中國儲能網(wǎng)訊：轉(zhuǎn)爐煉鋼間歇性高溫煙氣余熱屬于高品位熱能資源，目前廣泛采用的轉(zhuǎn)爐煙道汽化余熱鍋爐將高溫熱能轉(zhuǎn)化為低品位的低壓飽和蒸汽，通過蒸汽儲熱器實現(xiàn)連續(xù)蒸汽輸出，用于低溫低壓飽和蒸汽發(fā)電，余熱資源利用效率低；采用熔鹽儲能技術可以將間歇性高溫余熱資源轉(zhuǎn)化為連續(xù)可調(diào)可控的高溫蒸汽熱能，大幅增加發(fā)電功率和效率，改善余熱發(fā)電的經(jīng)濟性，也能夠提高余熱發(fā)電的靈活性，滿足負荷跟蹤和電網(wǎng)調(diào)峰需求。
1、技術背景
我國鋼鐵行業(yè)大力發(fā)展和推廣余熱發(fā)電技術是促進鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術升級和結構調(diào)整、提高環(huán)境保護和資源綜合利用水平的有效途徑，也是鋼鐵企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品市場競爭力的重要途徑。
目前鋼鐵企業(yè)連續(xù)性可利用余熱及易于回收的余熱大都已實施了回收利用措施，而煉鋼環(huán)節(jié)中存在的大量溫度、流量、壓力等參數(shù)波動較大的間歇性余熱難以得到高效利用，即使采用了儲熱裝置來滿足連續(xù)發(fā)電的要求，但由于熱源不穩(wěn)定，難以形成高溫高壓的高品質(zhì)蒸汽，只能采用低參數(shù)飽和蒸汽輪機發(fā)電，導致發(fā)電效率低下，而且運行方式只能以余熱定蒸汽量，不能靈活調(diào)節(jié)電力輸出，無法滿足電力調(diào)峰需求。
2、技術方案
鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是產(chǎn)生間歇性余熱的主要環(huán)節(jié)，在一個冶煉周期內(nèi)，分為裝料、吹煉和出鋼三個步驟，把裝入的鐵水經(jīng)過吹氧，完成降碳、升溫、脫磷等高溫物理化學反應，最后排出大量的CO、CO2等高溫廢氣，這種工藝決定了轉(zhuǎn)爐高溫煙氣具有間歇性，波動性和周期性[1，2]，如下圖1所示
圖1 轉(zhuǎn)爐煙氣流量及溫度曲線
轉(zhuǎn)爐煉鋼排出的大量CO、CO2廢氣溫度高達1400-1600℃，能耗約占整個鋼鐵生產(chǎn)中能耗的8%~14%，僅次于煉鐵工序，其中45%的能耗以廢氣的散熱形式直接排放到大氣中，不僅造成環(huán)境的污染，而且浪費了大量的優(yōu)質(zhì)高溫熱能資源[3]。
2.1 基于蒸汽儲熱器的余熱發(fā)電方案
某鋼鐵廠有3臺80t/h轉(zhuǎn)爐，采用煙道蒸汽余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽32t/h。由于轉(zhuǎn)爐煙氣和余熱鍋爐蒸汽的間歇性和波動性特點，方案采用蒸汽儲熱器實現(xiàn)蒸汽輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)工藝圖如下圖2所示[4，5，6]。
圖2 基于蒸汽儲熱的轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝圖
如上圖所示，基于蒸汽儲熱器的轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括汽化冷卻煙道余熱鍋爐、飽和蒸汽輪機、發(fā)電機三大主體設備及蒸汽儲熱、排氣冷卻(空冷系統(tǒng)或水冷系統(tǒng))、給水除氧三大汽水系統(tǒng)。
汽化煙道余熱鍋爐采用水/中低壓蒸汽作為換熱介質(zhì)，蒸汽壓力為0.8-1.3Mpa，轉(zhuǎn)爐煉鋼期間產(chǎn)生的平均蒸汽流量為10.6t/h，3臺合計32t/h。
蒸汽儲熱器入口蒸汽壓力為1.0~1.3MPa，出口蒸汽壓力為0.4~0.6 MPa，有效儲熱體積為200m3。
轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)通常配置中小容量飽和汽輪機組，各有關設計變量的選取參考設計手冊及現(xiàn)場運行經(jīng)驗獲取[4]，進汽壓力為0.5MPa，排汽壓力為8kPa。根據(jù)飽和蒸汽輪機進汽參數(shù)，查表得到進汽焓h0為2748.5kJ/kg；根據(jù)排汽壓力并計算蒸汽等熵焓降的理論排汽焓為2124.3kJ/kg，根據(jù)參考文獻[7]，取汽輪機內(nèi)效率為0.75，可計算得到汽輪機實際排汽焓hc為2280.4kJ/kg，按照如下公式，計算汽輪機發(fā)電功率為3643kW。
上式中，Pe為汽輪機發(fā)電功率，單位是kW，CD為蒸汽流量修正系數(shù)0.96，D為蒸汽流量，ηm為汽輪機機械效率0.95，ηg為發(fā)電機效率0.96。
2.2基于熔鹽儲熱的余熱發(fā)電方案
為充分利用轉(zhuǎn)爐煙氣的高溫余熱，進一步提高優(yōu)質(zhì)高溫熱能的利用效率，基于熔鹽儲熱的轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電方案需要將現(xiàn)有的汽化煙道余熱鍋爐改造為熔鹽余熱鍋爐，將換熱介質(zhì)由飽和蒸汽改為熔融態(tài)熔鹽，系統(tǒng)示意圖如下圖3所示。
圖3 基于熔鹽儲熱的轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝圖
煙道熔鹽余熱鍋爐將溫度和流量大幅波動的高溫煙氣熱量轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)熔鹽的顯熱，吸熱后溫度升高的高溫熔鹽送入高溫熔鹽罐；當系統(tǒng)需要發(fā)電時，將高溫熔鹽依次泵入熔鹽/蒸汽過熱器、熔鹽/水蒸發(fā)器和熔鹽/水的給水預熱器，逐級加熱給水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，換熱后的熔鹽溫度降低，送入低溫熔鹽罐，完成儲能循環(huán)；如需進一步提高發(fā)電效率，還可增加再熱器，如圖3所示。
熔鹽選用太陽能光熱發(fā)電中應用廣泛的二元熔鹽solar salt[8]，由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀組成，熔點為220℃，在600℃以下有良好的熱穩(wěn)定性。這種儲熱介質(zhì)有如下特性[9]：①使用溫度范圍290℃~550℃，熱穩(wěn)定性好；②低的蒸汽壓，熔鹽具有較低的蒸汽壓，特別是混合熔鹽，蒸汽壓更低；③熱容量大；④較低的粘度；⑤具有化學穩(wěn)定性。由于熔鹽的蒸汽壓力較低，余熱鍋爐換熱材料不必選用高壓厚壁材料，因此能夠降低余熱鍋爐的設計難度和制造成本。
根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼高溫煙氣的生產(chǎn)特點，熔鹽儲熱系統(tǒng)需要滿足間歇吸熱、持續(xù)放熱的要求；按照3臺80t/h轉(zhuǎn)爐的放熱量計算，熔鹽的總儲熱量為6MWh，熔鹽工作溫度區(qū)間290℃~550℃，熔鹽總量80t，熔鹽儲罐尺寸為Φ4m×3.2m，主設備技術參數(shù)如下表1所示。
表1熔鹽儲熱技術參數(shù)表
以穩(wěn)定的高溫熔鹽為熱源，可以方便的生產(chǎn)高溫高壓蒸汽，大幅增加余熱發(fā)電功率和效率。這里選用汽輪機進汽參數(shù)為高壓參數(shù)8.8MPa，535℃，進汽焓h0為3477 kJ/kg，取汽輪機內(nèi)效率為0.8，汽輪機實際排汽焓hc為2317 kJ/kg，計算得到汽輪機發(fā)電功率為7396kW，技術參數(shù)如下表2所示。
表2基于熔鹽儲熱方案的汽輪機技術參數(shù)表
3、經(jīng)濟性分析
3.1 主要技術參數(shù)對比
為充分利用轉(zhuǎn)爐煉鋼1400-1600℃間歇性高溫煙氣熱量，分別采用蒸汽儲熱器和熔鹽儲熱技術方案進行余熱發(fā)電系統(tǒng)設計，兩種技術方案的主設備方案有所不同，其中蒸汽儲熱器方案主設備主要有汽化余熱鍋爐，蒸汽儲熱器和汽輪發(fā)電機組；熔鹽儲熱方案主設備包括熔鹽余熱鍋爐，熔鹽儲熱設備，熔鹽/水換熱設備和汽輪發(fā)電機組，如下表3所示。
表3主設備技術參數(shù)對比表
從上表可以看出，在采用相同的余熱資源條件下，熔鹽儲熱方案能夠充分利用高溫余熱的高品位熱能，提高能量利用效率，發(fā)電量能夠達到蒸汽儲熱方案的2倍，具有較大的技術優(yōu)勢和高效能源利用優(yōu)勢。
3.2 經(jīng)濟性比較
（1）蒸汽儲熱器方案
蒸汽儲熱器方案的投資概算參考文獻[10]的相關數(shù)據(jù)，項目概算包括兩部分，主體部分包括土建、熱力、電氣、消防、儀表、煙道改造、給排水；廠房外圍部分包括熱力管道、給排水、暖通、電氣、總圖、儀表等，工程總投資為3988.41萬元，單位KW投資為9971萬元/KW。
發(fā)電收入方面，余熱發(fā)電運行小時按7500小時測算，電價為0.5元/kWh，廠用電率為7%，項目年發(fā)電收入為1271萬元，投資回收期為3.1年。
（2）熔鹽儲熱方案
轉(zhuǎn)爐煉鋼高溫余熱采用熔鹽作為換熱儲熱介質(zhì)，既可以保持高溫余熱的高品質(zhì)熱能，也能夠避免壓力換熱儲熱設備的使用，有效降低換熱和儲熱成本，并提高儲能密度，可以大幅提高高溫余熱的利用效率和項目經(jīng)濟性，項目概算工程總投資為5279.7萬元，單位千瓦投資為6599元/KW。
熔鹽儲熱方案的發(fā)電收入方面，按照發(fā)電時間7500小時，電價為0.5元/kWh，廠用電率為8%，項目年發(fā)電收入為2551.7萬元，投資回收期為2.1年。
2.3對比分析
從工程概算投資和發(fā)電量對比可知，采用熔鹽儲熱方案的發(fā)電量比蒸汽儲熱方案提高1倍，而投資僅增加32.3%，使投資回收期從3.1年減少到2.1年，顯著增加項目的經(jīng)濟性。
4、結論
我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，面臨著越來越嚴峻的資源、能源瓶頸制約，開展余熱余能的回收利用是降低鋼鐵生產(chǎn)能源消耗的有效方式，目前轉(zhuǎn)爐煉鋼的間歇性高溫余熱回收利用主要是通過轉(zhuǎn)爐煙道汽化余熱鍋爐回收熱能，采用蒸汽儲熱器存儲熱能，利用低品質(zhì)飽和蒸汽發(fā)電實現(xiàn)余熱的回收和利用，高溫熱能利用率不高，存在較大的能源浪費。
采用熔鹽余熱鍋爐回收高溫余熱，可以保持高溫余熱的高品質(zhì)熱能優(yōu)勢，降低高溫煙道換熱器設計難度和成本，采用高參數(shù)蒸汽發(fā)電，可以大幅提高發(fā)電量，有利于降低企業(yè)的發(fā)電成本，有利于鋼鐵企業(yè)降本增效，具有很好的市場推廣價值。
另外，采用熔鹽儲熱發(fā)電方案，可以快速調(diào)節(jié)蒸汽輸出、調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，具有很強的發(fā)電靈活性，適合跟蹤用電負荷波動，也可用于電網(wǎng)調(diào)峰。
參考文獻
[1]朱苗勇.現(xiàn)代冶金學[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2005，190-193.
[2]馮聚和.煉鋼設計原理[M]北京:化學工業(yè)出版社，2005:119-123.
[3]張芳.轉(zhuǎn)爐煉鋼[M].北京:化學工業(yè)出版社，2008
[4]趙斌.轉(zhuǎn)爐飽和汽輪機選型計算與分析[J].汽輪機技術，2010，52(1):l7-20
[5]王毅等. 鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)及設備研究[J].鋼鐵技術，2007，(2):56-58
[6]潘秀蘭等.轉(zhuǎn)爐煙氣回收和利用技術的最新進展[J]冶金能源，2010，(5):37-42
[7]小型熱電站實用設計手冊編寫組，小型熱電站實用設計手冊【M】，北京：中國電力出版社，1989.
[8] Craig E.TYNER， J. Paul Sutherland， William R. Gould. SOLAR TWO: A Molten Solar Power Tower Demonstration， Sandia National Laboratories， SAND95-1828C
[9] 謝剛. 熔鹽理論與應用【M】. 北京:冶金工業(yè)出版社， 1998. 1-9
[10] 李洪福. 煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收利用研究[D]. 山東大學， 2006.
