Topdrukherstelturbine voor hoogovengas: Optimalisatie van energie-efficiëntie

Moderne hoogovens in staalfabrieken opereren bij een hoge topgasdruk. Het hoogovengas (BF gas) dat de BF aan de top verlaat behoudt nog een druk van ongeveer 1,6 kg/cm² (g) tot 3 kg/cm² (g) en heeft een temperatuur van ongeveer 200 °C. Dit BF gas dat bovenaan een BF uitkomt wordt gereinigd om stof te verwijderen en het gereinigde gas wordt in de staalfabriek gebruikt als brandstof voor verwarmingsdoeleinden bij een relatief lage druk. In het proces gaat een grote hoeveelheid drukenergie verloren over de klep. De topdrukherstelturbine (TRT) voor BF gas is een mechanisme dat de warmte- en drukenergie van het BF topgas benut om een turbine aan te drijven. Het werk gegenereerd door de turbine wordt overgedragen aan een generator en omgezet in elektrisch vermogen. De TRT genereert vermogen door een bekende eigenschap van alle gassen te exploiteren: de expansie van gasvolume bij vermindering van de druk. Het systeem bestaat uit stofafscheidingapparatuur, een gasturbine en een generator.

Energiebesparing en vermogensopwekking

De TRT is eigenlijk een energiebesparingsmaatregel bij de BF die de afvaldrukenergie van het BF topgas benut om elektrisch vermogen op te wekken. Een TRT-eenheid kan ongeveer 15 tot 60 kWh/t gietijzer (HM) produceren. De uitgang kan ongeveer 30% van het vermogen voldoen dat nodig is door alle apparatuur (inclusief de blower) van de BF. Het BF gas dat de TRT-eenheid verlaat kan nog steeds als brandstof in de staalfabriek gebruikt worden.

Tijdens het ijzerproductieproces wordt BF gas met hoge druk en temperatuur geproduceerd in de hoogoven. In conventionele praktijk wordt de energie van BF gas verspild door drukvermindering bij de septumklep. Het uitrusten met een TRT-eenheid is de beste manier om de druk- en thermische energieën van BF gas te herwinnen. Een TRT-eenheid wordt normaal geïnstalleerd in de downstream van gasreinigingsapparatuur voor een hoogoven. Normaal is het economisch om TRT uit te rusten op hoogovens met capaciteiten groter dan 1.000 m³.

Het TRT-systeem is een vermogensopwekkingssysteem, dat de fysieke energie van hoogdruk BF topgas omzet in elektriciteit door gebruik te maken van een expansieturbine. Hoewel het drukverschil laag is, maken de grote gasvolumes de herwinning economisch haalbaar. De sleuteltechnologie van TRT is het waarborgen van de stabiele en hoge efficiënte operatie van de expansieturbine in stoffige hoogovencondities, zonder de BF operatie te belemmeren.

Belangrijke parameters voor een TRT-eenheid

Er zijn diverse belangrijke parameters voor een TRT-eenheid die de prestaties van de TRT en de vermogensuitgang ervan bepalen. Deze belangrijke parameters zijn als volgt:

• Volume van BF topgas
• Druk van BF gas aan de top van de hoogoven
• Drukval over de gasreinigingsinstallatie (GRI)
• Temperatuur van BF gas na de GRI
• Druk van BF gas aan de uitlaat van de TRT
• Kwaliteit van het BF gas aan de top van de hoogoven
• Efficiëntie van TRT
• Efficiëntie van de generator gekoppeld met de TRT

Het topgas van de hoogoven bevat typisch ongeveer 5 g/N m³ stof en moet door een gasreinigingsinstallatie (GRI) geleid worden om de hoeveelheid stof te verlagen tot onder 5 mg/N m³. De reductie in stofinhoud is noodzakelijk voor de juiste operatie van TRT.

Nat en droge gasschoonmaaksystemen

BF topgassystemen met TRT-eenheden worden gecategoriseerd als natte en droge gasschoonmaaksystemen, afhankelijk van de methode die ze gebruiken om de stofdeeltjes te verwijderen. Droge systemen gebruiken minder water en elektriciteit. Ze hebben minder drukval en de gastemperatuur is hoger met ongeveer 50 °C vergeleken met het natte type systeem. Met droog type gasschoonmaak kan het TRT-systeem typisch 30% meer vermogen produceren met een mogelijkheid om tot 60% meer vermogen te genereren. Droge systemen worden daarom beschouwd als gunstigere economie.

Turbinesoorten

Er zijn twee typen turbines: radiale en axiale turbines. Op dit moment worden axiale turbines breed gebruikt in TRT omdat ze meer geschikt zijn om met een grote stroomsnelheid om te gaan. De TRT is meestal een meertraps variabele type expansieturbine met axiale stroom reactieontwerp en wordt normaal geleverd met horizontale gesplitste behuizing en een regelaarsnelheid van 3.000 toer/min. De TRT neemt doorgaans een borstelloze excitatie synchrone stroomgenerator aan. De generator is meestal geschikt ontworpen om te opereren onder alle belastingcondities opgelegd door de turbine waaraan het verbonden zal zijn. De TRT generator genereert meestal bij 6,6 kV en wordt dan opgetrapt tot 33 kV via 6,6kV/33 kV optraptransformator.

Topdrukstabiliteit en regeling

De stabiliteit van de topdruk is van cruciale betekenis. De kleine fluctuaties van de topdruk zijn voordelig voor de operatie van de BF. De topdruk wordt geregeerd door het openen of sluiten van de eerste trap statorbladen van de turbine in overeenstemming met de toename of afname van het BF gasvolume. Met een conventionele turbine werd een regelaarklep ook in combinatie gebruikt voor het regelen van de topdruk. Een regelaarklep induceert echter een groter drukverlies in vergelijking met statorbladen en was dus nadelig in het oogpunt van vermogensherwinning en geluidspreventie. Daarom is in het nu wijd gebruikte systeem de regelaarklep geëlimineerd en wordt de topdruk alleen geregeerd door de eerste trap statorbladen.

Schematische stroomdiagrammen

Het typische schematische stroomdiagram voor natte en droge TRT systemen is getoond in Figuur 1.

Na het verzamelen van stof door gasreinigingsapparatuur, wordt schoon BF gas geleid naar de turbine via een inlaatvlinderklep en een inlaatklep. Normaal gesloten bypasskleppen en open noodafsluitklep worden gebruikt voor noodgevallen.

In de TRT wordt het mechanische werk gegenereerd door de turbine overgedragen aan een generator voor elektrisch vermogen. BF gas met lage druk en temperatuur gaat in de gaslijn via de uitlaatklep.

Operatiefasen

De operatie van TRT kan verdeeld worden in twee fasen: (i) opstartfase en (ii) normale draaifase. In de opstartfase moeten alle voorbereidingen zoals hydraulisch subsysteem gecontroleerd worden. Dan wordt een signaal voor het starten van TRT gestuurd naar de BF operator. Als de BF operator instemt met het verzoek, zullen de inlaatvlinderklep en noodafsluitklep openen. De snelheid van de turbine wordt geregeerd door de inlaatvlinderklep en de topgasdruk wordt geregeerd door de septumblaaien. Totdat de turbine de vereiste draaisnelheid bereikt, worden de septumblaaien langzaam gesloten. Dan gaat de opstartfase over in de normale draaifase. In de normale draaifase wordt de topgasdruk volledig geregeerd door de eerste trap statorbladen van de turbine. De topdruk wordt geregeerd door het openen of sluiten van de eerste trap statorbladen van de turbine.

Onder omstandigheden waarin de gewenste topgasdruk en het topgasvolume niet beschikbaar zijn, kan het gas de TRT omzeilen. Een gesloten type hoge druk klep, voorzien in het circuit, zorgt voor ononderbroken operatie van de hoogoven onder omstandigheden van complete isolatie van de TRT (bijv. tijdens de onderhoudsfase).

Voordelen van TRT

Het TRT-systeem kan gesynchroniseerd worden met het stroomverdelingssysteem van de staalfabriek. De TRT-installatie heeft meestal dezelfde beschikbaarheid als de hoogoven wat 350 dagen jaarlijkse operatie is. De hulpverbruik van de TRT stroomcentrale is erg laag.

TRT is een bewezen technologie en er is heel weinig risico in de installatie of operatie. Als het TRT-systeem om enige reden faalt, wordt het expanderende gas geaccommodeerd in de bestaande wasser. Dit is normaal in hoogovens die geen TRT-systeem geïnstalleerd hebben.

Er is geen invloed op de operatie van de hoogoven en het BF gas wordt niet verbruikt. Aangezien BF gas heel goed brandbaar is, wordt het normaal benut in andere delen van de fabriek om warmte of energie voor andere processen te genereren. Met het TRT-systeem geïnstalleerd, genereert het BF gas effectief twee keer energie – eenmaal in de turbine en weer wanneer het verbrand wordt voor zijn gewone doel.

TRT is een schonere en energie-efficiënte technologie aangezien het benutting van drukenergie in procesafvalgasstroom mogelijk maakt. TRT wordt gebruikt voor energiebesparing en om de emissie van broeikasgassen te verminderen. Terwijl de economische voordelen van het installeren van TRT aanzienlijk zijn, zijn de milieuvoordelen ook een belangrijke overweging. TRT is heel duurzaam aangezien er nul emissies zijn van het proces van elektriciteitsproductie met deze technologie. Het proces is 100% groen.

Kortom, TRT heeft de volgende kenmerken:

• Het is een energiebesparingstechnologie gebruikt in een hoogoven van een staalfabriek
• Het is een vermogensopwekkingsapparatuur voorzien van een functie om de topdruk van een hoogoven te regelen
• Vermogen wordt gegenereerd door een turbine aan te drijven met hoogovengas gegenereerd in een hoogoven
• Geen brandstof is nodig voor vermogensopwekking
• Aangezien geen brandstof verbrand wordt, is er geen generatie van CO2 of andere broeikasgassen
• TRT-systeem bijdraagt aan CO2 reductie in overeenstemming met het vermogensopwekkingsvolume
• TRT-systeem genereert minder geluid in vergelijking met een conventionele septumklep, wat bijdraagt aan verbetering van de omgeving rond een hoogoven
• Geen geavanceerde technologie is nodig voor operatie en onderhoud van TRT-systeem en kan dus gemakkelijk uitgevoerd worden door BF operatie- en onderhoudspersoneel
• Alleen kleine hoeveelheden water, stikstof, etc. zijn vereist voor operatie, wat gemakkelijk gedekt kan worden door bestaande apparatuur voor een hoogoven