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轉(zhuan)爐(lu)(lu)煉鋼(gang)間歇性高(gao)溫(wen)煙氣余(yu)熱(re)(re)屬于(yu)高(gao)品(pin)位熱(re)(re)能資源(yuan)，目前廣泛采用(yong)的(de)轉(zhuan)爐(lu)(lu)煙道汽化余(yu)熱(re)(re)鍋爐(lu)(lu)將高(gao)溫(wen)熱(re)(re)能轉(zhuan)化為低(di)(di)品(pin)位的(de)低(di)(di)壓飽(bao)和蒸(zheng)汽，通過(guo)蒸(zheng)汽儲熱(re)(re)器實現連(lian)續蒸(zheng)汽輸(shu)出，用(yong)于(yu)低(di)(di)溫(wen)低(di)(di)壓飽(bao)和蒸(zheng)汽發電，余(yu)熱(re)(re)資源(yuan)利用(yong)效率。

采用熔鹽儲能技術可以將間(jian)歇性高(gao)溫(wen)(wen)余熱(re)資源轉(zhuan)化為連續(xu)可調可控的(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)蒸(zheng)汽(qi)熱(re)能，大幅增加發(fa)電(dian)功(gong)率和效率，改善(shan)余熱(re)發(fa)電(dian)的(de)(de)經濟(ji)性，也能夠提高(gao)余熱(re)發(fa)電(dian)的(de)(de)靈活性，滿足負荷跟蹤和電(dian)網調峰(feng)需求。

1、技術背景

我(wo)國鋼鐵行業大力(li)發展和(he)推廣(guang)余熱發電技術是促進鋼鐵產(chan)(chan)業技術升級(ji)和(he)結構調整、提高(gao)環(huan)境保護和(he)資源綜(zong)合(he)利用水平的有效途(tu)徑(jing)(jing)，也(ye)是鋼鐵企業提高(gao)產(chan)(chan)品(pin)質量(liang)和(he)降低生產(chan)(chan)成本(ben)，增強(qiang)產(chan)(chan)品(pin)市場競爭(zheng)力(li)的重(zhong)要途(tu)徑(jing)(jing)。

目(mu)前鋼(gang)鐵企業連(lian)續性可(ke)利用(yong)余熱及易于回(hui)收的(de)余熱大(da)都已實施了回(hui)收利用(yong)措施，而煉(lian)鋼(gang)環節中存在(zai)的(de)大(da)量(liang)溫度(du)、流量(liang)、壓(ya)力等參數波動較大(da)的(de)間歇性余熱難以得到高(gao)效利用(yong)，即使采用(yong)了儲熱裝置(zhi)來滿足連(lian)續發電(dian)(dian)的(de)要求(qiu)，但由于熱源不穩(wen)定，難以形成高(gao)溫高(gao)壓(ya)的(de)高(gao)品質(zhi)蒸(zheng)汽(qi)，只能采用(yong)低(di)參數飽和蒸(zheng)汽(qi)輪機(ji)發電(dian)(dian)，導致發電(dian)(dian)效率低(di)下，而且(qie)運(yun)行方式只能以余熱定蒸(zheng)汽(qi)量(liang)，不能靈活調節電(dian)(dian)力輸出，無法滿足電(dian)(dian)力調峰需求(qiu)。

2、技術方案

鋼(gang)鐵(tie)企(qi)業的轉(zhuan)(zhuan)爐煉鋼(gang)工(gong)藝(yi)是產(chan)生間歇性余熱的主要環節，在一個(ge)冶煉周期(qi)內，分為(wei)裝料、吹煉和出(chu)鋼(gang)三(san)個(ge)步驟，把裝入(ru)的鐵(tie)水(shui)經(jing)過吹氧，完成(cheng)降碳(tan)、升溫、脫磷(lin)等高溫物理(li)化學反應，最后排出(chu)大量的CO、CO2等高溫廢氣，這(zhe)種工(gong)藝(yi)決定了(le)轉(zhuan)(zhuan)爐高溫煙氣具有(you)間歇性，波(bo)動性和周期(qi)性，如下(xia)圖1所示(shi)

圖(tu)1：轉爐煙氣流(liu)量及溫度(du)曲線

轉(zhuan)爐煉鋼(gang)排(pai)(pai)出的(de)(de)大(da)量CO、CO2廢氣(qi)溫度高(gao)達1400-1600℃，能耗約占整個鋼(gang)鐵生產(chan)中能耗的(de)(de)8%~14%，僅(jin)次于煉鐵工序，其中45%的(de)(de)能耗以(yi)廢氣(qi)的(de)(de)散熱(re)形式(shi)直接(jie)排(pai)(pai)放到大(da)氣(qi)中，不僅(jin)造成環境(jing)的(de)(de)污染，而且(qie)浪費(fei)了(le)大(da)量的(de)(de)優(you)質高(gao)溫熱(re)能資源。

2.1基于蒸汽儲熱器的余熱發電方案

某(mou)鋼(gang)鐵廠(chang)有(you)3臺80t/h轉爐(lu)，采(cai)用(yong)煙道蒸(zheng)汽(qi)余熱鍋爐(lu)，產(chan)生(sheng)蒸(zheng)汽(qi)32t/h。由于轉爐(lu)煙氣和余熱鍋爐(lu)蒸(zheng)汽(qi)的間歇性和波(bo)動(dong)性特點，方案(an)采(cai)用(yong)蒸(zheng)汽(qi)儲熱器實現蒸(zheng)汽(qi)輸出(chu)的連續性和穩定(ding)性，系統工藝圖如(ru)下圖2所示。

圖(tu)2：基(ji)于蒸汽(qi)儲(chu)熱(re)的轉爐余熱(re)發電系(xi)統工藝圖(tu)

如上圖所(suo)示，基于蒸汽儲(chu)熱器(qi)的(de)轉爐(lu)余(yu)熱發(fa)電系統(tong)主要包括(kuo)汽化冷(leng)(leng)卻(que)煙道余(yu)熱鍋(guo)爐(lu)、飽和(he)蒸汽輪機、發(fa)電機三大(da)主體(ti)設備及蒸汽儲(chu)熱、排氣冷(leng)(leng)卻(que)(空冷(leng)(leng)系統(tong)或水冷(leng)(leng)系統(tong))、給水除氧三大(da)汽水系統(tong)。

汽(qi)(qi)化煙(yan)道余熱(re)鍋爐(lu)采用(yong)水(shui)/中(zhong)低壓(ya)(ya)蒸汽(qi)(qi)作(zuo)為換熱(re)介質(zhi)，蒸汽(qi)(qi)壓(ya)(ya)力為0.8-1.3Mpa，轉爐(lu)煉鋼期(qi)間產生的平均蒸汽(qi)(qi)流量為10.6t/h，3臺(tai)合計32t/h。

蒸(zheng)汽儲熱(re)器(qi)入口(kou)(kou)蒸(zheng)汽壓力(li)為(wei)1.0~1.3MPa，出(chu)口(kou)(kou)蒸(zheng)汽壓力(li)為(wei)0.4~0.6MPa，有效儲熱(re)體積為(wei)200m3。

轉爐余熱發電(dian)系(xi)統通(tong)常(chang)配置(zhi)中小容量飽和汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)組，各有關設計(ji)變量的選取(qu)參(can)(can)考(kao)設計(ji)手冊及現場(chang)運行經驗(yan)獲取(qu)，進汽(qi)(qi)(qi)(qi)壓力為(wei)0.5MPa，排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)壓力為(wei)8kPa。根據飽和蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)進汽(qi)(qi)(qi)(qi)參(can)(can)數，查表(biao)得到進汽(qi)(qi)(qi)(qi)焓h0為(wei)2748.5kJ/kg；根據排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)壓力并(bing)計(ji)算蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)等熵焓降的理論排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)焓為(wei)2124.3kJ/kg，根據參(can)(can)考(kao)文獻，取(qu)汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)內(nei)效(xiao)率為(wei)0.75，可計(ji)算得到汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)實際排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)焓hc為(wei)2280.4kJ/kg，按(an)照(zhao)如下(xia)公式，計(ji)算汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)發電(dian)功率為(wei)3643kW。

2.2基于熔鹽儲熱的余熱發電方案

為(wei)充(chong)分(fen)利(li)用轉爐(lu)(lu)煙(yan)氣的(de)高(gao)溫(wen)(wen)余熱(re)(re)，進一(yi)步提(ti)高(gao)優質高(gao)溫(wen)(wen)熱(re)(re)能的(de)利(li)用效率，基于熔鹽儲(chu)熱(re)(re)的(de)轉爐(lu)(lu)余熱(re)(re)發電方案需要將(jiang)現有的(de)汽化煙(yan)道余熱(re)(re)鍋爐(lu)(lu)改造為(wei)熔鹽余熱(re)(re)鍋爐(lu)(lu)，將(jiang)換熱(re)(re)介質由飽和蒸汽改為(wei)熔融態熔鹽，系統示(shi)(shi)意圖如(ru)下圖3所示(shi)(shi)。

煙(yan)道熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)余(yu)熱(re)鍋(guo)爐(lu)將溫(wen)(wen)(wen)度(du)和流量大幅波動的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)煙(yan)氣(qi)熱(re)量轉(zhuan)化為熔(rong)(rong)融態熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)顯(xian)熱(re)，吸熱(re)后(hou)溫(wen)(wen)(wen)度(du)升(sheng)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)送入(ru)(ru)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)罐；當系(xi)統需要發電時，將高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)依次泵(beng)入(ru)(ru)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)/蒸汽過熱(re)器(qi)、熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)/水蒸發器(qi)和熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)/水的(de)(de)(de)給水預熱(re)器(qi)，逐(zhu)級加熱(re)給水，產生高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)高(gao)(gao)壓蒸汽，換熱(re)后(hou)的(de)(de)(de)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)溫(wen)(wen)(wen)度(du)降(jiang)低，送入(ru)(ru)低溫(wen)(wen)(wen)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)罐，完成儲能循環；如需進一步提(ti)高(gao)(gao)發電效(xiao)率(lv)，還可增加再熱(re)器(qi)，如圖3所示。

圖3：基于熔鹽儲熱的轉爐余熱發(fa)電系統工(gong)藝(yi)圖

熔鹽選用太陽能(neng)光熱(re)發電中應用廣泛的(de)二(er)元熔鹽，由60%的(de)硝(xiao)酸鈉和(he)40%的(de)硝(xiao)酸鉀組成(cheng)，熔點為220℃，在600℃以下有(you)良好的(de)熱(re)穩(wen)定性(xing)。這種儲(chu)熱(re)介質有(you)如下特性(xing)：

①使用溫度范圍290℃~550℃，熱穩定性(xing)好；

②低(di)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)壓(ya)，熔鹽(yan)(yan)具(ju)有較(jiao)低(di)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)壓(ya)，特別(bie)是(shi)混(hun)合(he)熔鹽(yan)(yan)，蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)壓(ya)更(geng)低(di)；

③熱容量大；

④較低的粘度；

⑤具有化學穩定性。

由(you)于(yu)熔(rong)鹽(yan)的(de)蒸汽壓(ya)力較(jiao)低(di)(di)，余熱(re)鍋(guo)爐(lu)換熱(re)材料不必選用高壓(ya)厚壁(bi)材料，因(yin)此能夠(gou)降低(di)(di)余熱(re)鍋(guo)爐(lu)的(de)設(she)計難度和制(zhi)造成本。

根(gen)據轉爐煉鋼高溫(wen)煙氣的(de)生產(chan)特點，熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)儲(chu)熱(re)系統(tong)需要滿足間歇吸(xi)熱(re)、持續放熱(re)的(de)要求；按照3臺80t/h轉爐的(de)放熱(re)量(liang)計算，熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)的(de)總儲(chu)熱(re)量(liang)為(wei)6MWh，熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)工作溫(wen)度區(qu)間290℃~550℃，熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)總量(liang)80t，熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)儲(chu)罐(guan)尺寸為(wei)Φ4m×3.2m，主設備技術參(can)數如下(xia)表1所示。

表1：熔鹽儲熱技術參數(shu)表

以(yi)穩(wen)定(ding)的高溫(wen)熔鹽(yan)為(wei)熱源，可以(yi)方(fang)便的生產(chan)高溫(wen)高壓蒸汽(qi)，大(da)幅增加(jia)余(yu)熱發電(dian)功(gong)率(lv)和(he)效(xiao)(xiao)率(lv)。這里(li)選用汽(qi)輪機(ji)進汽(qi)參(can)(can)(can)數(shu)為(wei)高壓參(can)(can)(can)數(shu)8.8MPa，535℃，進汽(qi)焓(han)h0為(wei)3477kJ/kg，取汽(qi)輪機(ji)內效(xiao)(xiao)率(lv)為(wei)0.8，汽(qi)輪機(ji)實際排汽(qi)焓(han)hc為(wei)2317kJ/kg，計算得到汽(qi)輪機(ji)發電(dian)功(gong)率(lv)為(wei)7396kW，技術參(can)(can)(can)數(shu)如下(xia)表2所示。

表2：基于熔鹽儲熱方案的(de)汽輪機(ji)技術(shu)參數表

3、經濟性分析

3.1主要技術參數對比

為充分(fen)利用轉(zhuan)爐煉鋼1400-1600℃間歇性高溫煙氣(qi)熱(re)(re)量，分(fen)別(bie)采用蒸(zheng)汽(qi)(qi)儲(chu)熱(re)(re)器和(he)熔鹽儲(chu)熱(re)(re)技術方(fang)案進(jin)行余(yu)熱(re)(re)發(fa)電(dian)系(xi)統設(she)(she)計(ji)，兩種技術方(fang)案的主(zhu)設(she)(she)備(bei)方(fang)案有(you)(you)所(suo)不(bu)同，其中(zhong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)儲(chu)熱(re)(re)器方(fang)案主(zhu)設(she)(she)備(bei)主(zhu)要有(you)(you)汽(qi)(qi)化余(yu)熱(re)(re)鍋爐，蒸(zheng)汽(qi)(qi)儲(chu)熱(re)(re)器和(he)汽(qi)(qi)輪(lun)發(fa)電(dian)機組(zu)；熔鹽儲(chu)熱(re)(re)方(fang)案主(zhu)設(she)(she)備(bei)包括(kuo)熔鹽余(yu)熱(re)(re)鍋爐，熔鹽儲(chu)熱(re)(re)設(she)(she)備(bei)，熔鹽/水換(huan)熱(re)(re)設(she)(she)備(bei)和(he)汽(qi)(qi)輪(lun)發(fa)電(dian)機組(zu)，如(ru)下表(biao)3所(suo)示。

表3：主設備(bei)技術參數(shu)對比表

從上表可以看出(chu)，在采用(yong)相同(tong)的余熱(re)(re)資源(yuan)(yuan)條件下，熔鹽儲(chu)熱(re)(re)方(fang)案能夠充分利用(yong)高溫余熱(re)(re)的高品位熱(re)(re)能，提(ti)高能量利用(yong)效率，發(fa)電(dian)量能夠達到蒸汽儲(chu)熱(re)(re)方(fang)案的2倍，具有較(jiao)大的技術優勢(shi)(shi)和高效能源(yuan)(yuan)利用(yong)優勢(shi)(shi)。

3.2經濟性比較

（1）蒸汽儲熱器方案

蒸(zheng)汽儲熱(re)(re)器(qi)方(fang)案的投資概算(suan)參考文獻的相(xiang)關(guan)數(shu)據，項目概算(suan)包括(kuo)兩部分(fen)，主體(ti)部分(fen)包括(kuo)土建、熱(re)(re)力、電氣、消防、儀(yi)表、煙道(dao)改造(zao)、給排水；廠房外(wai)圍(wei)部分(fen)包括(kuo)熱(re)(re)力管道(dao)、給排水、暖通、電氣、總(zong)圖、儀(yi)表等(deng)，工程(cheng)總(zong)投資為(wei)3988.41萬元，單位KW投資為(wei)9971萬元/KW。

發電(dian)收入方面(mian)，余熱(re)發電(dian)運行小(xiao)時按(an)7500小(xiao)時測算，電(dian)價為(wei)0.5元/kWh，廠用(yong)電(dian)率為(wei)7%，項目年發電(dian)收入為(wei)1271萬元，投資回收期為(wei)3.1年。

（2）熔鹽儲熱方案

轉爐煉鋼(gang)高(gao)溫(wen)余(yu)熱(re)(re)(re)采用(yong)(yong)熔(rong)鹽作為換熱(re)(re)(re)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)介質(zhi)，既(ji)可以保持高(gao)溫(wen)余(yu)熱(re)(re)(re)的高(gao)品質(zhi)熱(re)(re)(re)能，也能夠避(bi)免壓力換熱(re)(re)(re)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)設備(bei)的使(shi)用(yong)(yong)，有效(xiao)降低換熱(re)(re)(re)和儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)成本，并提高(gao)儲(chu)(chu)能密度，可以大幅(fu)提高(gao)高(gao)溫(wen)余(yu)熱(re)(re)(re)的利用(yong)(yong)效(xiao)率和項目經濟性，項目概算(suan)工(gong)程總(zong)投(tou)資為5279.7萬元，單位千(qian)瓦投(tou)資為6599元/KW。

熔鹽儲(chu)熱方案的(de)發電(dian)(dian)(dian)收入(ru)方面，按照發電(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)7500小時(shi)，電(dian)(dian)(dian)價(jia)為(wei)0.5元(yuan)/kWh，廠(chang)用電(dian)(dian)(dian)率為(wei)8%，項目年發電(dian)(dian)(dian)收入(ru)為(wei)2551.7萬元(yuan)，投資回(hui)收期為(wei)2.1年。

3.3對比分析

從工程(cheng)概(gai)算投資(zi)和發電量(liang)對比(bi)可知，采(cai)用(yong)熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)方案的發電量(liang)比(bi)蒸汽儲(chu)熱(re)方案提高1倍(bei)，而投資(zi)僅(jin)增加32.3%，使(shi)投資(zi)回收期(qi)從3.1年(nian)減少到2.1年(nian)，顯(xian)著(zhu)增加項(xiang)目(mu)的經濟(ji)性。

4、結論

我國鋼鐵工業的(de)(de)(de)快(kuai)速(su)發展(zhan)(zhan)，面臨著越(yue)來越(yue)嚴峻的(de)(de)(de)資源(yuan)(yuan)、能源(yuan)(yuan)瓶頸制(zhi)約，開展(zhan)(zhan)余熱(re)(re)(re)余能的(de)(de)(de)回(hui)(hui)收利(li)用(yong)(yong)(yong)是降低鋼鐵生產能源(yuan)(yuan)消耗的(de)(de)(de)有效方(fang)式，目前轉(zhuan)爐煉鋼的(de)(de)(de)間歇性高(gao)溫余熱(re)(re)(re)回(hui)(hui)收利(li)用(yong)(yong)(yong)主要是通過轉(zhuan)爐煙道汽化余熱(re)(re)(re)鍋爐回(hui)(hui)收熱(re)(re)(re)能，采用(yong)(yong)(yong)蒸(zheng)汽儲熱(re)(re)(re)器存(cun)儲熱(re)(re)(re)能，利(li)用(yong)(yong)(yong)低品質飽(bao)和蒸(zheng)汽發電實現余熱(re)(re)(re)的(de)(de)(de)回(hui)(hui)收和利(li)用(yong)(yong)(yong)，高(gao)溫熱(re)(re)(re)能利(li)用(yong)(yong)(yong)率不高(gao)，存(cun)在較(jiao)大的(de)(de)(de)能源(yuan)(yuan)浪(lang)費(fei)。

采用熔鹽余熱鍋爐回(hui)收高溫余熱，可(ke)以保持高溫余熱的高品質熱能優勢，降低(di)高溫煙(yan)道換熱器設計(ji)難度和成本，采用高參數蒸汽發(fa)電(dian)，可(ke)以大(da)幅(fu)提(ti)高發(fa)電(dian)量，有利于降低(di)企業(ye)的發(fa)電(dian)成本，有利于鋼(gang)鐵企業(ye)降本增效，具(ju)有很好的市場推廣價值。

另外，采用熔鹽(yan)儲(chu)熱發電(dian)方案，可(ke)以快(kuai)速調節蒸汽輸出(chu)、調節發電(dian)機輸出(chu)功率，具(ju)有(you)很(hen)強的發電(dian)靈(ling)活性，適合跟蹤用電(dian)負荷波(bo)動(dong)，也(ye)可(ke)用于電(dian)網(wang)調峰。