張 輝寶鋼特鋼有限公司能源環(huán)保部

機(jī)械真空技術(shù)在寶鋼特鋼VD爐上的應(yīng)用

張 輝
寶鋼特鋼有限公司能源環(huán)保部

機(jī)械真空技術(shù)因其即開(kāi)即得、可精確控制、運(yùn)行可靠、節(jié)能環(huán)保，正在逐步成為大型真空脫氣系統(tǒng)的首選。介紹了寶鋼特鋼以合同能源管理模式實(shí)施機(jī)械真空節(jié)能改造，用機(jī)械真空泵替代原來(lái)蒸汽噴射泵的應(yīng)用情況及應(yīng)用效果。

VD爐；機(jī)械真空泵；蒸汽噴射泵

鋼水真空循環(huán)脫氣工藝干式(機(jī)械)真空系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)（簡(jiǎn)稱機(jī)械真空技術(shù)），近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外各大鋼廠得到越來(lái)越多應(yīng)用，用以替代傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用的蒸汽噴射式真空泵。該技術(shù)采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產(chǎn)生真空將廢氣排出系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的蒸汽噴射泵，可節(jié)能90%以上，在2012年被國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)納入《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄(第5批)》，在全國(guó)范圍內(nèi)重點(diǎn)推廣。

寶鋼特鋼有限公司是寶鋼集團(tuán)的全資子公司，專門從事高溫合金、鈦合金等特種材料的生產(chǎn)，其煉鋼產(chǎn)線采用的爐外精煉真空工藝即VD法，由燃?xì)忮仩t房提供蒸汽，使用多級(jí)蒸汽噴射泵、同時(shí)配套水處理系統(tǒng)來(lái)處理含塵污水和冷卻熱水。由于蒸汽通過(guò)鍋爐燃燒天然氣生產(chǎn)供應(yīng)，相比傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)利用余熱生產(chǎn)蒸汽，成本極高。為降低煉鋼抽真空成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，寶鋼特鋼從2011年起關(guān)注跟蹤機(jī)械真空技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一年多的技術(shù)調(diào)研、交流和實(shí)地考察，于2013年決定以合同能源管理模式實(shí)施煉鋼產(chǎn)線VD爐真空脫氣系統(tǒng)的機(jī)械真空節(jié)能改造。

1 干式機(jī)械真空泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)蒸汽噴射泵系統(tǒng)的比較

1.1 工作原理

蒸汽噴射泵是根據(jù)質(zhì)量傳輸?shù)墓ぷ髟?，由?dòng)力蒸汽通過(guò)拉瓦爾噴嘴噴射產(chǎn)生低壓區(qū)，該低壓區(qū)將工藝廢氣吸入噴射泵，推動(dòng)混合氣體前行。

干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)采用體積流量的傳輸方式（羅茨泵+螺桿泵）產(chǎn)生真空將廢氣排出系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)性能比較[1]

（1）節(jié)能減排

機(jī)械效率決定了干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)與蒸汽噴射泵系統(tǒng)相比具有較高的效率，目前國(guó)內(nèi)干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)市場(chǎng)中承諾的節(jié)能效果可達(dá)90%以上。

干式機(jī)械泵的運(yùn)行即不依賴于水也不產(chǎn)生水的污染。因此不需要蒸汽鍋爐、蒸汽輸送管路，以及相應(yīng)的設(shè)備、場(chǎng)地投資和相關(guān)的人工費(fèi)用。由于沒(méi)有污水產(chǎn)生，也不需要污水處理系統(tǒng)，與蒸汽噴射泵系統(tǒng)相比，干式機(jī)械泵系統(tǒng)的運(yùn)行噪音非常低。

（2）生產(chǎn)運(yùn)行

機(jī)械泵由于不需要鍋爐、水處理等配套設(shè)施，僅消耗電能，故相比蒸汽泵其運(yùn)行成本可低90%以上。

機(jī)械泵可以通過(guò)變頻器控制泵的運(yùn)行速度，可實(shí)現(xiàn)脫氣工藝過(guò)程的精確控制，保證在所有壓力范圍的壓力設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定的工作性能，并可以實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)操作。

機(jī)械泵的體積流量不受氣體的密度（壓力）的影響，而蒸汽泵的質(zhì)量流量隨氣體的密度（壓力）變化而變化，可實(shí)現(xiàn)在脫氣工藝各壓力區(qū)間（階段）工作穩(wěn)定，脫氣效果不會(huì)隨真空度降低而降低。

（3）設(shè)備維護(hù)

機(jī)械泵由于系統(tǒng)配套設(shè)備少、易耗件少，故相比蒸汽泵其系統(tǒng)維護(hù)量小，僅需每年更換機(jī)械泵油和定期更換過(guò)濾器袋，使得系統(tǒng)和設(shè)備的使用率高。

機(jī)械泵配套過(guò)濾器下方有干式粉塵收集罐，可實(shí)現(xiàn)粉塵自動(dòng)清掃，而無(wú)需用水清理粉塵并配套水處理站。

（4）性能提升

干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)產(chǎn)生的真空度（曲線）是精確和可復(fù)制的。

長(zhǎng)時(shí)間和穩(wěn)定的真空條件，可以適用于所有金屬冶煉的所有反應(yīng)和過(guò)程。

2 國(guó)內(nèi)外干式機(jī)械真空系統(tǒng)的供應(yīng)商及其技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 國(guó)內(nèi)外干式機(jī)械真空系統(tǒng)的供應(yīng)商

全球目前約有40套左右的真空脫氣系統(tǒng)采用了干式機(jī)械真空泵，在德國(guó)Lech-Stahlwerke GmbH工廠有1臺(tái)由MTAG公司設(shè)計(jì)制造的90 t VD真空系統(tǒng)，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了9 a且無(wú)大修記錄。國(guó)外主要供應(yīng)商：

（1）瑞士MTAG ，截至2011年一共有VD，VOD投產(chǎn)業(yè)績(jī)14臺(tái)；

（2）羅馬尼亞阿德萊姆Adrem ，約有10臺(tái)VD業(yè)績(jī)。

國(guó)內(nèi)主要供應(yīng)商：

（1）重慶鋼鐵公司設(shè)計(jì)院（購(gòu)買阿德萊姆Adrem技術(shù)）；

（2）阿德萊姆Adrem包頭；

（3）杭州西湖真空所；

（4）上海寬量節(jié)能（聯(lián)合瑞士MTAG進(jìn)行合同能源管理模式）。

2.2 干式機(jī)械真空系統(tǒng)的技術(shù)比較[2]：

任何一個(gè)機(jī)械真空脫氣系統(tǒng)，其真空罐內(nèi)最終的真空度要求（通常為67Pa）與大氣壓之間的壓差為真空脫氣系統(tǒng)為一恒定值；機(jī)械真空泵系統(tǒng)所要產(chǎn)生的總壓縮比也為恒定值。因此，機(jī)械真空泵系統(tǒng)所采用的泵級(jí)數(shù)越多，每級(jí)泵的工作負(fù)荷越小、所需的壓縮比越小。即泵本身和氣體產(chǎn)生的溫升越小。反之，機(jī)械泵系統(tǒng)的泵級(jí)越小，其每級(jí)泵所需的壓縮比就越高，其系統(tǒng)內(nèi)工藝廢氣產(chǎn)生溫升就越大。目前干式機(jī)械真空系統(tǒng)的技術(shù)主要有兩種，其技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

3 國(guó)內(nèi)干式機(jī)械真空技術(shù)應(yīng)用案例

（1）重鋼210 t RH干式機(jī)械泵真空脫氣系統(tǒng)

表1 干式機(jī)械真空系統(tǒng)的技術(shù)比較

重鋼210 t RH干式機(jī)械泵真空脫氣系統(tǒng)2010 年6月建成后調(diào)試周期經(jīng)歷了將近2 a。期間發(fā)生過(guò)多次因?yàn)橥夥皆O(shè)計(jì)的過(guò)濾器不合理，過(guò)濾粉塵不達(dá)標(biāo)造成泵組損壞，泵組負(fù)荷過(guò)高超溫停機(jī)或損壞的事故。雖然通過(guò)修改過(guò)濾器結(jié)構(gòu)，增加備用泵組，加強(qiáng)冷卻等改進(jìn)通過(guò)了驗(yàn)收，但是整個(gè)泵組系統(tǒng)多達(dá)76臺(tái)泵，而且需要安裝在有大功率空調(diào)制冷系統(tǒng)的泵房?jī)?nèi)。表明盡管已經(jīng)有了水冷系統(tǒng)但是其溫度控制始終是一個(gè)比較大的問(wèn)題。

（2）包鋼120 t VD干式機(jī)械泵真空脫氣系統(tǒng)由羅馬尼亞阿德萊姆Adrem設(shè)計(jì)并制造。調(diào)試周期用了10個(gè)月。期間主要發(fā)生的問(wèn)題是，在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到規(guī)定的真空度、泵組的超溫報(bào)警等。后通過(guò)增加輔助泵機(jī)，同時(shí)增加備用泵機(jī)的辦法解決。

4 寶鋼特鋼干式機(jī)械真空技術(shù)應(yīng)用情況

4.1 寶鋼特鋼設(shè)備現(xiàn)狀

對(duì)于特種鋼的生產(chǎn)，必須采用爐外精煉工藝，如真空脫氣（VD）或真空吹氧脫碳（VOD）工藝來(lái)減少鋼中的雜質(zhì)。在真空脫氣（VD）工藝中，在壓力低于100 Pa真空度狀態(tài)下，降低熔鋼中溶解的氣體（主要是氫氣），以提高鋼材的強(qiáng)度和耐腐蝕性。

寶鋼特鋼作為寶鋼集團(tuán)的特鋼生產(chǎn)基地，其煉鋼產(chǎn)線現(xiàn)有VD爐2臺(tái)，由燃?xì)忮仩t房供應(yīng)蒸汽，使用多級(jí)蒸汽噴射泵、同時(shí)配套水處理系統(tǒng)。其年設(shè)計(jì)能力41.1萬(wàn)t。

4.2 技術(shù)方案選擇

寶鋼特鋼于2013年1月采用瑞士MTAG公司的技術(shù)，以合同能源管理模式，實(shí)施干式機(jī)械真空節(jié)能改造。

根據(jù)寶鋼特鋼煉鋼VD爐的生產(chǎn)工況條件，量身設(shè)計(jì)一套機(jī)械真空系統(tǒng)，按4級(jí)16臺(tái)真空泵設(shè)計(jì)，可供61號(hào)、62號(hào)2臺(tái)VD爐共用，設(shè)計(jì)能力為28萬(wàn)t/a。拆除原有2臺(tái)蒸汽噴射泵的其中1臺(tái)，保留1臺(tái)，以備同步抽氣使用。所有工藝參數(shù)均可達(dá)到或優(yōu)于原系統(tǒng)。

4.3 應(yīng)用效果

寶鋼特鋼煉鋼VD爐機(jī)械真空節(jié)能改造歷時(shí)9個(gè)月完成設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、制作、土建施工以及設(shè)備安裝，又歷時(shí)3個(gè)月先后完成機(jī)械真空泵系統(tǒng)的冷態(tài)調(diào)試驗(yàn)收和熱態(tài)調(diào)試驗(yàn)收，于2014年4月正式投運(yùn)，投運(yùn)至今1年多的時(shí)間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，工藝參數(shù)完全滿足煉鋼VD爐生產(chǎn)工藝要求。在節(jié)能驗(yàn)收期內(nèi)，相比原來(lái)的蒸汽泵系統(tǒng)節(jié)能率高達(dá)97%以上。

（1）冷態(tài)調(diào)試結(jié)果

寶鋼特鋼機(jī)械真空系統(tǒng)包括由羅茨泵和螺桿泵組成的真空泵組、過(guò)濾除塵裝置和公輔系統(tǒng)等，按4級(jí)16臺(tái)真空泵設(shè)計(jì)，其中第一級(jí)9臺(tái)羅茨泵，第二級(jí)2臺(tái)羅茨泵，第三級(jí)1臺(tái)羅茨泵，第四級(jí)4臺(tái)螺桿泵。在冷態(tài)調(diào)試時(shí)，對(duì)整個(gè)機(jī)械真空系統(tǒng)的各部件設(shè)備進(jìn)行性能調(diào)試，其中從真空罐至機(jī)械泵組的系統(tǒng)泄漏率僅為約9 kg/h。無(wú)負(fù)載情況下，從大氣壓抽至67 Pa的時(shí)間僅為約280 s，極限真空度可達(dá)0.3 hPa。

（2）熱態(tài)調(diào)試結(jié)果

熱態(tài)調(diào)試時(shí)，在寶鋼特鋼煉鋼VD爐主要生產(chǎn)的GCr5、MnCr5系列、H13、17CrNiMo6和SW718H等5大類鋼種中各考核3個(gè)爐號(hào)，對(duì)機(jī)械泵抽氣開(kāi)始至真空度≤67Pa的時(shí)間、極限真空度以及脫氫、氮、氧能力進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，所有的性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是脫氫在實(shí)際真空處理后達(dá)到了超預(yù)期的效果（＜0.5 mg/L）。

（3）節(jié)能效果

寶鋼特鋼原來(lái)蒸汽泵系統(tǒng)使用的蒸汽是由燃?xì)忮仩t生產(chǎn)供應(yīng)，其工作時(shí)需要過(guò)熱蒸汽，通過(guò)蒸汽的過(guò)熱度來(lái)實(shí)現(xiàn)真空脫氣，故在其生產(chǎn)前需要通過(guò)鍋爐燃燒將蒸汽壓力提高至約1.0 MPa。雖然燃?xì)忮仩t房距離煉鋼VD爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不足200 m，但通過(guò)蒸汽管道將蒸汽從鍋爐房送至VD爐依然存在較大的熱損失，在VD爐生產(chǎn)時(shí)的蒸汽壓力僅約為0.7～0.8 MPa。而蒸汽泵利用蒸汽過(guò)熱度真空脫氣后，蒸汽乏汽則大量放散無(wú)法利用，所以整個(gè)蒸汽泵系統(tǒng)能源利用效率較低。另外，蒸汽泵系統(tǒng)還產(chǎn)生大量的充滿粉塵的廢水，此種廢水需要進(jìn)行冷卻處理，故需要配套循環(huán)冷軋水處理系統(tǒng)，配置水泵、風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)冷卻，需要消耗大量的電能、循環(huán)水的補(bǔ)充新水以及水處理設(shè)施的藥劑和運(yùn)維費(fèi)用，所以蒸汽泵系統(tǒng)的使用成本很高。特別值得提出的是：蒸汽噴射泵要求定期停產(chǎn)，清理噴射泵內(nèi)的粉塵沉積層，勢(shì)必影響生產(chǎn)，會(huì)帶來(lái)成本的增加和生產(chǎn)能力的降低。而且，蒸汽噴射泵粉塵需要在熱井中沉淀，但這種回收水無(wú)法再變成無(wú)粉塵水，這種有腐蝕作用的帶有粉塵顆粒的水流經(jīng)管道和閥門，時(shí)間久了就容易損壞管道而導(dǎo)致漏水。

機(jī)械真空泵系統(tǒng)僅需要拖動(dòng)機(jī)械真空泵組運(yùn)轉(zhuǎn)的電能，除塵系統(tǒng)吹掃用的壓縮空氣，以及儀表用的氮?dú)獾取Ｆ錄](méi)有蒸汽輸送以及放散損失，也沒(méi)有配套水處理設(shè)施強(qiáng)制循環(huán)冷卻所需的各類消耗，故相比蒸汽泵系統(tǒng)，其能源利用效率極高，能源使用成本也極低。在節(jié)能驗(yàn)收期間，共抽氣269爐，抽氣鋼產(chǎn)量11 415 t，消耗電27 209 kWh，消耗壓縮空氣8 320 m3，消耗氮?dú)? 168 m3，能耗共10.31 tce，實(shí)際工序能耗0.90 kgce/t，節(jié)能率高達(dá)97%以上，噸鋼能源成本僅為1.9元/t，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1 200余萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著資源環(huán)境壓力的日益增大，節(jié)能環(huán)保水平已成為鋼鐵企業(yè)體現(xiàn)其競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。國(guó)家將充分利用節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)鋼鐵業(yè)過(guò)剩、落后產(chǎn)能的退出。因此，節(jié)能環(huán)保水平將成為鋼鐵企業(yè)最主要的生命線。面對(duì)越來(lái)越大的節(jié)能減排和環(huán)保壓力，企業(yè)如何踐行環(huán)境經(jīng)營(yíng)理念，以盡可能低的能源成本和全新的商業(yè)模式支撐企業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為一大課題。

寶鋼特鋼以合同能源管理模式實(shí)施機(jī)械真空節(jié)能改造，取得了良好的節(jié)能效果，有效降低了能源使用成本，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，也用實(shí)踐證明機(jī)械真空技術(shù)節(jié)能降本優(yōu)勢(shì)明顯，是一項(xiàng)革命性的節(jié)能新技術(shù)，且在技術(shù)新能上隨著機(jī)械泵大型化及變頻技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)真空度精確控制，設(shè)備維護(hù)量小，可隨時(shí)啟停，特別是在鋼水脫氫方面明顯優(yōu)于蒸汽噴射泵。

[1] 雷貴民，郝宏偉．VD/VOD 爐用的新型機(jī)械真空泵系統(tǒng)[J]．工業(yè)加熱，2013,(05)．

[2] 馬立華，胡兵．機(jī)械真空泵裝置在RH精煉中的應(yīng)用實(shí)踐[J]．重鋼技術(shù)，2014,(04)．

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

加拿大研發(fā)成功高能量長(zhǎng)壽命的石墨烯硅基鋰電池

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授的科研團(tuán)隊(duì)協(xié)同加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司成功開(kāi)發(fā)一種石墨烯硅基鋰離子電池技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)采用55%以上的硅材料作為負(fù)極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過(guò)簡(jiǎn)單高溫處理，實(shí)現(xiàn)電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，其內(nèi)部各材料間的相互協(xié)同效應(yīng)解決了硅材料的體積膨脹、電導(dǎo)率低等問(wèn)題，所測(cè)試的電化學(xué)性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提高了6～7倍，循環(huán)壽命達(dá)到2200次以上。 （電池網(wǎng)）

Mechanical Vacuum Technology Application in BaoSteel Special-Steel VD Boiler

Zhang Hui
BaoSteel Special-Steel Co.,Ltd Energy Environment Protection Department

Mechanical vacuum technology is easy for everyone and the first choice of large scale vacuum degassing system due to its precise control, reliable operation, energy saving and environmental protection. The article introduces aoSteel Special-Steel uses energy management contract mode to implement mechanical vacuum energy conservation renovation, which replaces original steam jet pump with mechanical vacuum pump. It puts forward application case and effect.

VD Boiler, Mechanical Vacuum Pump, Steam Jet Pump

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.010

節(jié)能工程與經(jīng)濟(jì) Energy Conservation Engineering and Economic