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安赛乐米塔尔的一家波兰钢厂使用热能和炉顶煤气回收涡轮机以及来自高炉废气的压力来发电。这有助于每年减少115,000吨 碳排放,并且获得可观的收益。

阿赛洛米塔尔波兰Dąbrowa Górnicza联合钢厂是该国最大 钢铁企业。钢厂位于波兰南部的Silesia省,距离以举行 2018年联合国气候变化大会(COP24)而出名的Katowice 市只有几英里。在这次大会上,2016年达成历史性的巴黎 协定的各方首次就协定的实施细则达成了共识。

阿赛洛米塔尔波兰近年来为提高钢铁生产的可持续性所作 出的努力当然不是因为Katowice大会的缘故。在2017年, 公司就为炼钢厂和烧结厂投资建设了新除尘系统,另外还 新建了脱氮和脱硫系统,目的是减少灰尘、氮氧化物和硫 氧化物的排放量。提高能源效率的工作开始得更早:在 2014年,阿赛洛米塔尔波兰和能源生产商TAURON合资组 建了TAMEH控股公司,除开展其他业务外还在Dąbrowa Górnicza钢厂运营Nova Generation电站, ,通过将高炉和焦 炉废气用于锅炉而制造热能和电力,供给钢厂自身和周边 地区的其他用户。

高炉炉顶煤气压力回收透平机的典型配置。
图1:高炉炉顶煤气压力回收透平机的典型配置。快速响应阀和快速旁通系统保证了高炉工艺在任何时候都不受干扰。

提高能源效率

典型联合钢厂的能耗有大约75%归因于高炉。在传统工艺流程 中,高炉煤气所含能量有相当大一部分没有得到利用:当气流 通过简单的节流装置,使压力降低到适合于低压煤气管网的水 平时,大量的压力能和热能都被白白损失掉。目前,世界各地 的高炉中有几乎80%仍然采取这种作法⸺Dąbrowa Górnicza 厂的高炉以前也是如此。为了进一步提高资源效率,并且降低 现场发电的环境影响,TAMEH决定委托普锐特冶金技术为2 号和3号高炉安装两台炉顶煤气压力回收透平机(TRT)和配套 系统,并于2016年12月签订了合同。 仅仅24个月后,在2018 年12月,透平机就开始满负荷发电。这是波兰首次建成这类 系统。

工作原理

如图1所示,净化后的高炉炉顶煤气(采用湿法除尘后压力约为 2.0巴(表压),温度约为50°C)所含能量首先被透平机转化成机 械能。这是通过一根配有耐蚀不锈钢叶片的转轴实现的。转轴 带动同步发电机产生电力。一个清洗系统利用高压水防止灰尘 在叶片上积聚。作为一项安全措施,向轴封系统喷吹氮气以防 止炉顶煤气泄漏到环境中。为了保证出色的压力控制和安全的 高炉运行,系统设置了全级可调导叶和快速响应阀。作为补充 安全措施,系统还具有快速旁通功能,能够在出现意外情况时 改变废气的流动路线。这些措施共同保证了高度的可靠性,使 压力回收决不会影响到高炉工艺。

采访
Andras Varga

最大限度提高资源效率

Andras Varga是普锐特冶金技术的一位工艺专家, 专门从事上游能源效率研发工作。

这个项目中最主要的挑战是什么?

Andras Varga: 安装工作包括了很长的废气管道, 这在调试过程中切换运行模式时是一个挑战:首要 任务当然是始终保持压力稳定,从而确保高炉工艺 正常进行。

TRT的好处看起来是显而易见的⸺为什么还有许多 高炉没有采用炉顶煤气能量回收?

Varga: 从资源效率的角度来说,炉顶煤气压力回收 透平机对几乎所有的大中型高炉都有意义。我猜测的 原因是,许多钢厂只是没有好好地算这笔账⸺在能 源价格普遍上涨和监管压力不断增大的情况下,我 们估计,投资回报率计算会对TRT越来越有利。另 外,高炉干法除尘系统的推广也带来了新的契机, 因为它们能让能量产出增加20 – 30%。

世界上的哪些地区是您特别关注的?

Varga: 欧洲和美洲的钢厂显然是候选者――能源价 格上涨的势头很强劲,监管制度也越来越严格。不 过,印度和俄罗斯也有很大的潜在需求。

紧凑的模块化设计

大多数机械设备都安装在一个集装箱式结构中,这是一种独特 的高度紧凑的设计。箱体大约4米宽,5米高,14米长,其中装 有透平机、齿轮箱及润滑和液压设备。箱体从日本通过海运和 陆运抵达现场;发电机由捷克共和国的一家供应商提供,在施 工阶段安装在箱体内。这种设计具有多方面优点:总图布置高 度紧凑,占地面积减少,安装时间缩短,施工成本大幅节省。 举例来说,这样就无需为透平机单建机房。Dąbrowa Górnicza 厂的具体方案是,两个完全相同的TRT箱体并排布置,每个的 额定发电能力约为12兆瓦。

项目遇到的一个重大挑战是,根据原来的高炉布局需要在气体 净化设备和高压调节阀之间安装一根T型支管(图3)⸺还有一 个事实是,划给TRT的位置距离较远,必须设置相当长的废气 管道。T型支管的作用是在正常运行条件下将炉顶煤气导向 TRT,或者在需要旁通时导向高压调节阀,所以它也包括了旁 通所需附件。所有安装工作都必须在预先安排的48小时高炉维 修期间完成。

巨大的环境效益

TAMEH预计,两台透平机每年能够产生140千兆瓦时的零排放 电力⸺大致相当于25个陆上风电机组的发电量。由于Silesia 煤炭资源丰富,这些电力原本会由燃煤电厂提供。因此,透平 机每年能够节省令人吃惊的54,000吨(或900个车皮)煤,避 免了115,000吨碳进入大气。而且,环境效益还不止于此:减 少使用如此大量的煤每年可避免产生180吨硫氧化物和氮氧化 物,还有大约10吨灰尘。如果以颗粒物排放计算,这相当于上 路行驶的柴油乘用车减少了几乎170,000辆(按照欧5标准衡 量,行驶里程假定为12,000公里)。

一项回报丰厚的投资

随着世界上许多地区都开始实施碳定价、日益严格的能效规定 和更全面的排放交易机制,在联合钢厂碳排放最多的工艺中采 用能量回收技术毫无疑问有着光明的前景。

另外,还应当考虑全球气候行动和不断增长的能源需求对工业 电价的影响。国际能源署近期公布的数据清楚地表明,即使在 目前这个阶段,一台炉顶煤气压力回收透平机在几乎每一个市 场上都已经能够带来数以百万计的年度收益。如果钢铁企业希 望进入绿色能源领域,那么现在正是最好的时机。