燒結余熱發電系統經濟最優化技術研究

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燒結余熱發電系統經濟最優化技術研究

王濤,王鐵民,陳素君

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山063200)

【摘要】燒結工序能源消耗較大，燒結煙氣及環冷機熱廢氣蘊含熱量多，回收利用數量少。針對燒結工序生產不穩定的特點，結合燒結余熱發電技術對全部回收利用燒結環冷機芋段煙氣余熱及最佳補燃煤氣量進行了可行性探討，最終確定燒結余熱發電系統補燃至中溫中壓參數經濟最優。

【關鍵詞】燒結；環冷機；發電；補燃

1　前言

鋼鐵行業是我國各行業中的耗能大戶，其能源消耗量占全國總能源消耗量的比重約12%~15%。節能和能源安全已經成為影響我國冶金行業正常發展的關鍵因素。

燒結工序是鋼鐵企業生產流程中的耗能大戶,其能耗僅次于煉鐵工序,約占鋼鐵產業總能耗的10%。而在燒結工序總能耗中又有近50%的能耗都是以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣,既浪費熱能又污染環境。如何有效的回收利用這部分熱量已經引起了人們的高度重視。燒結余熱發電系統是回收此部分余熱的一種有效方法。

2　基本原理與技術難點

700~800益的高溫燒結礦在帶冷機或環冷機上通過強制鼓風進行冷卻，底部鼓入的冷風在穿過燒結礦層時與熱燒結礦進行換熱，產生大量200~450益高溫廢氣。將這些高溫的廢氣通過引風機引入鍋爐，產生中壓及以下壓力等級的蒸汽，推動汽輪機轉動從而帶動發電機發電。

此工藝的技術難點在于燒結工序的生產既存在由于設備突然故障引發的非計劃檢修，又存在與高爐休風配合的計劃檢修，且檢修時間長短不定，使燒結余熱熱源不穩定，系統設計難度大。二是實際運行中，余熱回收系統設計工況點偏離實際工況點太大，系統熱效率偏低。所以，提高燒結余熱熱源的穩定性和提高系統熱效率是燒結余熱發電未來發展過程中必須持續關注的問題。

3　國內燒結余熱發電技術現狀

自2009年開始，國內鋼鐵企業逐漸應用了燒結余熱發電技術回收燒結環冷機余熱資源，具體參數見表1。

從表1所述燒結余熱發電技術的應用情況看，可以發現兩個問題，一是燒結余熱發電系統只回收利用了環冷機一段及部分二段高溫余熱資源，余熱回收總量少；二是余熱發電系統選用的蒸汽參數較低，最高壓力只達到次中壓水平，還未出現采用中溫中壓蒸汽參數的燒結余熱發電系統。

本文從增加余熱回收總量及提高發電系統參數兩個方面開展了理論技術研究，期望為燒結余熱發電系統未來的發展提供方向。

表1　具有代表性的燒結余熱發電系統參數

4　系統最優分析

本文以某公司550 m2燒結機系統為例，從提高余熱回收總量和提高機組效率并穩定系統運行兩個方面開展了理論研究。

4.1設備情況：

550 m2燒結機配套環冷機設備情況如下：

離心鼓風機數量：6臺；

單臺風量:10000～11000 m3/min；

出料溫度:≥120益；

冷卻時間約80 min；

進料溫度約700～850益；

環冷機臺車（長伊寬伊高）：1.5 m×3.9 m×1.5 m；

回轉中徑:Φ53m；

臺車寬度: 3.9 m；

有效冷卻面積:580 m2；

最大料厚: 1400 mm

有效冷卻時間: 80 min

冷卻方式:鼓風強制冷卻

進料溫度: 750耀850益

排料溫度:臆120益

回轉一周的時間: 45耀135 min（變頻調速）

燒結機不同狀態下煙氣溫度變化情況見表2。

表2　燒結機不同狀態下煙氣溫度變化情況　益

如圖1，補燃爐采用3#段熱風作為助燃空氣，通過爐內燃燒，控制補燃爐出口溫度為500益，用于產生過熱蒸汽，然后其煙氣與環冷機玉段、域段煙氣混合后進入余熱鍋爐蒸發受熱面換熱直至排出余熱鍋爐。在燒結短時間停機時，完全可以采用補燃裝置產生的高溫煙氣，產生蒸汽，維護汽輪機溫度運行，提高電站作業率。

圖1　補燃式燒結余熱發電系統圖

4.2經濟性分析

根據卡諾循環定律，系統吸熱的平均溫度越高，放熱的平均溫度越低，整個系統的熱效率就越高。常規燒結余熱發電機組蒸汽參數只能達到2.0 MPa，350益左右，距離中溫中壓參數3.82 MPa，450益還有很大差距。因此必須采用補燃技術。補燃技術不僅能夠提高環冷機熱廢氣的最高溫度，提高系統的蒸汽參數而且能夠起到穩定系統、增加余熱回收總量的目的。

本文以未采用補燃技術的方案為基礎，以補燃煤氣至次中壓、中壓及高壓發電系統的三個方案為備選項，通過方案對比，確定在不同壓力等級下的的最佳煤氣補燃量，及最佳的補燃收益方案。

余熱回收加補燃綜合利用效率：

In—環冷機第n段余熱焓值，kJ/m3；

Qn—環冷機第n段余熱煙氣量，m3/h；

濁y—環冷機第n段余熱利用效率，%；

Qv—補燃煤氣量，m3/h；

Qed—補燃煤氣熱值，kJ/m3；

濁BFG—補燃煤氣利用效率，%；

表3、表4、表5為理論分析出的不同壓力等級下煤氣補燃量與補燃增加效益的結果。

從表3中可以看出，在補燃至次中壓等級壓力下，單爐補燃煤氣量最佳值為15000 m3/h，此時煤氣補燃帶來的效益達到最大。

從表4可以看出，在補燃至中壓等級情況下，最佳單爐補燃煤氣量為22000 m3/h，此時煤氣補燃的效益達到最大。

表3　補燃至次中壓最優煤氣量計算表

表4　補燃至中壓最優煤氣量計算表

表5　補燃至高壓最優煤氣量計算表

從表5可以看出，在補燃至高壓等級情況下，最佳單爐補燃煤氣量為93500 m3/h，此時煤氣補燃的效益達到最大。

通過表3、表4、表5數據比較結果，隨著補燃參數的提高，系統熱效率都是持續升高的趨勢。但次中壓情況下，每補燃入1 m3高爐煤氣可以帶來0.1225 kWh的發電收益，而至中壓參數后，每補燃入1 m3高爐煤氣可以帶來0.1475 kWh的發電收益，最后至高壓參數后，不僅不能帶來發電收益的增加，反而使補燃增加的效益降低。由此可見，采用補燃技術提高蒸汽參數至中溫中壓才是最佳的燒結余熱發電技術方案。

5　結論

通過對補燃燒結余熱發電系統進行不同壓力等級下經濟效益及效率的對比，形成以下結論：

（1）隨著補燃煤氣量的增加，燒結余熱發電系統的熱效率是持續上升的，最終熱效率將會達到同等壓力的純煤氣鍋爐效率。

（2）補燃煤氣可以提高燒結余熱發電系統的經濟效益及穩定性，但并不是蒸汽參數越高越好，補燃至中溫中壓等級是最優工況點。

[參考文獻]

[1]楊肇博,劉冠男,單中闖,劉鴻雁等.高爐煤氣補燃裝置在燒結余熱發電中的應用[J].礦業工程.2014, 2 (1).

[2]張紅靜等.普陽鋼鐵燒結工序余熱利用技術[J].節能與環保.2014, (1).

[3]張蘭芳,陳長景等.燒結冷卻機低溫余熱發電技術及經濟分析[J].發電設備.2010,(1).

[4]盧紅軍，戚云峰.燒結余熱的基本特點及對燒結余熱發電的影響[J].燒結球團，2008，33（1）：35-36.

供排水

A Study on the Economic Optimization Technology for Sintering Waste Heat Power Generation System

Wang Tao, Wang Tiemin, Chen Sujun

(Energy and Environment Dept., Shougang Jingtang United Iron & steel Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063200, China)

[Abstract]Sintering process consumes much energy and produces large amount of flue gas and circular cooler waste gas containing huge heat, most of which are not recovered. In view of the instable characteristics of sintering production, the feasibility of complete recovery and utilization of flue gas waste heat of sintering ring cooler and the best combustion of BFG volume in combination with the sintering waste heat power generation technology was dis原cussed. It was finally determined that the sintering waste heat power generation system with the parameters of afterburning to medium temperature and medium pressure is economically optimal.

[Keywords]sinter; ring cooler; electricity generation; afterburning

作者簡介：王濤（1981-），男，碩士研究生，熱能專業工程師，現從事熱能技術管理工作

收稿日期：2015-04-25

【文章編號】1006-6764（2015）12-0049-04

【文獻標識碼】B

【中圖分類號】TM617