用的蒸汽噴射式真空泵。該技術(shù)采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產(chǎn)生真空將廢氣排出系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的蒸汽噴射泵，可節(jié)能90%以上，在2012年被國家發(fā)展和改革委員會納入《國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄(第5批)》，在全國范圍內(nèi)重點推廣。

寶鋼特鋼有限公司是寶鋼集團的全資子公司，專門從事高溫合金、鈦合金等特種材料的生產(chǎn)，其煉鋼產(chǎn)線采用的爐外精煉真空工藝即VD法，由燃氣鍋爐房提供蒸汽，使用多級蒸汽噴射泵、同時配套水處理系統(tǒng)來處理含塵污水和冷卻熱水。由于蒸汽通過鍋爐燃燒天然氣生產(chǎn)供應(yīng)，相比傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)利用余熱生產(chǎn)蒸汽，成本極高。為降低煉鋼抽真空成本，提高產(chǎn)品競爭力，寶鋼特鋼從2011年起關(guān)注跟蹤機械真空技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，經(jīng)過一年多的技術(shù)調(diào)研、交流和實地考察，于2013年決定以合同能源管理模式實施煉鋼產(chǎn)線VD爐真空脫氣系統(tǒng)的機械真空節(jié)能改造。

1 干式機械真空泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)蒸汽噴射泵系統(tǒng)的比較

1.1 工作原理

蒸汽噴射泵是根據(jù)質(zhì)量傳輸?shù)墓ぷ髟恚蓜恿φ羝ㄟ^拉瓦爾噴嘴噴射產(chǎn)生低壓區(qū)，該低壓區(qū)將工藝廢氣吸入噴射泵，推動混合氣體前行。

干式機械泵真空系統(tǒng)采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產(chǎn)生真空將廢氣排出系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)性能比較[1]

（1）節(jié)能減排

機械效率決定了干式機械泵真空系統(tǒng)與蒸汽噴射泵系統(tǒng)相比具有較高的效率，目前國內(nèi)干式機械泵真空系統(tǒng)市場中承諾的節(jié)能效果可達90%以上。

干式機械泵的運行即不依賴于水也不產(chǎn)生水的污染。因此不需要蒸汽鍋爐、蒸汽輸送管路，以及相應(yīng)的設(shè)備、場地投資和相關(guān)的人工費用。由于沒有污水產(chǎn)生，也不需要污水處理系統(tǒng)，與蒸汽噴射泵系統(tǒng)相比，干式機械泵系統(tǒng)的運行噪音非常低。

（2）生產(chǎn)運行

機械泵由于不需要鍋爐、水處理等配套設(shè)施，僅消耗電能，故相比蒸汽泵其運行成本可低90%以上。

機械泵可以通過變頻器控制泵的運行速度，可實現(xiàn)脫氣工藝過程的精確控制，保證在所有壓力范圍的壓力設(shè)定點穩(wěn)定的工作性能，并可以實現(xiàn)真正的自動操作。

機械泵的體積流量不受氣體的密度（壓力）的影響，而蒸汽泵的質(zhì)量流量隨氣體的密度（壓力）變化而變化，可實現(xiàn)在脫氣工藝各壓力區(qū)間（階段）工作穩(wěn)定，脫氣效果不會隨真空度降低而降低。

（3）設(shè)備維護

機械泵由于系統(tǒng)配套設(shè)備少、易耗件少，故相比蒸汽泵其系統(tǒng)維護量小，僅需每年更換機械泵油和定期更換過濾器袋，使得系統(tǒng)和設(shè)備的使用率高。

機械泵配套過濾器下方有干式粉塵收集罐，可實現(xiàn)粉塵自動清掃，而無需用水清理粉塵并配套水處理站。

（4）性能提升

干式機械泵真空系統(tǒng)產(chǎn)生的真空度（曲線）是精確和可復(fù)制的。

長時間和穩(wěn)定的真空條件，可以適用于所有金屬冶煉的所有反應(yīng)和過程。

2 國內(nèi)外干式機械真空系統(tǒng)的供應(yīng)商及其技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 國內(nèi)外干式機械真空系統(tǒng)的供應(yīng)商

全球目前約有40套左右的真空脫氣系統(tǒng)采用了干式機械真空泵，在德國Lech-Stahlwerke GmbH工廠有1臺由MTAG公司設(shè)計制造的90 t VD真空系統(tǒng)，已經(jīng)穩(wěn)定運行了9 a且無大修記錄。國外主要供應(yīng)商：

（1）瑞士MTAG ，截至2011年一共有VD，VOD投產(chǎn)業(yè)績14臺；

（2）羅馬尼亞阿德萊姆Adrem ，約有10臺VD業(yè)績。

國內(nèi)主要供應(yīng)商：

（1）重慶鋼鐵公司設(shè)計院（購買阿德萊姆Adrem技術(shù)）；

（2）阿德萊姆Adrem包頭；

（3）杭州西湖真空所；

（4）上海寬量節(jié)能（聯(lián)合瑞士MTAG進行合同能源管理模式）。

2.2 干式機械真空系統(tǒng)的技術(shù)比較[2]：

任何一個機械真空脫氣系統(tǒng)，其真空罐內(nèi)最終的真空度要求（通常為67Pa）與大氣壓之間的壓差為真空脫氣系統(tǒng)為一恒定值；機械真空泵系統(tǒng)所要產(chǎn)生的總壓縮比也為恒定值。因此，機械真空泵系統(tǒng)所采用的泵級數(shù)越多，每級泵的工作負荷越小、所需的壓縮比越小。即泵本身和氣體產(chǎn)生的溫升越小。反之，機械泵系統(tǒng)的泵級越小，其每級泵所需的壓縮比就越高，其系統(tǒng)內(nèi)工藝廢氣產(chǎn)生溫升就越大。目前干式機械真空系統(tǒng)的技術(shù)主要有兩種，其技術(shù)特點見表1。

3 國內(nèi)干式機械真空技術(shù)應(yīng)用案例

（1）重鋼210 t RH干式機械泵真空脫氣系統(tǒng)

表1 干式機械真空系統(tǒng)的技術(shù)比較

重鋼210 t RH干式機械泵真空脫氣系統(tǒng)2010 年6月建成后調(diào)試周期經(jīng)歷了將近2 a。期間發(fā)生過多次因為外方設(shè)計的過濾器不合理，過濾粉塵不達標(biāo)造成泵組損壞，泵組負荷過高超溫停機或損壞的事故。雖然通過修改過濾器結(jié)構(gòu)，增加備用泵組，加強冷卻等改進通過了驗收，但是整個泵組系統(tǒng)多達76臺泵，而且需要安裝在有大功率空調(diào)制冷系統(tǒng)的泵房內(nèi)。表明盡管已經(jīng)有了水冷系統(tǒng)但是其溫度控制始終是一個比較大的問題。

（2）包鋼120 t VD干式機械泵真空脫氣系統(tǒng)由羅馬尼亞阿德萊姆Adrem設(shè)計并制造。調(diào)試周期用了10個月。期間主要發(fā)生的問題是，在工藝規(guī)定的時間內(nèi)達不到規(guī)定的真空度、泵組的超溫報警等。后通過增加輔助泵機，同時增加備用泵機的辦法解決。

4 寶鋼特鋼干式機械真空技術(shù)應(yīng)用情況

4.1 寶鋼特鋼設(shè)備現(xiàn)狀

對于特種鋼的生產(chǎn)，必須采用爐外精煉工藝，如真空脫氣（VD）或真空吹氧脫碳（VOD）工藝來減少鋼中的雜質(zhì)。在真空脫氣（VD）工藝中，在壓力低于100 Pa真空度狀態(tài)下，降低熔鋼中溶解的氣體（主要是氫氣），以提高鋼材的強度和耐腐蝕性。

寶鋼特鋼作為寶鋼集團的特鋼生產(chǎn)基地，其煉鋼產(chǎn)線現(xiàn)有VD爐2臺，由燃氣鍋爐房供應(yīng)蒸汽，使用多級蒸汽噴射泵、同時配套水處理系統(tǒng)。其年設(shè)計能力41.1萬t。

4.2 技術(shù)方案選擇

寶鋼特鋼于2013年1月采用瑞士MTAG公司的技術(shù)，以合同能源管理模式，實施干式機械真空節(jié)能改造。

根據(jù)寶鋼特鋼煉鋼VD爐的生產(chǎn)工況條件，量身設(shè)計一套機械真空系統(tǒng)，按4級16臺真空泵設(shè)計，可供61號、62號2臺VD爐共用，設(shè)計能力為28萬t/a。拆除原有2臺蒸汽噴射泵的其中1臺，保留1臺，以備同步抽氣使用。所有工藝參數(shù)均可達到或優(yōu)于原系統(tǒng)。

4.3 應(yīng)用效果

寶鋼特鋼煉鋼VD爐機械真空節(jié)能改造歷時9個月完成設(shè)計、設(shè)備采購、制作、土建施工以及設(shè)備安裝，又歷時3個月先后完成機械真空泵系統(tǒng)的冷態(tài)調(diào)試驗收和熱態(tài)調(diào)試驗收，于2014年4月正式投運，投運至今1年多的時間內(nèi)設(shè)備運行穩(wěn)定，工藝參數(shù)完全滿足煉鋼VD爐生產(chǎn)工藝要求。在節(jié)能驗收期內(nèi)，相比原來的蒸汽泵系統(tǒng)節(jié)能率高達97%以上。

（1）冷態(tài)調(diào)試結(jié)果

寶鋼特鋼機械真空系統(tǒng)包括由羅茨泵和螺桿泵組成的真空泵組、過濾除塵裝置和公輔系統(tǒng)等，按4級16臺真空泵設(shè)計，其中第一級9臺羅茨泵，第二級2臺羅茨泵，第三級1臺羅茨泵，第四級4臺螺桿泵。在冷態(tài)調(diào)試時，對整個機械真空系統(tǒng)的各部件設(shè)備進行性能調(diào)試，其中從真空罐至機械泵組的系統(tǒng)泄漏率僅為約9 kg/h。無負載情況下，從大氣壓抽至67 Pa的時間僅為約280 s，極限真空度可達0.3 hPa。

（2）熱態(tài)調(diào)試結(jié)果

熱態(tài)調(diào)試時，在寶鋼特鋼煉鋼VD爐主要生產(chǎn)的GCr5、MnCr5系列、H13、17CrNiMo6和SW718H等5大類鋼種中各考核3個爐號，對機械泵抽氣開始至真空度≤67Pa的時間、極限真空度以及脫氫、氮、氧能力進行測試。經(jīng)測試，所有的性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求，特別是脫氫在實際真空處理后達到了超預(yù)期的效果（＜0.5 mg/L）。

（3）節(jié)能效果

寶鋼特鋼原來蒸汽泵系統(tǒng)使用的蒸汽是由燃氣鍋爐生產(chǎn)供應(yīng)，其工作時需要過熱蒸汽，通過蒸汽的過熱度來實現(xiàn)真空脫氣，故在其生產(chǎn)前需要通過鍋爐燃燒將蒸汽壓力提高至約1.0 MPa。雖然燃氣鍋爐房距離煉鋼VD爐生產(chǎn)現(xiàn)場不足200 m，但通過蒸汽管道將蒸汽從鍋爐房送至VD爐依然存在較大的熱損失，在VD爐生產(chǎn)時的蒸汽壓力僅約為0.7～0.8 MPa。而蒸汽泵利用蒸汽過熱度真空脫氣后，蒸汽乏汽則大量放散無法利用，所以整個蒸汽泵系統(tǒng)能源利用效率較低。另外，蒸汽泵系統(tǒng)還產(chǎn)生大量的充滿粉塵的廢水，此種廢水需要進行冷卻處理，故需要配套循環(huán)冷軋水處理系統(tǒng)，配置水泵、風(fēng)機進行強制循環(huán)冷卻，需要消耗大量的電能、循環(huán)水的補充新水以及水處理設(shè)施的藥劑和運維費用，所以蒸汽泵系統(tǒng)的使用成本很高。特別值得提出的是：蒸汽噴射泵要求定期停產(chǎn)，清理噴射泵內(nèi)的粉塵沉積層，勢必影響生產(chǎn)，會帶來成本的增加和生產(chǎn)能力的降低。而且，蒸汽噴射泵粉塵需要在熱井中沉淀，但這種回收水無法再變成無粉塵水，這種有腐蝕作用的帶有粉塵顆粒的水流經(jīng)管道和閥門，時間久了就容易損壞管道而導(dǎo)致漏水。

機械真空泵系統(tǒng)僅需要拖動機械真空泵組運轉(zhuǎn)的電能，除塵系統(tǒng)吹掃用的壓縮空氣，以及儀表用的氮氣等。其沒有蒸汽輸送以及放散損失，也沒有配套水處理設(shè)施強制循環(huán)冷卻所需的各類消耗，故相比蒸汽泵系統(tǒng)，其能源利用效率極高，能源使用成本也極低。在節(jié)能驗收期間，共抽氣269爐，抽氣鋼產(chǎn)量11 415 t，消耗電27 209 kWh，消耗壓縮空氣8 320 m3，消耗氮氣3 168 m3，能耗共10.31 tce，實際工序能耗0.90 kgce/t，節(jié)能率高達97%以上，噸鋼能源成本僅為1.9元/t，年經(jīng)濟效益可達1 200余萬元。

5 結(jié)語

隨著資源環(huán)境壓力的日益增大，節(jié)能環(huán)保水平已成為鋼鐵企業(yè)體現(xiàn)其競爭力的重要組成部分。國家將充分利用節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)促進鋼鐵業(yè)過剩、落后產(chǎn)能的退出。因此，節(jié)能環(huán)保水平將成為鋼鐵企業(yè)最主要的生命線。面對越來越大的節(jié)能減排和環(huán)保壓力，企業(yè)如何踐行環(huán)境經(jīng)營理念，以盡可能低的能源成本和全新的商業(yè)模式支撐企業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為一大課題。

寶鋼特鋼以合同能源管理模式實施機械真空節(jié)能改造，取得了良好的節(jié)能效果，有效降低了能源使用成本，提高了產(chǎn)品競爭力，也用實踐證明機械真空技術(shù)節(jié)能降本優(yōu)勢明顯，是一項革命性的節(jié)能新技術(shù)，且在技術(shù)新能上隨著機械泵大型化及變頻技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，可實現(xiàn)真空度精確控制，設(shè)備維護量小，可隨時啟停，特別是在鋼水脫氫方面明顯優(yōu)于蒸汽噴射泵。

[1] 雷貴民，郝宏偉．VD/VOD 爐用的新型機械真空泵系統(tǒng)[J]．工業(yè)加熱，2013,(05)．

[2] 馬立華，胡兵．機械真空泵裝置在RH精煉中的應(yīng)用實踐[J]．重鋼技術(shù)，2014,(04)．

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動態(tài)

加拿大研發(fā)成功高能量長壽命的石墨烯硅基鋰電池

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授的科研團隊協(xié)同加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司成功開發(fā)一種石墨烯硅基鋰離子電池技術(shù)，這項技術(shù)采用55%以上的硅材料作為負極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過簡單高溫處理，實現(xiàn)電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，其內(nèi)部各材料間的相互協(xié)同效應(yīng)解決了硅材料的體積膨脹、電導(dǎo)率低等問題，所測試的電化學(xué)性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提高了6～7倍，循環(huán)壽命達到2200次以上。 （電池網(wǎng)）

Mechanical Vacuum Technology Application in BaoSteel Special-Steel VD Boiler

Zhang Hui
BaoSteel Special-Steel Co.,Ltd Energy Environment Protection Department

Mechanical vacuum technology is easy for everyone and the first choice of large scale vacuum degassing system due to its precise control, reliable operation, energy saving and environmental protection. The article introduces aoSteel Special-Steel uses energy management contract mode to implement mechanical vacuum energy conservation renovation, which replaces original steam jet pump with mechanical vacuum pump. It puts forward application case and effect.

VD Boiler, Mechanical Vacuum Pump, Steam Jet Pump

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.010

節(jié)能工程與經(jīng)濟 Energy Conservation Engineering and Economic