高炉煤气余压回收设备探讨

张安

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆401122）

高炉煤气余压回收设备探讨

张安

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆401122）

高炉安装TRT是一项经济效益十分可观的能源回收技术。介绍了TRT的发展、透平装置的各种结构、透平装置工况点以及炉顶压力控制，并对不同工况下透平回收效率进行分析，实现节能增效、改善炼铁区域环境，确保高炉安全生产。

TRT；透平装置；工况点；压力控制；节能减排

1 引言

《钢铁工业产业政策》规定新建高炉必须同步配套余压发电装置TRT。高炉炉顶压力提高后，煤气余压能源应予以回收。

采用高炉煤气余压透平装置TRT，能够回收约占高炉鼓风机能耗30%～40%的能量，同时还可提高煤气质量，减少减压阀组对环境的噪声污染。本文拟就探讨高炉煤气能量回收以及推广节能增效的意义作一简要介绍。

2 TRT的发展历程

国外：从1956年，苏联开始研究TRT。1962年，苏联研制的第一套半干式轴流冲击TRT投入运行。1969年，法国索夫莱尔公司研制的径流反动式TRT投入运行。1974年，日本研制的二级向心式TRT投入运行。1976年，日本研制的湿式轴流反动式TRT投入运行。1982年，日本研制的干式TRT在日本投入运行。1998年，由日本提供的干式TRT在攀钢投入运行。

国内：1976年，开始研制与开发TRT。1982年，首钢、宝钢从日本引进湿式TRT。1984年，国产第一套湿式TRT在梅山钢铁公司投入运行。1987年，国产湿式一级可调TRT在酒钢投入运行。1991年，武钢从日本引进干湿两用TRT。1988年，国产湿式两级静叶可调(一、二级均可调)TRT在包钢、昆钢投入运行。2002年，国产干湿两用TRT在首钢投入运行。

据有关资料统计，国内1000 m3以上高炉的TRT使用率约为73%。其中引进日本川崎、三井的设备共约十余套。

国产TRT已在马钢和宝钢4000 m3及5000 m3级高炉上使用，标志着国产TRT大型化已逐渐进入成熟阶段。

3 TRT的分类

目前，从国内外TRT的运行流程来看，大体可分为三种形式：

单流程式：1座高炉带1台TRT。

双流程式：1座高炉带2台TRT，2台同一轴，1个进气道和1个操作系统。

双负载式：2座高炉带2台TRT，2台同一轴，1个排气道和1个操作系统。

以上三种形式的TRT各有利弊，单流程式结构简单、操作方便。双流程的优点，当设备达不到大型TRT时，用两台小型TRT同样可以达到出力的目的，缺点是结构相对复杂、效率偏低，成本高。目前随着TRT大型化，已基本取代双流程式。双负荷式TRT可供两座高炉使用，由于共用一个操作系统，一个轴、一个排气道和一个发电机，因此，比建两套TRT系统要节省投资，但操作匹配困难。

按透平的工质来分，有湿式TRT，干、湿两用TRT和干式TRT。对于干式TRT，其干式除尘后的煤气温度可达80～120℃，其工质在透平的整个膨胀过程中不存在凝结现象。由于煤气温度的提高和除尘装置阻损的降低，使干式TRT比湿式TRT一般多回收能量1/3左右。干、湿两用TRT是一种干、湿兼顾型TRT，可以按除尘的干、湿工况运行发电，适应炉况的变化性强，有效地回收高温、高压的煤气在温降、压降过程中释放能量。

4 余压透平装置

4.1 透平装置原理

利用高炉炉顶煤气压力能和气体显热，把煤气导入膨胀透平对外做功，通过透平机将高炉煤气压力能和部分热能转换为机械能。若将透平与发电机联接，即构成高炉煤气顶压回收透平发电装置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，简称TRT）。

TRT系统由煤气膨胀透平、发电机、润滑油系统、液压系统、给排水系统、氮气密封系统、煤气进出口阀门系统、高低压发配电系统和自动控制系统几大部分组成。

TRT装置具有三种功能：利用高炉煤气余压发电；利用透平的可调静叶控制高炉炉顶煤气压力；对煤气降温，煤气温度通过TRT后降为约80℃～120℃，采用全量回收高炉煤气能量。

4.2 透平装置结构

透平装置从结构形式分为三大类：径流向心式（或反动式）、轴流冲动式、轴流反动式，其效率分别为75%、80%、85%。

径流式透平的效率大约比轴流式透平低10%，主要原因是气流方向不断变化并经过较长的气流通道，引起较大的压力损失。另外，由于透平转子叶片压损不同，轴流反动式透平比轴流冲击式透平效率高5%。随着技术的发展，透平装置的结构从径流发展到轴流，从冲动式发展到反动式；煤气的调节也从调速阀发展到静叶自动调节，并采用以计算机为中心的控制系统，实现了高炉顶压的自动控制。

4.3 透平装置布置

北方地区:采用户内型布置的全封闭厂房，需设有通风换气设施排除室内残留的煤气，需配置吊车。

南方地区：一般采用露天布置即户外型，露天布置没有厂房，设备直接安装在机组平台上，自然通风条件好，保证透平装置的安全运行。检修吊装临时采用汽车吊。

因此，透平装置在外部环境允许的情况下尽量采用户外型，以节约投资。

4.4 透平工艺流程及特点

4.4.1 工艺流程

高炉煤气经净化后经透平入口蝶阀、插板阀、紧急切断阀进入透平,再经透平膨胀做功，经过回收、利用的煤气最后进入低压管网。其工艺流程见图1。

图1 透平工艺流程

4.4.2 主要特点

炉顶煤气余压发电装置TRT的主要特点：

（1）TRT装置自动化控制水平高，可靠性强，安全性高，操作简单，检修维护的工作量小，投资回收年限短(一般为2～4年)。

（2）TRT装置利用高炉煤气的余压发电，其自身消耗的能源较少，电耗约50 kW·h，水耗10 m3/h，氮气约60 m3/h。

（3）TRT装置运行时，不仅能确保高炉生产的高效性，湿式TRT还具有除尘功效，能进一步降低煤气中的含尘量。

（4）当TRT装置发出的电能需并入电网时，电网容量需大于TRT发电量的20倍以上。

4.5 透平出力及工况点确定

（1）透平出力

透平出力计算依据以下经验公式计算：

式中，N——透平功率，kW；

T1——透平入口煤气温度，K；

P1——透平入口煤气压力，kPa，绝压；P2——透平出口煤气压力，kPa，绝压；

fd——煤气中水汽冷凝所放出的气化潜热的热量修正系数，一般当湿式除尘时fd=1.1～1.13；当干式除尘时fd=1；

ηt——透平效率。

从上式可得出：透平功率与煤气入口温度、流量成正比，与煤气出入口压力间的压缩比有关，与透平机效率成正比。

（2）工况点的确定

工况设计点一般是指生产中出现频率最高的工况点。

正常煤气入口压力应为高炉出现频率最高的炉顶压力，减去煤气净化的阻损。正常煤气流量应按正常炉腹煤气量计算。此点应为设计TRT的最佳工况点。

在高炉燃料比较高的时候，出现最高煤气量。它与最大炉腹煤气量或最大炉腹煤气量指数相对应。这时的煤气压力取正常煤气入口压力值。

最高煤气压力工况，较设计最高的炉顶压力降低10～20 kPa后，再减去煤气净化系统的阻损，作为最高煤气压力值。

TRT设备的最高煤气压力应按高炉最高的炉顶压力减去煤气净化系统阻损确定。此压力作为TRT设备的最高压力线。

4.6 炉顶压力控制

从TRT对炉顶压力的控制方面考虑，对TRT装置的能力要求有所不同。控制炉顶压力的方式有两种：

（1）平均回收方式。该方式是使通过TRT的最大设计煤气量为高炉生产的煤气量波动幅度的平均值。炉顶压力靠减压阀组和透平静叶角度来控制。当高炉煤气量小于TRT设计流量时，由透平静叶角度控制炉顶压力；当高炉煤气量大于TRT设计最大煤气量时，由减压阀组和TRT静叶共同控制。

（2）全部回收方式。该方式是通过TRT的最大设计煤气量比高炉产生的煤气量大。炉顶压力有透平静叶自动控制。由于TRT静叶可调技术的进步，现已采用第二种方式。对于第二种方式而言，更需要准确的高炉煤气通过量的数值，因为这种方法更容易出现TRT能力偏大的现象。

5 节能减排潜力

目前国内有大中小高炉数百座，特别对大修、新建高炉项目推广TRT装置节能技术，促进钢铁工业的节能减排已迫在眉睫；高炉TRT技术具有巨大潜力，市场前景广阔，具有推广价值。

目前，虽然我国1000 m3以上高炉TRT普及率超过90%，但TRT平均吨铁发电量仅为25 kW·h，最高54 kW·h/t铁。我国要求干式TRT吨铁发电量≥35 kW·h,湿式TRT吨铁发电量≥30 kW·h。而日本TRT平均吨铁发电量为41 kW·h。因此，目前我国TRT装置存在能量回收效率低问题，主要有以下原因：

（1）现有的高炉煤气大部分采用湿式除尘，煤气温度低，同时保证煤气清洗质量，压力损失较大，因此，湿式TRT回收效率明显低于干式TRT效率。将目前高炉煤气湿法除尘工艺改为干法除尘，可以大大提高TRT回收效率。

（2）高炉煤气采用干法除尘后，针对不同高炉，其TRT结垢及腐蚀情况等因素，影响TRT作业率，从而使TRT回收效率降低。针对结垢及腐蚀严重的TRT，可在TRT入口管道快切阀后约1～1.5 m处增设缓蚀阻垢剂喷射装置，缓蚀剂在叶片表面形成一层保护膜，既保护了叶片又可抑制结垢，从而提高TRT回收效率。

6 结论

高炉煤气透平装置对高炉是一项辅助的节能设备，它不仅可回收大量电能，降低炼铁工序成本，而且可消除调压阀组区域的振动和噪声，噪声由约120 db（A）降至85 db（A）以下，大大改善了炼铁区域的环境，同时确保高炉的安全生产和炉顶压力的稳定。

在保证高炉正常运行下，提高透平功率，合理选择透平装置，可以采用以下途径：

（1）透平结构采用高效的轴流反动式，煤气调节采用静叶自动调节，并采用计算机控制系统，从而实现高炉顶压的自动控制。

（2）在外界环境允许情况下，尽量采用露天布置，减少占地，节约投资，降低成本，使透平装置更好发挥经济效益。

（3）煤气净化工艺采用全干式除尘器，与湿式除尘相比透平回收功率可以提高30%～50%，有效提高透平回收功率，从而彻底解决了污环水造成的一系列环境污染和能耗高的问题，为企业创造更好的经济效益。

A Discussion on the Equipment for Recovery of Blast Furnace Top Gas Pressure

Zhang An
(CISDIEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Chongqing401122,China)

Installation of TRT in blast furnace is an energy recovery technology with great economic benefits.This paper introduces the development of TRT,the various structures of turbine,key points in the operation of turbine and pressure control of top gas.The recovery efficiency of turbine under different conditions was analyzed,to achieve energy saving and efficiency increase,improve the environment of iron-making areas and ensure the safe production of blast furnaces.

TRT;turbine;operating point;pressure control;energy saving and emission reduction

X757

B

1006-6764(2014)12-0022-03

2012－08－06

张安（1961－），男，毕业于四川广播电视大学，大学专科学历，工程师，长期从事冶金燃气系统的设计、咨询工作。