燒結余熱發電或拖動系統工程設計優化措施

劉美麗,鄧 丹,靳忠孝,竇艷杰

（西安陜鼓動力股份有限公司工程設計院，陜西西安 710075）

1 前言

鋼鐵工業的能源消耗量約占全國工業總能耗的15%，在鋼鐵企業中，燒結工序能耗占噸鋼能耗的10%～20%，僅次于煉鐵工序。 我國燒結生產的能耗指標和先進國家相比，差距較大，每噸燒結礦的平均能耗要高出20 kg標煤。

從圖1典型的燒結廠熱平衡能流圖可以看出，燒結煙氣平均溫度一般不超過150℃,所含顯熱約占總熱量的23.6%；冷卻機廢氣溫度在100～400℃之間變化,其顯熱約占總熱量的29.3%；燒結生產放散到大氣中的氣體顯熱占燒結總熱耗的50%左右，所以燒結工序節能潛力很大。

馬鋼在2004年引進日本川崎核心技術及關鍵設備建立了國內第一套燒結環冷機廢氣余熱發電機組，隨后國內其他鋼鐵企業開展燒結冷卻機余熱發電技術的探索研究。本文根據多年余熱發電工程設計和總承包經驗，針對我國燒結余熱特點，總結出以最大程度利用燒結廢氣余熱、提高余熱發電系統效率、降低系統自身消耗和最低的建設投資為設計優化原則，對燒結余熱回收工程設計應采用的關鍵技術措施進行了分析和總結，供燒結余熱發電工程設計人員借鑒和參考。

2 燒結余熱發電或拖動系統流程

燒結余熱發電和拖動系統流程如圖2、圖3，包括環冷機余熱利用煙氣系統、汽輪發電機組或拖動系統、余熱鍋爐汽水系統、電氣系統、控制系統、循環水系統和化學水處理系統等。下面主要介紹煙氣流程和汽水流程。

煙氣流程：

圖2 燒結余熱發電的系統流程圖

圖3 燒結余熱拖動的系統流程圖

煙氣流程如圖4，環冷機Ⅰ段的廢氣溫度可達到為380～420℃，環冷機ⅠⅠ段的廢氣溫度為300℃左右，這些廢熱通過雙通道廢氣進氣管道分別進入余熱鍋爐，高溫煙氣經高溫過熱器換熱后，與低溫煙氣混合，再流經高溫蒸發器、低溫過熱器、高溫省煤器、低溫蒸發器和省煤器換熱，經過鍋爐換熱后煙氣降到130℃左右，鍋爐排出的低溫煙氣再經過循環風機增壓送到環冷機下部的環形風箱，穿過高溫的燒結礦料層，自身吸熱后變成高溫廢氣，再次進入余熱鍋爐換熱，形成下一次循環。廢氣再循環可顯著提升環冷機Ⅰ段煙罩、ⅠⅠ段煙罩廢氣溫度，從而提高整個余熱鍋爐的回收品質和效率，減少含塵煙氣直接排空。

圖4 燒結環冷機余熱利用煙風流程圖

汽水流程：

冷卻機廢氣余熱鍋爐采用雙壓系統，自帶除氧裝置。鍋爐給水經凝結水泵加壓，通過低壓鍋爐的省煤器加熱后，進入低壓鍋筒，在鍋筒內自除氧，除氧后的熱水經下降管進入低壓蒸發器，在蒸發器內吸熱后成為汽水混合物又回到鍋筒，在鍋筒內進行汽水分離，飽和蒸汽通過引出管到低壓過熱器，在低壓過熱器被加熱成低壓過熱蒸汽，作為補汽進入補汽凝汽式汽輪機；同時中壓鍋爐給水泵從低壓鍋筒抽水加壓，送入中壓省煤器加熱后，接近飽和溫度的水進入中壓鍋筒，經下降管進入中壓蒸發器，在蒸發器內吸熱后成為汽水混合物又回到鍋筒，在鍋筒內進行汽水分離，飽和蒸汽通過引出管到中壓過熱器，在中壓過熱器被加熱成中壓過熱蒸汽，作為補汽凝汽式汽輪機主蒸汽；兩部分蒸汽在汽輪機做功后，通過冷凝器凝結成水，再經凝結水泵加壓，進入下一次循環。

3 燒結余熱發電或拖動優化設計原則

1）燒結余熱回收系統依附于燒結主線，余熱回收系統任何情況下決不能影響主線的正常生產 ；

2）應遵循以熱定電的原則，燒結線能夠提供多少余熱相應發多少電；

3）不能通過增加燒結礦料焦比，提高煙氣溫度等方式來提高余熱發電量；

4）在不影響主線生產前提下，最大程度利用冷卻機余熱；

5）以充分利用燒結余熱、提高余熱發電系統穩定性和效率、降低余熱發電運行成本為技術突破口，采用最優化工藝方案和技術措施;

6）突破原有思路，采用創新措施，充分考慮工程可行性、投資回收等因素,采用先進技術手段降低建設投資，達到多快好省的目的。

4 最大限度利用燒結余熱措施

4.1 選用新型環冷機

國內唐山冶金機械推出了新型環冷機，解決了密封問題。采用小功率小風量的鼓風冷卻風機，兼顧了燒結礦冷卻和余熱回收，不僅減少了冷卻風量，降低了鼓風機能耗，而且提高了環冷機Ⅰ段煙罩的廢氣溫度，溫度可達到380～420℃，ⅠⅠ段煙罩的廢氣溫度為320℃左右，這樣提高了進入余熱鍋爐的煙氣溫度，保證了余熱發電系統穩定運行，最大程度地利用了燒結礦的余熱，對于新建的生產線可以考慮采用新型環冷機。

4.2 密封改造

對于鼓風冷卻的環冷機漏風主要有四個部位：風箱與臺車的交接處；臺車側板與密封罩的交接處；余熱利用區段的進出端部；臺車本體與臺車側部密封板的交接處。對于這四個重點部位，在余熱利用時要進行密封改造。在取熱段采用減少縫隙，堵塞漏洞的形式，加強冷卻機雙側及軸端動態密封等措施，有效保證煙氣系統的漏風率降到25%以下。并對余熱利用段Ⅰ段煙罩、ⅠⅠ段煙罩的表面及端部進行保溫，防止熱量損失。

4.3 取熱保溫

對于參與取熱的環冷機煙罩及取熱廢氣及廢氣管道，進行保溫處理，可減少散熱損失。

4.4 燒結機煙氣余熱的利用

在燒結正常生產過程中，除了可以利用環冷機的廢氣余熱外，還可回收燒結機尾后段的的煙氣余熱，即通過控制燒結終點，有效利用大煙道倒數后1、2、3風室的煙氣余熱，煙氣平均溫度在380℃左右。

5 提高余熱發電系統穩定性和效率的措施

因燒結工藝特性決定了燒結生產的不穩定性，冷卻機廢氣流量和溫度波動大，造成余熱發電系統運行中存在不穩定性，采用以下措施可提高余熱發電系統穩定性和效率：

5.1 采用多爐一機的系統方案

對于小于150 m2燒結至少需要兩條以上的燒結線的煙氣合并進入一臺鍋爐或者每條燒結線分別配一臺余熱鍋爐，將多臺余熱鍋爐的蒸汽合并，進入一套汽輪發電機組發電；

5.2 采用熱風循環

熱風循環系統由環冷機、余熱鍋爐、循環風機組成，循環風機從鍋爐尾部抽出的低溫廢氣加壓送到環冷機高溫段的風箱中，低溫廢氣向上流動，穿過環冷機高溫段燒結礦層，變成高溫廢氣，送入鍋爐頂部。高溫廢氣在鍋爐中由鍋爐上部向下流動，依次通過鍋爐的過熱器、蒸發器、省煤器，將水加熱成過熱蒸汽，換熱后的廢氣成為低溫廢風，再次由循環風機加壓送到冷卻機的下部的風箱里進行下一次循環。

采取熱風循環后，冷卻機煙氣的溫度可提高約40～50℃左右，使混合后煙氣的溫度可達到380～420℃，提高了余熱回收系統的效率。

5.3 補燃煙氣

在燒結余熱鍋爐附近建設一臺高爐煤氣補燃爐，在環冷機廢氣溫度波動時，根據波動曲線，燃燒高爐煤氣產生高溫煙氣，給環冷機廢氣中補充一部分高溫煙氣，使廢氣溫度保持在350℃以上，再將其通入余熱鍋爐產生穩定蒸汽，使汽輪機發電機組正常工作而不解列。

5.4 補充蒸汽

從廠區蒸汽管網中接一路備用蒸汽至余熱發電主蒸汽管道，當余熱鍋爐出力不足時，備用蒸汽投入使用，保證汽輪機正常運行。

5.5 用補燃爐過熱蒸汽

利用廠區平衡的多余高爐煤氣，送入補燃爐燃燒，加熱燒結余熱鍋爐來的蒸汽，保證進入汽輪機的蒸汽溫度和壓力，達到系統能夠正常運行的目的，或者用一臺補燃爐同時給系統提供過熱蒸汽和高溫煙氣。

5.6 提高凝汽器真空度

凝汽器真空度決定了汽輪機排汽壓力，蒸汽壓力越低排汽焓越低，蒸汽轉化為電能的蒸汽焓差越大，系統發電量也就越大。在設計中為提高凝汽器真空度和穩定性，應優先考慮選用射水抽氣器，采取的措施主要有：①增加射水抽氣器抽干空氣量，降低凝汽器中不凝氣體的含量，從而提高凝汽器真空度；②采用膠球清洗裝置增強凝汽器換熱效果，減少換熱端差，降低凝汽溫度；③設計中選用合理的循環冷卻水倍率，增加循環冷卻水流量。

5.7 合理布局工藝流程

合理布局余熱發電系統工藝管道，降低蒸汽沿程的溫度、壓力損失，提高進入汽輪機蒸汽的品質，從而提高發電量。在設計過程中應合理利用鋼鐵廠現有場地，將汽輪機主廠房布置在燒結生產線附近，縮短余熱鍋爐和汽機房的間距。

同時，煙風管道系統的優化設計關系到風機的性能，換熱阻力大小。在煙風管道中局部阻力遠大于沿程阻力，在設計中優化布置，盡量減少彎頭和高阻力系數的異形件，對減少壓力損失有明顯的作用。采取的措施主要有：①管道盡量簡短，采用緩轉彎頭和斷面緩慢變形的變徑管；②有分流管時設置導流隔板，減少母管死區，降低渦流損失；③對于大截面的煙道降低內部支撐件阻力等。

5.8 管道保溫措施

在燒結余熱利用系統設計中加強煙氣管道、蒸汽管道保溫，都可以進一步利用燒結余熱，提高余熱發電能力。煙氣管道保溫層厚度采用100 mm，高溫蒸汽管道保溫層厚度120 mm、低溫段蒸汽管道保溫層厚度100 mm。

6 選用高效節能設備，減少余熱發電系統廠用電

6.1 余熱鍋爐的選用

冷卻機廢氣余熱鍋爐采用雙壓技術、立式布置自然循環鍋爐。這種鍋爐采用雙通道煙氣進氣系統，高溫煙氣經高溫過熱器換熱后，與低溫煙氣混合，再流經高溫蒸發器、低溫過熱器、高溫省煤器、低溫蒸發器和省煤器換熱，充分利用不同品質的煙氣，實現煙氣余熱的梯級利用。

同時高溫的煙氣產生中壓過熱蒸汽，作為汽輪機的主蒸汽，利用低溫的煙氣產生低壓過熱蒸汽，作為補汽進入補汽凝汽式汽輪機做功發電。一般雙壓鍋爐系統的發電量比單壓系統可提高8%～10%，從而可大幅提高余熱發電量。

鍋爐帶有自除氧裝置，無需單獨設除氧器及加熱蒸汽設備。在余熱鍋爐冷態啟動時，現場無法提供除氧加熱蒸汽的情況下，可有效保障余熱鍋爐正常運行。

6.2 汽輪發電機組的選用

燒結余熱回收采用補汽凝汽式汽輪發電機組或者補汽凝汽式汽輪拖動主抽風機（SHRT機組），有利于提高發電效率。余熱鍋爐產生的中壓蒸汽為主汽進入汽輪機做功，低壓蒸汽從補汽口進入汽輪機低壓段做功。雖然增加了汽輪機末級葉片的高度和制作強度要求，增加了汽輪機的造價，但產生的經濟效益更高，發電功率增加12%左右 。

6.3 循環風機的選用

選擇循環風機時，首先選擇循環風機壓頭，不僅滿足克服余熱鍋爐阻力的需要，將環冷機高、低溫煙氣有效引入余熱鍋爐，又要滿足冷卻環冷機燒結礦料的需要；所選的風機壓頭應適中，過大時會將大量細碎粉塵引入鍋爐煙道，加速煙管磨損，降低余熱鍋爐使用壽命；同時增加環冷機漏入冷風量，風機能耗增大，不利于煙氣的回收利用；風機壓頭過小時，會造成冷風不能穿過熱礦層，影響燒結礦的冷卻效果，還可造成煙氣不能有效進入余熱鍋爐進行熱交換，使余熱鍋爐蒸汽量及品質大幅降低。

選擇循環風機風量時，不僅要滿足額定工況的風量需要，即風量是保證余熱鍋爐換熱量和出力的條件，而且還要滿足系統最大工況時風量的需要。

循環風機應采用變頻調節，滿足風機啟動要求，還能隨著燒結工藝波動進行調節，并節能電耗。

6.4 冷卻方式的選用

自然通風冷卻塔運行和檢修成本低，但占地面積大、初投資成本高。對于裝機容量較小的余熱發電系統采用機力通風冷卻塔更具優勢。而當余熱發電系統所需循環水量很大，如兩條線燒結余熱發電系統共用一套循環冷卻設備時，采用雙曲線自然通風冷卻塔比機力通風冷卻塔更具優勢。對于小型燒結余熱發電站，若選用自然通風冷卻塔時則存在投資回收期較長或者廠區占地條件限制，這時可選用水輪機冷卻塔代替傳統機力通風冷卻塔以降低廠用電。

6.5 采用變頻技術

燒結余熱利用系統中泵與風機的選型是按額定工況加上一定的安全余量進行選擇，但在實際運行中因燒結工藝決定了余熱發電工況條件不斷變化，和額定工況條件差別很大，泵與風機所選的額定流量、揚程較大，實際工況所需量較小，需要通過閥門節流調節到合適的流量與揚程。而閥門節流損失較大，電機消耗的電量大于實際所需電量，所以廠用電率較高。

使用變頻控制電機時，當系統所需流量變化時可通過調節泵與風機轉速而調節流量，與余熱發電工況相匹配，降低功耗。根據燒結余熱利用運行的經驗，當凝結水泵、鍋爐給水泵、循環水泵、循環風機和冷卻塔風機均采用變頻時，廠用電率可降低至8%以下，大大降低運行成本。

7 結論

本文旨在提高工程設計人員對燒結余熱利用熱力系統的認識，余熱利用技術也能得到進一步的提升。總結提高余熱發電技術的措施，在設計過程中，可以根據不同的燒結余熱情況，合理布局余熱發電或拖動工藝、應用先進技術措施進行系統優化，進一步提高燒結余熱發電能力、降低工程建設造價和運行成本。

【1】彭巖.純低溫余熱發電雙壓技術分析[J]，中國鋼鐵，2006（6）

【2】黃錦濤，彭巖，郝景周等.純低溫雙壓余熱發電系統性能分析與參數優化[J].鍋爐技術，2009,40（2）:1-4