提高300 t轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽綜合利用效益

尹天平

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

轉(zhuǎn)爐是目前國內(nèi)外鋼廠煉鋼的主要手段，在鋼鐵生產(chǎn)中占著絕對的比重。隨著我國鋼企面臨能源和環(huán)保雙重壓力的不斷加劇，轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽回收和綜合再利用的技術(shù)也得到了大力的發(fā)展和應(yīng)用。它可以提高企業(yè)的節(jié)能降耗、降本增效和環(huán)境保護(hù)的能力，也是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼的有效途徑。但據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)對余熱蒸汽還普遍存在回收低效、利用率不高的情況。因回收的余熱焓值低，造成實際能源回收率低；甚至出現(xiàn)沒有合適的用戶，所回收的蒸汽又被大量放散，造成能源浪費。

馬鋼“十一五”新建三座300 t轉(zhuǎn)爐和配套的兩座RH精煉爐建成投產(chǎn)后，應(yīng)國家環(huán)保節(jié)能政策以及企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，于2007年9月和2010年10月分別實施了，轉(zhuǎn)爐蒸汽直供RH真空噴射泵使用和氧槍孔密封改造，并成功地投入使用，對大型鋼廠進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)爐蒸汽綜合利用效益具有很好的借鑒意義。

1 轉(zhuǎn)爐余熱系統(tǒng)

2007及2012年馬鋼四鋼軋經(jīng)兩期工程總建成三座300 t轉(zhuǎn)爐，配套日本最新一代OG技術(shù)和裝備，以及引進(jìn)了VAI兩座平移雙工位RH真空精煉爐。

轉(zhuǎn)爐OG汽化系統(tǒng)，如圖1所示。其主要由除氧器、汽包、泵組和閥門組成。除氧器是整個汽化系統(tǒng)用水的源頭，其水為脫鹽水站。除氧器水位由氣動調(diào)節(jié)閥自動控制補(bǔ)水；同時通入蒸汽加熱完成除氧。除氧器容器內(nèi)存儲的水有兩個用處：一是供低壓循環(huán)系統(tǒng)，冷卻裙罩和夾套；二是為汽包供水，通過汽包給水泵和補(bǔ)水閥組給汽包供水。

汽包給水泵通過管路閥門將除氧器中的脫鹽水送至汽包，再由高壓循環(huán)泵加壓供給各段煙道，然后與流經(jīng)冷卻煙道的高溫?zé)煔獍l(fā)生熱量置換。各段冷卻煙道內(nèi)的冷卻水吸收大量的熱量后，形成水汽混合物。由于水蒸氣相對于水的密度較小，于是在重力的作用下，蒸汽在蒸發(fā)管內(nèi)上升，通過汽化上升管進(jìn)入汽包，經(jīng)水汽分離和調(diào)壓閥調(diào)整壓力后送至蓄熱器、RH、蒸汽管網(wǎng)、除氧器加熱以及氧槍孔密封等各處。

圖1 轉(zhuǎn)爐汽化系統(tǒng)示意圖

其中，P1為汽包壓力調(diào)節(jié)閥，P2為轉(zhuǎn)爐送RH蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，P3為轉(zhuǎn)爐送公司管網(wǎng)蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，P4為OG除氧器加熱和氧槍孔密封用蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，P0為RH真空主調(diào)節(jié)閥，P5為管網(wǎng)壓力。

2 轉(zhuǎn)爐供RH蒸汽系統(tǒng)

RH真空處理的主要任務(wù)是脫氣,并通過鋼水循環(huán)使得非金屬夾雜物上浮、均勻鋼水成分和溫度,同時通過加料系統(tǒng)使其具有脫氧、脫碳、脫硫和脫磷功能，同時具有合金微調(diào)和溫度調(diào)整的功能[1]。

真空泵系統(tǒng)是RH的核心部分，設(shè)計為三級增壓五級全蒸汽噴射泵真空泵。E1、E2和E3增壓泵依次串聯(lián)于冷凝器C1。C1、C2和C3冷凝器之間分別安裝有E4/E4a和E5/5a平行泵，為了生成高度真空經(jīng)濟(jì)運行，當(dāng)E3-E1依次打開時，平行噴射泵E4a和E5a將關(guān)閉，其工作模式見表1。

表1 蒸汽噴射泵系統(tǒng)的常用工作模式

煉鋼廠轉(zhuǎn)爐蒸汽供應(yīng)RH精煉爐真空處理一般有兩種方式。一種是大型轉(zhuǎn)爐，管網(wǎng)蒸汽經(jīng)過蓄熱器緩沖供RH使用。由于RH蒸汽需求量很大，對蒸汽管網(wǎng)的耐壓能力和管容要求高。因此，所需設(shè)備投資大和維護(hù)費用高。另外一種就是小型轉(zhuǎn)爐，因汽化系統(tǒng)運行壓力低蒸汽含水量大，不宜直接供RH使用，必須加熱處理后才能使用[2]，該方法的缺點是設(shè)備投入大、運行成本也高。

而馬鋼四鋼軋煉鋼汽化系統(tǒng)經(jīng)汽包壓力調(diào)節(jié)閥，可以將運行壓力調(diào)整至3.0 MPa，生成中壓飽和蒸汽，經(jīng)P2減壓形成過熱蒸汽，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽直供RH真空系統(tǒng)的噴射泵使用。為了滿足RH真空處理蒸汽供應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定的高要求，在供汽安保和壓力控制兩方面對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 RH供汽安保

為防止轉(zhuǎn)爐停爐檢修，或事故等因素造成蒸汽供應(yīng)中斷的發(fā)生，在轉(zhuǎn)爐供RH蒸汽管路的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)又增設(shè)了一路公司蒸汽管網(wǎng)汽源。這樣系統(tǒng)便構(gòu)成了轉(zhuǎn)爐和管網(wǎng)兩路并聯(lián)運行汽的源，而且可依據(jù)兩路汽源壓力的大小實現(xiàn)自動進(jìn)汽匹配和無干擾切換。若P2調(diào)壓閥的閥后壓力小于管網(wǎng)p5值，即P2＜P5，則RH真空蒸汽主要由管網(wǎng)提供；若P2=P5，則RH用汽量各占一半；若P2＞P5，則由轉(zhuǎn)爐提供蒸汽。

轉(zhuǎn)爐供RH壓力調(diào)閥P1設(shè)定值為1.3 MPa時，以2018年4月份為例，24 h為單位統(tǒng)計，將3座轉(zhuǎn)爐的蒸汽回收量（單位：kg/t鋼）、平均回收量以及RH內(nèi)網(wǎng)蒸汽使用比例繪制成折線，如圖2轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽回收及使用統(tǒng)計所示。轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)生為98.7 kg/t鋼，RH使用轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽比列達(dá)97.9%。

除直供RH外，轉(zhuǎn)爐多余的余熱蒸汽送至5套149 m3蓄熱器存儲，待轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)間隙再持續(xù)釋放出來，供RH使用。這樣就為間隙性生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)了持續(xù)向RH供汽提供了保障。

因此，本文采取蓄熱續(xù)汽和氣源并行的方式，構(gòu)建了RH真空蒸汽安保系統(tǒng)。

2.2 汽源壓力控制

實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐汽源的壓力波動以及RH真空起始階躍抽氣，對系統(tǒng)壓力精度控制影響巨大，采用常規(guī)PID控制很難保證供汽品質(zhì)。結(jié)合了模糊控制和常規(guī)PID兩者的優(yōu)點，轉(zhuǎn)爐供RH蒸汽壓力調(diào)閥P1采用了模糊PID控制，比列、積分和微分三控制參數(shù)具有一定的在線整定功能[3]，從而提高了壓力控制品質(zhì)，減小了系統(tǒng)的超調(diào)量和誤差，縮短了上升時間和調(diào)節(jié)時間，如圖3所示。其中白色直線為壓力設(shè)定值1.3 MPa，白色曲線為壓力過程值，藍(lán)線為RH蒸汽用量。

圖3 P1模糊PID控制

在轉(zhuǎn)爐送RH蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥P2目標(biāo)壓力設(shè)定為1.3 MPa的條件下，分別采集改進(jìn)前后連續(xù)110爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，控制算法改進(jìn)前閥后實際壓力波動范圍為1.05～1.55 MPa，平均誤差為19.23%；而改進(jìn)后，現(xiàn)實際壓力波動范圍為1.210～1.397 MPa，平均誤差為4.07%，取得了顯著的控制效果。

該項目改造投入少，通過轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽供RH這種子網(wǎng)自給自足的模式，可減輕公司蒸汽管網(wǎng)運行壓力，提高能源利用效率，降低鋼廠生產(chǎn)成本。以2018年4月生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：RH平均處理時間為1496 s/爐，即0.4155 h/爐，平均消耗蒸汽流量44 t/h，平均用汽18.282 t/爐，平均用汽量0.06 t/t鋼，管網(wǎng)與轉(zhuǎn)爐蒸汽成本差價6元/t，RH產(chǎn)量是35.6萬t，當(dāng)月因RH直接使用轉(zhuǎn)爐蒸汽的成本就節(jié)省了12.816萬元人民幣，一年可節(jié)省150萬元以上。另外，還減少了轉(zhuǎn)爐蒸汽的放散。與國內(nèi)其他鋼廠利用蓄熱器使用轉(zhuǎn)爐蒸汽技術(shù)相比，該優(yōu)點是：該技術(shù)不受蓄熱器壓力波動的限制和減少低壓蒸汽加熱裝置的投資。

目前，該裝置已在我們馬鋼三座300 t轉(zhuǎn)爐對兩座RH的蒸汽使用上得到應(yīng)用，在大中型鋼廠具有很好的應(yīng)用前景，值得大力推廣。

3 轉(zhuǎn)爐蒸汽供氧槍孔密封

轉(zhuǎn)爐氧槍套氣封介質(zhì)原為低壓氮氣，氮氣壓力為0.4～0.6 MPa，每座轉(zhuǎn)爐氧槍套氣封用氮氣流量為4500 m3/h，氮氣消耗量大，生產(chǎn)成本高，另外，從公司介質(zhì)系統(tǒng)平衡情況來看，因氮氣消耗量大，而氧氣消耗相對較少，為了滿足氮氣用戶的需求，公司必須多開制氧機(jī)組，造成能源浪費，為了降低成本節(jié)約能源，2010年決定對轉(zhuǎn)爐氧槍套氮封進(jìn)行改造，用轉(zhuǎn)爐自身產(chǎn)生的蒸汽替代氧槍氮封用的低壓氮氣。

氧槍孔蒸汽封的汽源若直接取自轉(zhuǎn)爐汽包輸出管路，因壓力差太大必須設(shè)置減壓閥組，將汽包輸出壓力3.0 MPa降為0.5 MPa才能滿足其使用要求。為了節(jié)約成本，我們將氧槍孔密封汽源設(shè)計為除氧器加熱總管調(diào)節(jié)閥P4的閥后管路，其管徑和閥后壓力等級完全符合用汽要求。經(jīng)過反復(fù)試驗，氧槍套密封效果良好，可有效控制轉(zhuǎn)爐氧槍口火焰和煙氣的外溢，對減少環(huán)境污染和保護(hù)相關(guān)設(shè)備都取得了較好的效果。

采用轉(zhuǎn)爐自身產(chǎn)生的蒸汽代替低壓氮氣對氧槍套進(jìn)行密封，該技術(shù)在大型轉(zhuǎn)爐上是首次應(yīng)用，屬技術(shù)創(chuàng)新。其使用效果、蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計以及蒸汽消耗量指標(biāo)等的技術(shù)水平處于同行業(yè)之首，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐氧槍口均采用低壓氮氣密封，消耗氮氣量大，不利于節(jié)能降耗，本技術(shù)可推廣到所有轉(zhuǎn)爐，特別是大型轉(zhuǎn)爐，將會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)原設(shè)計氮封計算每座轉(zhuǎn)爐氧槍密封用蒸汽量。已知氧槍氮封用氣流量為4500 m3/h，氮氣壓力0.5 MPa，則轉(zhuǎn)化為工作狀態(tài)的氮氣流量為4500/5=900 m3/h，查蒸汽密度表可知0.5 MPa的飽和蒸汽密度為2.5 kg/m3，則所需蒸汽流量為900 m3/h×2.5 kg/m3=2.25 t/h。若轉(zhuǎn)爐吹煉周期為18 min，每爐可節(jié)省1350 m3氮氣，單價0.3元，單爐節(jié)省405元，按照2017年796萬t鋼產(chǎn)量計算，年可節(jié)約成本約1040萬元。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐煉鋼時會產(chǎn)生大量的飽和蒸汽，其中大部分放散，造成非常大的能源浪費。通過在轉(zhuǎn)爐和RH爐之間設(shè)置一套蒸汽轉(zhuǎn)換裝置，解決了RH爐生產(chǎn)需要過熱蒸汽的問題，使轉(zhuǎn)爐蒸汽得到了充分利用，在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，也滿足了節(jié)能減排的要求。馬鋼第四鋼軋總廠的兩座RH精煉爐使用轉(zhuǎn)爐自產(chǎn)蒸汽達(dá)97.9%以上；同時，氧槍孔密封用氮氣已全部由蒸汽取代。通過以上應(yīng)用有效解決了轉(zhuǎn)爐蒸汽大量放散能源浪費問題；又提高了蒸汽有效利用率。這對提高公司經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會效益都有重要意義。