[科普中国]-高炉顶压力发电

简介

在炼铁时，焦炭，铁矿石投入高炉，要用鼓风机吹进大量热风，热风中的氧气一旦接触焦炭中的碳，就会立即燃烧，产生大量煤气。大部分煤气和铁矿石发生化学反应，分离出铁。余下的煤气就像高压锅烧开了饭菜一样，从减压阀白白放掉了。利用这部分余压来发电，称为高炉顶压力发电，又叫余压发电。高炉炉顶余压发电装置（以下简称“TRT”）诞生于20世纪60年代，经历了近40年的研发、实践、完善的过程，已经达到了较高的工艺技术水平1。

TRT发展历程1960年法国、前苏联、德国等一些工业化较发达的国家，分别在相同的时间进行着TRT装置的工艺技术和设备制造的研制。法国TRT装置采用湿式幅流式透平机，控制少量气体进入TRT装置，实现部分能量的回收。前苏联采用轴流式透平机，在透平机前增加了一套混合式煤气预热器，将进人透平的高炉煤气温度提高到120℃，同时控制进人透平的煤气流量为恒定流量，该TRT装置不控制顶压。在之后的一段时间，TRT装置基本是处于应用时期，技术装备以及控制水平均无明显提高。

随着第一次石油危机的爆发，各国逐渐注重二次能源的回收与利用，为TRT技术的发展提供了良好的契机。特别是日本的三井造船、川崎重工、日立造船公司，按照市场需求，各自研发了具有独立技术特征的TRT设备，并提高了工艺控制水平。在占领日本国内钢铁市场的同时，上述三家公司逐步向国际市场扩张，最终成为国际上TRT技术的主要设备供货商，俄罗斯、法国、德国作为商业用途的业绩已经不多见。

在国内，1983年首钢集团率先引进了1200m3高炉的TRT工艺技术和设备，当年建设、次年投产发电。在国家相关部门的大力支持下，陕西鼓风机（集团）有限公司（以下简称“陕鼓集团”）分别与日本川崎重工、三井造船进行技术合作协商，并最终与川崎重工签订了技术合作协议，迈出了国内生产制造TRT装置的第一步。中航工业成都发动机（集团）有限公司（以下简称“成发集团”）利用自身制造航空发动机的技术优势，在消化吸收国内现有的TRT技术基础上，开发了具有专有技术的TRT装置及控制系统。国内TRT技术的主要供货商为陕鼓集团和成发集团，装备高炉已经达到4000m3，高炉顶压控制精度达到1-2kPa，达到了国际先进水平，其产品已出口到国际市场。

伴随大型化、高压化高炉的产生，煤气净化设施从传统的湿法除尘逐步向干法除尘转化已成为发展趋势，其中被普遍采用的是高炉煤气布袋除尘技术。如何能够在满足上、下游工艺要求的基础上，全量回收高炉煤气的压力能和热能，给TRT的工艺控制、设备制造以及工厂设计提出了新的课题2。

影响TRT发电的技术因素分析入口煤气温度和压力是影响TRT的重要因素。干法除尘装置得到普遍应用后，进人TRT的煤气温度比湿法净化时提高了约100℃，煤气压力也比湿法净化时提高了25kPa，因此TRT装置必须采用与之相适应的新设备、新技术。

TRT轴输出功率TRT是一种能量回收工艺装置，主要设备是专用的透平机械。通过将气体导人透平腔体，使压力能转化为动能，推动叶片旋转，从而带动与其同轴的发电机转动，实现能量转换发电。

(1)影响透平轴端出力的主要因素是气体流量、压力、温度。

(2)气体中杂质种类及量化指标与透平轴端出力无关。通常认为进入透平的气体为合格气体，其净化质量由上一级工艺完成。

透平入口流量变化对透平轴输出功率的影响TRT装置是一种能量回收设备，高炉操作的好坏直接影响到TRT入口条件，进而影响到TRT的出力。由于TRT是控制炉顶压力的关键设备，因此，TRT操作是否稳定直接影响到高炉的炉况。

当高炉顶压实测值高于炉顶压力设定值时，透平静叶就要开大，角度增加，使其通过透平机内的高炉煤气流量增加。反之，当高炉顶压实测值低于高炉顶压设定值时，透平静叶就要关小，角度就要减少.通过透平机内的高炉煤气流量降低。TRT就是这样通过不断的调整静叶开度来实现对高炉顶压控制。在这一过程中，假定当其它条件不变时，通过透平机的煤气流量越大，输出功率越高。

由于各钢铁厂往往只注重钢铁产量，忽视了对二次能源的合理回收与利用，加之人们对TRT技术不熟悉，TRT控制水平不高，以及TRT设备的自身原因，形成了在工艺设计时保守的观念，主要表现为：

(1)在TRT装置与减少阀组并联工艺中，减少阀组设计时留有一个150mm直通管道，用以确保在TRT突发事故时的高炉安全，由于留有这样的孔洞，造成高炉煤气不能全量进入透平机，使得透平机的输出功率大大降低。某厂1200m3高炉，透平机设计能力6400kWh，实际运行2200kWh，由此可见透平人口煤气流量对对透平出力的影响之大。

(2)由于减压阀组关闭不严，同样造成煤气从旁路流失，影响透平出力。某厂2500m3高炉，煤气采用干法除尘，发电机额定功率1.5万kW，由于存在上述情况，透平机平均出力1.1万kWh；而某厂同样为2500m3高炉，煤气同样采用干法除尘，TRT装机容量也为1.5万kW，透平机发电平均在1.3-1.4万kWh。

透平入口压力变化对透平轴输出功率的影响随着大型高炉顶压的不断提高，进入TRT装置的高炉煤气压力也在不断地提高，透平机轴出功率逐步增加，从高炉重力除尘器出来的高炉煤气，通过除尘并达到标准后进人透平机，在此过程中需要消耗部分压力能.直接影响到透平机输出功率。

高炉煤气净化工艺有湿式除尘和干式布袋除尘两种形式。干式布袋除尘系统煤气阻力降一般为1.5-2.5kPa，而湿式除尘系统阻力降一般在30kPa左右。

选取不同的高炉煤气净化型式，所消耗的压力各不同，其结果直接影响到透平机输出功率，因此，在条件许可时应优先考虑采用煤气干式净化工艺。在工厂设计时也应尽量采取措施降低煤气管道的阻力降，从而提高TRT装置的发电量。

透平入口温度变化对透平轴输出功率的影响高炉煤气干法袋式除尘技术的应用，使得进入TRT装置的煤气压力达到200℃左右，极大地增加了透平机输出功率。工程设计中，应在干法除尘允许的范围内，尽量提高煤气温度，同时采取各种措施减少煤气的热损失，可提高发电能力约30% 3。

总结高炉煤气是一种具有压力、温度及可燃分的复合流体，它在TRT装置完成控制顶压及能量回收功能。改变透平机入口煤气温度、压力条件下，透平机输出功率发电相应变化。温度高、压力增加可以提高TRT装置的发电能力，其中温度的影响最大明显，可提高发电能力约30% 3。