烧结余热发电或拖动系统工程设计优化措施

刘美丽,邓 丹,靳忠孝,窦艳杰

（西安陕鼓动力股份有限公司工程设计院，陕西西安 710075）

1 前言

钢铁工业的能源消耗量约占全国工业总能耗的15%，在钢铁企业中，烧结工序能耗占吨钢能耗的10%～20%，仅次于炼铁工序。 我国烧结生产的能耗指标和先进国家相比，差距较大，每吨烧结矿的平均能耗要高出20 kg标煤。

从图1典型的烧结厂热平衡能流图可以看出，烧结烟气平均温度一般不超过150℃,所含显热约占总热量的23.6%；冷却机废气温度在100～400℃之间变化,其显热约占总热量的29.3%；烧结生产放散到大气中的气体显热占烧结总热耗的50%左右，所以烧结工序节能潜力很大。

马钢在2004年引进日本川崎核心技术及关键设备建立了国内第一套烧结环冷机废气余热发电机组，随后国内其他钢铁企业开展烧结冷却机余热发电技术的探索研究。本文根据多年余热发电工程设计和总承包经验，针对我国烧结余热特点，总结出以最大程度利用烧结废气余热、提高余热发电系统效率、降低系统自身消耗和最低的建设投资为设计优化原则，对烧结余热回收工程设计应采用的关键技术措施进行了分析和总结，供烧结余热发电工程设计人员借鉴和参考。

2 烧结余热发电或拖动系统流程

烧结余热发电和拖动系统流程如图2、图3，包括环冷机余热利用烟气系统、汽轮发电机组或拖动系统、余热锅炉汽水系统、电气系统、控制系统、循环水系统和化学水处理系统等。下面主要介绍烟气流程和汽水流程。

烟气流程：

图2 烧结余热发电的系统流程图

图3 烧结余热拖动的系统流程图

烟气流程如图4，环冷机Ⅰ段的废气温度可达到为380～420℃，环冷机ⅠⅠ段的废气温度为300℃左右，这些废热通过双通道废气进气管道分别进入余热锅炉，高温烟气经高温过热器换热后，与低温烟气混合，再流经高温蒸发器、低温过热器、高温省煤器、低温蒸发器和省煤器换热，经过锅炉换热后烟气降到130℃左右，锅炉排出的低温烟气再经过循环风机增压送到环冷机下部的环形风箱，穿过高温的烧结矿料层，自身吸热后变成高温废气，再次进入余热锅炉换热，形成下一次循环。废气再循环可显著提升环冷机Ⅰ段烟罩、ⅠⅠ段烟罩废气温度，从而提高整个余热锅炉的回收品质和效率，减少含尘烟气直接排空。

图4 烧结环冷机余热利用烟风流程图

汽水流程：

冷却机废气余热锅炉采用双压系统，自带除氧装置。锅炉给水经凝结水泵加压，通过低压锅炉的省煤器加热后，进入低压锅筒，在锅筒内自除氧，除氧后的热水经下降管进入低压蒸发器，在蒸发器内吸热后成为汽水混合物又回到锅筒，在锅筒内进行汽水分离，饱和蒸汽通过引出管到低压过热器，在低压过热器被加热成低压过热蒸汽，作为补汽进入补汽凝汽式汽轮机；同时中压锅炉给水泵从低压锅筒抽水加压，送入中压省煤器加热后，接近饱和温度的水进入中压锅筒，经下降管进入中压蒸发器，在蒸发器内吸热后成为汽水混合物又回到锅筒，在锅筒内进行汽水分离，饱和蒸汽通过引出管到中压过热器，在中压过热器被加热成中压过热蒸汽，作为补汽凝汽式汽轮机主蒸汽；两部分蒸汽在汽轮机做功后，通过冷凝器凝结成水，再经凝结水泵加压，进入下一次循环。

3 烧结余热发电或拖动优化设计原则

1）烧结余热回收系统依附于烧结主线，余热回收系统任何情况下决不能影响主线的正常生产 ；

2）应遵循以热定电的原则，烧结线能够提供多少余热相应发多少电；

3）不能通过增加烧结矿料焦比，提高烟气温度等方式来提高余热发电量；

4）在不影响主线生产前提下，最大程度利用冷却机余热；

5）以充分利用烧结余热、提高余热发电系统稳定性和效率、降低余热发电运行成本为技术突破口，采用最优化工艺方案和技术措施;

6）突破原有思路，采用创新措施，充分考虑工程可行性、投资回收等因素,采用先进技术手段降低建设投资，达到多快好省的目的。

4 最大限度利用烧结余热措施

4.1 选用新型环冷机

国内唐山冶金机械推出了新型环冷机，解决了密封问题。采用小功率小风量的鼓风冷却风机，兼顾了烧结矿冷却和余热回收，不仅减少了冷却风量，降低了鼓风机能耗，而且提高了环冷机Ⅰ段烟罩的废气温度，温度可达到380～420℃，ⅠⅠ段烟罩的废气温度为320℃左右，这样提高了进入余热锅炉的烟气温度，保证了余热发电系统稳定运行，最大程度地利用了烧结矿的余热，对于新建的生产线可以考虑采用新型环冷机。

4.2 密封改造

对于鼓风冷却的环冷机漏风主要有四个部位：风箱与台车的交接处；台车侧板与密封罩的交接处；余热利用区段的进出端部；台车本体与台车侧部密封板的交接处。对于这四个重点部位，在余热利用时要进行密封改造。在取热段采用减少缝隙，堵塞漏洞的形式，加强冷却机双侧及轴端动态密封等措施，有效保证烟气系统的漏风率降到25%以下。并对余热利用段Ⅰ段烟罩、ⅠⅠ段烟罩的表面及端部进行保温，防止热量损失。

4.3 取热保温

对于参与取热的环冷机烟罩及取热废气及废气管道，进行保温处理，可减少散热损失。

4.4 烧结机烟气余热的利用

在烧结正常生产过程中，除了可以利用环冷机的废气余热外，还可回收烧结机尾后段的的烟气余热，即通过控制烧结终点，有效利用大烟道倒数后1、2、3风室的烟气余热，烟气平均温度在380℃左右。

5 提高余热发电系统稳定性和效率的措施

因烧结工艺特性决定了烧结生产的不稳定性，冷却机废气流量和温度波动大，造成余热发电系统运行中存在不稳定性，采用以下措施可提高余热发电系统稳定性和效率：

5.1 采用多炉一机的系统方案

对于小于150 m2烧结至少需要两条以上的烧结线的烟气合并进入一台锅炉或者每条烧结线分别配一台余热锅炉，将多台余热锅炉的蒸汽合并，进入一套汽轮发电机组发电；

5.2 采用热风循环

热风循环系统由环冷机、余热锅炉、循环风机组成，循环风机从锅炉尾部抽出的低温废气加压送到环冷机高温段的风箱中，低温废气向上流动，穿过环冷机高温段烧结矿层，变成高温废气，送入锅炉顶部。高温废气在锅炉中由锅炉上部向下流动，依次通过锅炉的过热器、蒸发器、省煤器，将水加热成过热蒸汽，换热后的废气成为低温废风，再次由循环风机加压送到冷却机的下部的风箱里进行下一次循环。

采取热风循环后，冷却机烟气的温度可提高约40～50℃左右，使混合后烟气的温度可达到380～420℃，提高了余热回收系统的效率。

5.3 补燃烟气

在烧结余热锅炉附近建设一台高炉煤气补燃炉，在环冷机废气温度波动时，根据波动曲线，燃烧高炉煤气产生高温烟气，给环冷机废气中补充一部分高温烟气，使废气温度保持在350℃以上，再将其通入余热锅炉产生稳定蒸汽，使汽轮机发电机组正常工作而不解列。

5.4 补充蒸汽

从厂区蒸汽管网中接一路备用蒸汽至余热发电主蒸汽管道，当余热锅炉出力不足时，备用蒸汽投入使用，保证汽轮机正常运行。

5.5 用补燃炉过热蒸汽

利用厂区平衡的多余高炉煤气，送入补燃炉燃烧，加热烧结余热锅炉来的蒸汽，保证进入汽轮机的蒸汽温度和压力，达到系统能够正常运行的目的，或者用一台补燃炉同时给系统提供过热蒸汽和高温烟气。

5.6 提高凝汽器真空度

凝汽器真空度决定了汽轮机排汽压力，蒸汽压力越低排汽焓越低，蒸汽转化为电能的蒸汽焓差越大，系统发电量也就越大。在设计中为提高凝汽器真空度和稳定性，应优先考虑选用射水抽气器，采取的措施主要有：①增加射水抽气器抽干空气量，降低凝汽器中不凝气体的含量，从而提高凝汽器真空度；②采用胶球清洗装置增强凝汽器换热效果，减少换热端差，降低凝汽温度；③设计中选用合理的循环冷却水倍率，增加循环冷却水流量。

5.7 合理布局工艺流程

合理布局余热发电系统工艺管道，降低蒸汽沿程的温度、压力损失，提高进入汽轮机蒸汽的品质，从而提高发电量。在设计过程中应合理利用钢铁厂现有场地，将汽轮机主厂房布置在烧结生产线附近，缩短余热锅炉和汽机房的间距。

同时，烟风管道系统的优化设计关系到风机的性能，换热阻力大小。在烟风管道中局部阻力远大于沿程阻力，在设计中优化布置，尽量减少弯头和高阻力系数的异形件，对减少压力损失有明显的作用。采取的措施主要有：①管道尽量简短，采用缓转弯头和断面缓慢变形的变径管；②有分流管时设置导流隔板，减少母管死区，降低涡流损失；③对于大截面的烟道降低内部支撑件阻力等。

5.8 管道保温措施

在烧结余热利用系统设计中加强烟气管道、蒸汽管道保温，都可以进一步利用烧结余热，提高余热发电能力。烟气管道保温层厚度采用100 mm，高温蒸汽管道保温层厚度120 mm、低温段蒸汽管道保温层厚度100 mm。

6 选用高效节能设备，减少余热发电系统厂用电

6.1 余热锅炉的选用

冷却机废气余热锅炉采用双压技术、立式布置自然循环锅炉。这种锅炉采用双通道烟气进气系统，高温烟气经高温过热器换热后，与低温烟气混合，再流经高温蒸发器、低温过热器、高温省煤器、低温蒸发器和省煤器换热，充分利用不同品质的烟气，实现烟气余热的梯级利用。

同时高温的烟气产生中压过热蒸汽，作为汽轮机的主蒸汽，利用低温的烟气产生低压过热蒸汽，作为补汽进入补汽凝汽式汽轮机做功发电。一般双压锅炉系统的发电量比单压系统可提高8%～10%，从而可大幅提高余热发电量。

锅炉带有自除氧装置，无需单独设除氧器及加热蒸汽设备。在余热锅炉冷态启动时，现场无法提供除氧加热蒸汽的情况下，可有效保障余热锅炉正常运行。

6.2 汽轮发电机组的选用

烧结余热回收采用补汽凝汽式汽轮发电机组或者补汽凝汽式汽轮拖动主抽风机（SHRT机组），有利于提高发电效率。余热锅炉产生的中压蒸汽为主汽进入汽轮机做功，低压蒸汽从补汽口进入汽轮机低压段做功。虽然增加了汽轮机末级叶片的高度和制作强度要求，增加了汽轮机的造价，但产生的经济效益更高，发电功率增加12%左右 。

6.3 循环风机的选用

选择循环风机时，首先选择循环风机压头，不仅满足克服余热锅炉阻力的需要，将环冷机高、低温烟气有效引入余热锅炉，又要满足冷却环冷机烧结矿料的需要；所选的风机压头应适中，过大时会将大量细碎粉尘引入锅炉烟道，加速烟管磨损，降低余热锅炉使用寿命；同时增加环冷机漏入冷风量，风机能耗增大，不利于烟气的回收利用；风机压头过小时，会造成冷风不能穿过热矿层，影响烧结矿的冷却效果，还可造成烟气不能有效进入余热锅炉进行热交换，使余热锅炉蒸汽量及品质大幅降低。

选择循环风机风量时，不仅要满足额定工况的风量需要，即风量是保证余热锅炉换热量和出力的条件，而且还要满足系统最大工况时风量的需要。

循环风机应采用变频调节，满足风机启动要求，还能随着烧结工艺波动进行调节，并节能电耗。

6.4 冷却方式的选用

自然通风冷却塔运行和检修成本低，但占地面积大、初投资成本高。对于装机容量较小的余热发电系统采用机力通风冷却塔更具优势。而当余热发电系统所需循环水量很大，如两条线烧结余热发电系统共用一套循环冷却设备时，采用双曲线自然通风冷却塔比机力通风冷却塔更具优势。对于小型烧结余热发电站，若选用自然通风冷却塔时则存在投资回收期较长或者厂区占地条件限制，这时可选用水轮机冷却塔代替传统机力通风冷却塔以降低厂用电。

6.5 采用变频技术

烧结余热利用系统中泵与风机的选型是按额定工况加上一定的安全余量进行选择，但在实际运行中因烧结工艺决定了余热发电工况条件不断变化，和额定工况条件差别很大，泵与风机所选的额定流量、扬程较大，实际工况所需量较小，需要通过阀门节流调节到合适的流量与扬程。而阀门节流损失较大，电机消耗的电量大于实际所需电量，所以厂用电率较高。

使用变频控制电机时，当系统所需流量变化时可通过调节泵与风机转速而调节流量，与余热发电工况相匹配，降低功耗。根据烧结余热利用运行的经验，当凝结水泵、锅炉给水泵、循环水泵、循环风机和冷却塔风机均采用变频时，厂用电率可降低至8%以下，大大降低运行成本。

7 结论

本文旨在提高工程设计人员对烧结余热利用热力系统的认识，余热利用技术也能得到进一步的提升。总结提高余热发电技术的措施，在设计过程中，可以根据不同的烧结余热情况，合理布局余热发电或拖动工艺、应用先进技术措施进行系统优化，进一步提高烧结余热发电能力、降低工程建设造价和运行成本。

【1】彭岩.纯低温余热发电双压技术分析[J]，中国钢铁，2006（6）

【2】黄锦涛，彭岩，郝景周等.纯低温双压余热发电系统性能分析与参数优化[J].锅炉技术，2009,40（2）:1-4