ORC发电技术与电炉炼钢工艺相结合的余热利用研究

天加热能ORC系统是从美国联合技术公司(UTC)引入的成熟产品，广泛应用于钢铁冶金、水泥建材、化工石油、核能热电、印染造纸、化肥制药、地热、太阳能集热、生物质能等行业的热能回收发电。天加热能提供280KW至30MW装机容量的ORC产品/技术/施工等能源服务。ORC低温发电技术属于国家推广节能减排、提高资源综合利用率的重点关键技术。

ORC发电技术与电炉炼钢工艺相结合的余热利用研究

引言

电炉炼钢工艺过程中存在大量余热，但由于其冶炼工艺不连续，且工况温度波动范围大，不适合直接用于产生蒸汽推动汽轮机发电，目前大多数电炉的余热回收采用双压余热锅炉产生蒸汽后并入蒸汽管网，或者在余热锅炉后设置蓄热器，将产生的蒸汽进行保存，以便能够连续稳定地供精炼炉抽真空使用。

但由于电炉余热锅炉一般采用双压设计，在烟气温度较低时，余热锅炉所产的低压蒸汽除了满足自身的除氧需求外，大部分低压蒸汽无直接热用户，常常直接排空，不但造成能源浪费，放空蒸汽的噪音也影响工作环境，更是一种污染。另外，为了保证余热锅炉出口的排烟温度(一般在200 ℃以下，主要目的是为了保护布袋除尘器)，此时仍需要省煤器来保证余热锅炉的出口温度，但在此工况下，省煤器除盐水流量并不能完全和产汽量匹配，此时的除盐水流量比蒸汽流量大很多，这就造成很多被加热的140℃～170℃的除盐水以及低压饱和蒸汽无处可用，有的企业甚至直接排到降温池。此外，较高的排烟温度不但增加了尾部除尘风机的负荷，更是能源的浪费。有的钢铁企业电炉余热回收装置运行并不是太好，存在积灰影响换热，直接导致余热锅炉排烟温度升高，为了保证布袋除尘器的入口温度，甚至在管道上设置混风阀，造成除尘器及除尘风机运行工况恶化。

电炉烟气从第四孔出来后需要有水冷烟道或汽化冷却烟道进行降温，该部分烟气温度较高，需要大量冷却水将热量带走，以保证电炉稳定运行;大量冷却水的使用，造成了电费增加，运行成本居高不下。

本文主要以100 t康斯迪电炉为例分析其运行中的热量平衡，给出了电炉余热回收系统与低温ORC发电系统相结合的解决方案，很好地解决了电炉炼钢余热回收系统中低品位热能利用的问题。

1 基础数据

如表1和图1所示为100 t康斯迪电炉的基础参数和烟气温度曲线。

2 烟气热平衡分析

电炉余热系统中烟气热量约占电炉炼钢系统总热量的10%～14%左右，其主要来源见表2：

从表2可以看出，电炉炼钢过程中有47.6%的热量通过废钢预热和余热锅炉进行了回收利用，但仍有多半的热量通过排烟、散热和强制水冷而浪费掉。

3 有机朗肯循环技术(ORC)与余热回收相结合

3.1 工况分析

电炉系统所配置的余热锅炉多为双压自然循环，所产蒸汽一般为1.0～2.0MPaG的饱和蒸汽，且由于电炉炼钢工作不连续，余热锅炉蒸汽侧通常会配置蓄热器，以保证蒸汽用户侧有连续稳定的起源供给。以100 t电炉为例，其在不同的烟气温度余热锅炉运行工况如表3所示：

0.3MPaG低压蒸汽仅用于余热锅炉系统自除氧。由表3可以看出，在烟气温度低于300时，中压蒸汽产量较低，此时系统所需的低压除氧蒸汽约1.5 t/h;显然以工况5运行时，低压蒸汽产量有3.6 t/h的富余量，且省煤器有8.6 t/h的热水富余量。这些低压蒸汽和热水，在电炉余热锅炉运行过程中，为了保证余热锅炉排烟温度，保护后段的除尘设备，大多是直接放空掉或接入地面降温池进行自然降温，造成了热量的浪费。

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3.2 改造方案

若将上述低温热量加以利用，可以实现热能的高效回收及利用，并且可减少厂区的污染，既有一定的经济效益又有很好的环保效益。由图1可以看出，电炉运行的一个周期里，200℃的排烟温度基本是连续且相对较稳定的，在这种低温热源的条件下，要想实现热量的高效利用，把钢铁企业里无法使用的低压蒸汽和热水转化为电能，有机朗肯循环(ORC)发电技术有着特殊的优势。

另外，在余热锅炉排烟系统尾部加装省煤器，产生更多的热水，把余热锅炉排烟温度进一步降低，ORC发电机组的装机容量也可以得到增加(如图2所示)。

在余热锅炉系统运行过程中，当高温烟气温度在600 ℃以上时，低压饱和蒸汽需要满足系统自身除氧用;当高温烟气温度低于600 ℃时，低压蒸汽会有富余，中压省煤器热水产量在高温烟气温度低于300 ℃时有富余，在上述工况条件下运行时，把该部分蒸汽及热水送至蓄热器进行储存，由蓄热器向ORC发电机组提供连续稳定的热源。

经过核算，在一个冶炼周期中，低压蒸汽大约可以富余1.5 t，每小时富余2 t;热水大约富余3 t，每小时富余4 t。另外，如果将余热锅炉排烟温度再降低至120 ℃，可以提高热水产量40 t/h;减少尾部除尘风机电耗约50 kW。目前，透平式ORC产品的热电效率较高，一般为8%～18%，具体由热源品质决定，若以平均热电效率11%进行折算，100 t电炉的余热系统可以实现的ORC发电总装机容量为550 kW，其中低压蒸汽部分发电量150 kW，热水部分发电量400 kW。这还不包括水冷烟道的热水带走的热量，如果能将此部分热能用ORC发电技术加以利用，还可以增加发电机组装机容量，并且降低循环冷却水泵的电耗，进一步降低钢铁企业运行成本;由表2可知，此部分回收的热量约占余热锅炉排烟总热量的30%，占电炉炼钢输出总热量的13%。

3.3 效益分析

根据上述数据，测算出投资效益见表4。

4 结束语

(1)电炉炼钢余热回收系统与ORC有机朗肯循环低温发电技术可以有效结合起来实施，将大大提高系统热利用效率，降低能耗、减少污染。

(2)在原有的余热回收系统的基础上进行改造，增设ORC发电装置，需要考虑到流程组织的合理性，不能影响原有系统的正常运行。

(3)在冶金行业中，其它类似如烧结机、环冷机等工段也可以实施上述工艺流程。

(4)利用ORC发电技术对电炉冶炼装置进行余热回收，具有良好的经济效益。

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原标题：ORC发电技术与电炉炼钢工艺相结合的余热利用研究