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轉爐煉(lian)鋼間歇性高溫煙氣余熱屬于(yu)高品(pin)位熱能資源，目(mu)前(qian)廣(guang)泛采用(yong)(yong)的轉爐煙道汽化余熱鍋爐將高溫熱能轉化為低品(pin)位的低壓(ya)飽(bao)(bao)和蒸汽，通(tong)過蒸汽儲熱器實現連續蒸汽輸出，用(yong)(yong)于(yu)低溫低壓(ya)飽(bao)(bao)和蒸汽發電，余熱資源利用(yong)(yong)效率。

采用熔鹽儲能(neng)技術可(ke)以將(jiang)間歇(xie)性(xing)高(gao)溫(wen)余(yu)熱(re)資源轉(zhuan)化(hua)為(wei)連續可(ke)調可(ke)控的高(gao)溫(wen)蒸(zheng)汽(qi)熱(re)能(neng)，大幅(fu)增加發電(dian)功率和效率，改善余(yu)熱(re)發電(dian)的經濟性(xing)，也能(neng)夠提高(gao)余(yu)熱(re)發電(dian)的靈(ling)活(huo)性(xing)，滿足負荷(he)跟蹤和電(dian)網調峰需(xu)求。

1、技術背景

我國(guo)鋼(gang)鐵行業(ye)大(da)力發展和(he)推廣余熱發電技(ji)術是(shi)促進鋼(gang)鐵產業(ye)技(ji)術升級和(he)結構調整(zheng)、提高環境保護(hu)和(he)資源綜合利用水平的有效途(tu)徑(jing)，也是(shi)鋼(gang)鐵企(qi)業(ye)提高產品質(zhi)量和(he)降低生產成本(ben)，增強(qiang)產品市場(chang)競爭力的重要途(tu)徑(jing)。

目前鋼鐵企業連續性可利用(yong)余熱(re)(re)(re)及易于回收的余熱(re)(re)(re)大(da)都已實施了(le)回收利用(yong)措施，而煉鋼環節(jie)中存在的大(da)量(liang)(liang)溫度、流量(liang)(liang)、壓力(li)等參(can)(can)數(shu)波動較大(da)的間(jian)歇(xie)性余熱(re)(re)(re)難(nan)(nan)以(yi)得到高(gao)效(xiao)利用(yong)，即(ji)使采(cai)用(yong)了(le)儲熱(re)(re)(re)裝置來滿足(zu)連續發電(dian)(dian)的要(yao)求，但由于熱(re)(re)(re)源不(bu)穩定，難(nan)(nan)以(yi)形成高(gao)溫高(gao)壓的高(gao)品質(zhi)蒸汽(qi)，只(zhi)能(neng)采(cai)用(yong)低參(can)(can)數(shu)飽和蒸汽(qi)輪機(ji)發電(dian)(dian)，導致發電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)低下(xia)，而且運行方式只(zhi)能(neng)以(yi)余熱(re)(re)(re)定蒸汽(qi)量(liang)(liang)，不(bu)能(neng)靈活(huo)調節(jie)電(dian)(dian)力(li)輸(shu)出，無法滿足(zu)電(dian)(dian)力(li)調峰需(xu)求。

2、技術方案

鋼鐵企業的轉爐(lu)煉(lian)(lian)鋼工(gong)藝是產生間(jian)(jian)歇(xie)(xie)性(xing)余熱的主要環(huan)節，在一個(ge)冶煉(lian)(lian)周(zhou)期內，分為裝(zhuang)料、吹(chui)煉(lian)(lian)和出鋼三個(ge)步驟，把裝(zhuang)入的鐵水經(jing)過(guo)吹(chui)氧，完成降碳、升(sheng)溫(wen)、脫(tuo)磷等(deng)高溫(wen)物理化學(xue)反應，最后排出大(da)量的CO、CO2等(deng)高溫(wen)廢氣(qi)，這種工(gong)藝決定了轉爐(lu)高溫(wen)煙氣(qi)具有間(jian)(jian)歇(xie)(xie)性(xing)，波動性(xing)和周(zhou)期性(xing)，如下圖1所示

圖1：轉爐煙氣流量及溫度曲線

轉爐煉鋼(gang)排出的(de)大(da)量(liang)CO、CO2廢氣(qi)溫度高達(da)1400-1600℃，能(neng)(neng)耗約占整個(ge)鋼(gang)鐵生產(chan)中能(neng)(neng)耗的(de)8%~14%，僅次于煉鐵工(gong)序，其中45%的(de)能(neng)(neng)耗以(yi)廢氣(qi)的(de)散熱(re)形式直接排放到大(da)氣(qi)中，不僅造成環境的(de)污染，而且浪費了大(da)量(liang)的(de)優(you)質高溫熱(re)能(neng)(neng)資(zi)源(yuan)。

2.1基于蒸汽儲熱器的余熱發電方案

某鋼鐵廠有(you)3臺(tai)80t/h轉(zhuan)爐(lu)(lu)，采(cai)用煙(yan)(yan)道蒸汽(qi)(qi)余(yu)熱鍋爐(lu)(lu)，產生蒸汽(qi)(qi)32t/h。由于(yu)轉(zhuan)爐(lu)(lu)煙(yan)(yan)氣和余(yu)熱鍋爐(lu)(lu)蒸汽(qi)(qi)的間歇性(xing)(xing)(xing)和波動性(xing)(xing)(xing)特點，方案采(cai)用蒸汽(qi)(qi)儲熱器實現蒸汽(qi)(qi)輸出的連(lian)續性(xing)(xing)(xing)和穩定性(xing)(xing)(xing)，系統(tong)工藝圖如下圖2所示。

圖2：基于(yu)蒸汽(qi)儲熱(re)(re)的轉(zhuan)爐余(yu)熱(re)(re)發(fa)電系(xi)統工藝圖

如(ru)上(shang)圖所示，基于蒸(zheng)汽儲熱(re)(re)器的轉爐余熱(re)(re)發電(dian)系(xi)統(tong)主(zhu)(zhu)要包括汽化冷卻煙道(dao)余熱(re)(re)鍋爐、飽和蒸(zheng)汽輪機、發電(dian)機三大(da)主(zhu)(zhu)體設備及蒸(zheng)汽儲熱(re)(re)、排氣冷卻(空冷系(xi)統(tong)或水冷系(xi)統(tong))、給水除氧三大(da)汽水系(xi)統(tong)。

汽化煙道余熱鍋爐采用(yong)水(shui)/中低壓蒸汽作為(wei)(wei)換熱介質，蒸汽壓力為(wei)(wei)0.8-1.3Mpa，轉爐煉鋼期間產(chan)生的平均蒸汽流量為(wei)(wei)10.6t/h，3臺合(he)計32t/h。

蒸汽儲(chu)(chu)熱器入口蒸汽壓(ya)力為1.0~1.3MPa，出口蒸汽壓(ya)力為0.4~0.6MPa，有效儲(chu)(chu)熱體積(ji)為200m3。

轉爐余熱發(fa)電系統通(tong)常配置中小容(rong)量(liang)飽(bao)和汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)組，各有關(guan)設(she)計(ji)(ji)變量(liang)的(de)選取參(can)考設(she)計(ji)(ji)手冊及現場運行經驗獲取，進(jin)汽(qi)(qi)壓力為(wei)0.5MPa，排(pai)汽(qi)(qi)壓力為(wei)8kPa。根據飽(bao)和蒸汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)進(jin)汽(qi)(qi)參(can)數，查表得(de)到(dao)進(jin)汽(qi)(qi)焓(han)h0為(wei)2748.5kJ/kg；根據排(pai)汽(qi)(qi)壓力并(bing)計(ji)(ji)算蒸汽(qi)(qi)等(deng)熵焓(han)降的(de)理論排(pai)汽(qi)(qi)焓(han)為(wei)2124.3kJ/kg，根據參(can)考文獻，取汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)內(nei)效率(lv)為(wei)0.75，可(ke)計(ji)(ji)算得(de)到(dao)汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)實際排(pai)汽(qi)(qi)焓(han)hc為(wei)2280.4kJ/kg，按(an)照如下公式，計(ji)(ji)算汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)發(fa)電功率(lv)為(wei)3643kW。

2.2基于熔鹽儲熱的余熱發電方案

為充分(fen)利用(yong)轉爐(lu)煙氣的高(gao)溫(wen)余熱(re)，進一步(bu)提高(gao)優質高(gao)溫(wen)熱(re)能的利用(yong)效(xiao)率(lv)，基于熔鹽儲(chu)熱(re)的轉爐(lu)余熱(re)發電(dian)方案需(xu)要將(jiang)現有的汽(qi)化煙道余熱(re)鍋爐(lu)改造為熔鹽余熱(re)鍋爐(lu)，將(jiang)換熱(re)介質由飽和蒸汽(qi)改為熔融態熔鹽，系統(tong)示(shi)意圖如(ru)下圖3所示(shi)。

煙道熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)余熱(re)(re)鍋爐將溫(wen)(wen)度和(he)流量大幅波動(dong)的(de)(de)高溫(wen)(wen)煙氣熱(re)(re)量轉化為熔(rong)(rong)(rong)融(rong)態熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)的(de)(de)顯熱(re)(re)，吸熱(re)(re)后溫(wen)(wen)度升高的(de)(de)高溫(wen)(wen)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)送(song)入(ru)高溫(wen)(wen)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)罐；當(dang)系統需要發電(dian)時，將高溫(wen)(wen)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)依次泵(beng)入(ru)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)/蒸汽過熱(re)(re)器、熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)/水蒸發器和(he)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)/水的(de)(de)給水預熱(re)(re)器，逐級加熱(re)(re)給水，產生高溫(wen)(wen)高壓(ya)蒸汽，換熱(re)(re)后的(de)(de)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)溫(wen)(wen)度降低，送(song)入(ru)低溫(wen)(wen)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)罐，完成儲能循(xun)環；如需進一步提(ti)高發電(dian)效率，還可增加再熱(re)(re)器，如圖3所(suo)示。

圖(tu)3：基于熔鹽(yan)儲熱的轉爐余熱發電(dian)系統(tong)工藝圖(tu)

熔(rong)鹽選用(yong)太陽能光熱(re)發電中應(ying)用(yong)廣泛的(de)二元熔(rong)鹽，由60%的(de)硝(xiao)酸鈉和40%的(de)硝(xiao)酸鉀(jia)組(zu)成，熔(rong)點為220℃，在600℃以下有良好(hao)的(de)熱(re)穩定性。這(zhe)種(zhong)儲熱(re)介質有如下特性：

①使(shi)用溫度范圍290℃~550℃，熱穩定性好；

②低的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)壓，熔(rong)鹽具有較低的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)壓，特(te)別(bie)是混合熔(rong)鹽，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)壓更低；

③熱容量大；

④較低的粘度；

⑤具有化學穩定性。

由于熔鹽的蒸汽壓力較低(di)，余熱(re)鍋爐(lu)換熱(re)材料(liao)不必選用(yong)高壓厚壁(bi)材料(liao)，因此能夠(gou)降低(di)余熱(re)鍋爐(lu)的設計難(nan)度和(he)制造(zao)成本。

根據轉(zhuan)爐(lu)煉鋼高溫(wen)煙(yan)氣的生產特點，熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)系統需要滿足間歇吸熱(re)、持續放熱(re)的要求；按(an)照3臺80t/h轉(zhuan)爐(lu)的放熱(re)量(liang)(liang)計算，熔(rong)鹽(yan)的總儲熱(re)量(liang)(liang)為6MWh，熔(rong)鹽(yan)工作溫(wen)度(du)區間290℃~550℃，熔(rong)鹽(yan)總量(liang)(liang)80t，熔(rong)鹽(yan)儲罐尺寸為Φ4m×3.2m，主設(she)備技術(shu)參數(shu)如下表1所(suo)示。

表1：熔(rong)鹽儲(chu)熱技術(shu)參數表

以穩定的高溫熔鹽(yan)為(wei)熱源，可(ke)以方便的生產高溫高壓蒸汽(qi)，大幅增加余熱發電(dian)功率(lv)(lv)和效(xiao)率(lv)(lv)。這(zhe)里(li)選用汽(qi)輪(lun)機進汽(qi)參(can)數(shu)為(wei)高壓參(can)數(shu)8.8MPa，535℃，進汽(qi)焓h0為(wei)3477kJ/kg，取(qu)汽(qi)輪(lun)機內效(xiao)率(lv)(lv)為(wei)0.8，汽(qi)輪(lun)機實際排汽(qi)焓hc為(wei)2317kJ/kg，計算得到汽(qi)輪(lun)機發電(dian)功率(lv)(lv)為(wei)7396kW，技術參(can)數(shu)如下(xia)表2所示。

表2：基于熔鹽儲熱方案的汽輪機(ji)技(ji)術參數表

3、經濟性分析

3.1主要技術參數對比

為充分利用轉爐(lu)煉鋼1400-1600℃間(jian)歇性高溫煙氣熱(re)(re)量，分別采(cai)用蒸汽儲(chu)熱(re)(re)器(qi)和熔(rong)鹽儲(chu)熱(re)(re)技(ji)術方(fang)(fang)(fang)案(an)進行余(yu)熱(re)(re)發電(dian)(dian)系(xi)統設(she)(she)計，兩種(zhong)技(ji)術方(fang)(fang)(fang)案(an)的(de)主(zhu)(zhu)設(she)(she)備(bei)(bei)方(fang)(fang)(fang)案(an)有所不同(tong)，其中蒸汽儲(chu)熱(re)(re)器(qi)方(fang)(fang)(fang)案(an)主(zhu)(zhu)設(she)(she)備(bei)(bei)主(zhu)(zhu)要有汽化余(yu)熱(re)(re)鍋爐(lu)，蒸汽儲(chu)熱(re)(re)器(qi)和汽輪發電(dian)(dian)機組(zu)；熔(rong)鹽儲(chu)熱(re)(re)方(fang)(fang)(fang)案(an)主(zhu)(zhu)設(she)(she)備(bei)(bei)包括熔(rong)鹽余(yu)熱(re)(re)鍋爐(lu)，熔(rong)鹽儲(chu)熱(re)(re)設(she)(she)備(bei)(bei)，熔(rong)鹽/水換熱(re)(re)設(she)(she)備(bei)(bei)和汽輪發電(dian)(dian)機組(zu)，如下表3所示。

表(biao)3：主設(she)備技術參數對比表(biao)

從上表可以看出，在采用(yong)相同的余熱資源(yuan)條件下，熔鹽儲熱方案能(neng)(neng)夠充(chong)分(fen)利(li)(li)用(yong)高(gao)(gao)溫(wen)余熱的高(gao)(gao)品位熱能(neng)(neng)，提高(gao)(gao)能(neng)(neng)量利(li)(li)用(yong)效率(lv)，發(fa)電(dian)量能(neng)(neng)夠達到蒸(zheng)汽儲熱方案的2倍(bei)，具有較大的技術優勢和高(gao)(gao)效能(neng)(neng)源(yuan)利(li)(li)用(yong)優勢。

3.2經濟性比較

（1）蒸汽儲熱器方案

蒸汽儲熱(re)器方案的投資(zi)概算(suan)參(can)考文獻的相關數據，項目概算(suan)包括兩部分，主體部分包括土建、熱(re)力(li)、電氣、消防(fang)、儀表、煙(yan)道(dao)(dao)改(gai)造、給(gei)排(pai)水；廠房外圍部分包括熱(re)力(li)管道(dao)(dao)、給(gei)排(pai)水、暖通、電氣、總圖(tu)、儀表等，工程總投資(zi)為3988.41萬(wan)元，單(dan)位KW投資(zi)為9971萬(wan)元/KW。

發電(dian)收入(ru)方(fang)面(mian)，余熱發電(dian)運行小(xiao)(xiao)時(shi)按7500小(xiao)(xiao)時(shi)測算，電(dian)價為0.5元/kWh，廠用電(dian)率為7%，項(xiang)目年發電(dian)收入(ru)為1271萬元，投(tou)資回收期為3.1年。

（2）熔鹽儲熱方案

轉爐煉鋼高(gao)(gao)溫余熱(re)(re)采用熔鹽作為換(huan)熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)介質，既可以保持高(gao)(gao)溫余熱(re)(re)的(de)高(gao)(gao)品質熱(re)(re)能(neng)，也能(neng)夠避免壓(ya)力(li)換(huan)熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)設備的(de)使用，有(you)效降(jiang)低換(huan)熱(re)(re)和儲(chu)熱(re)(re)成本，并提(ti)高(gao)(gao)儲(chu)能(neng)密度，可以大幅提(ti)高(gao)(gao)高(gao)(gao)溫余熱(re)(re)的(de)利用效率(lv)和項目經(jing)濟性(xing)，項目概算工(gong)程(cheng)總投資為5279.7萬元，單位千瓦投資為6599元/KW。

熔鹽儲熱方(fang)案(an)的發電(dian)收入(ru)方(fang)面，按(an)照發電(dian)時間7500小(xiao)時，電(dian)價為(wei)0.5元(yuan)/kWh，廠(chang)用(yong)電(dian)率為(wei)8%，項目年發電(dian)收入(ru)為(wei)2551.7萬(wan)元(yuan)，投資回(hui)收期為(wei)2.1年。

3.3對比分析

從工程概(gai)算投(tou)資和發電量對比可知，采(cai)用熔鹽儲熱方案的(de)發電量比蒸汽(qi)儲熱方案提高1倍，而投(tou)資僅增(zeng)加32.3%，使投(tou)資回收期(qi)從3.1年減少(shao)到(dao)2.1年，顯(xian)著(zhu)增(zeng)加項目(mu)的(de)經濟性(xing)。

4、結論

我國鋼鐵工業(ye)的(de)快速發展，面臨著(zhu)越來越嚴峻的(de)資源(yuan)、能(neng)源(yuan)瓶(ping)頸制約，開展余(yu)熱(re)(re)(re)(re)余(yu)能(neng)的(de)回(hui)(hui)收(shou)利用(yong)(yong)(yong)(yong)是(shi)(shi)降低(di)鋼鐵生(sheng)產能(neng)源(yuan)消耗的(de)有效(xiao)方(fang)式(shi)，目(mu)前(qian)轉爐煉(lian)鋼的(de)間歇(xie)性高(gao)(gao)(gao)溫余(yu)熱(re)(re)(re)(re)回(hui)(hui)收(shou)利用(yong)(yong)(yong)(yong)主要是(shi)(shi)通過轉爐煙道(dao)汽(qi)化余(yu)熱(re)(re)(re)(re)鍋爐回(hui)(hui)收(shou)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)，采用(yong)(yong)(yong)(yong)蒸汽(qi)儲熱(re)(re)(re)(re)器存(cun)儲熱(re)(re)(re)(re)能(neng)，利用(yong)(yong)(yong)(yong)低(di)品(pin)質飽和(he)蒸汽(qi)發電(dian)實現余(yu)熱(re)(re)(re)(re)的(de)回(hui)(hui)收(shou)和(he)利用(yong)(yong)(yong)(yong)，高(gao)(gao)(gao)溫熱(re)(re)(re)(re)能(neng)利用(yong)(yong)(yong)(yong)率不高(gao)(gao)(gao)，存(cun)在(zai)較大的(de)能(neng)源(yuan)浪費。

采(cai)用(yong)熔鹽余(yu)熱(re)鍋(guo)爐(lu)回收高溫余(yu)熱(re)，可以保(bao)持(chi)高溫余(yu)熱(re)的高品(pin)質熱(re)能優勢(shi)，降(jiang)低高溫煙道換熱(re)器(qi)設計難度和(he)成本，采(cai)用(yong)高參(can)數蒸汽發電，可以大幅提高發電量，有(you)利于降(jiang)低企業(ye)的發電成本，有(you)利于鋼(gang)鐵企業(ye)降(jiang)本增(zeng)效，具有(you)很好的市(shi)場推廣價值。

另外(wai)，采用熔(rong)鹽儲(chu)熱(re)發電(dian)方案，可(ke)以快(kuai)速調節蒸汽(qi)輸(shu)(shu)出、調節發電(dian)機輸(shu)(shu)出功率，具有(you)很(hen)強的發電(dian)靈活性(xing)，適(shi)合(he)跟蹤用電(dian)負(fu)荷波動，也可(ke)用于電(dian)網調峰。