節(jié)能減排 促進(jìn)燒結(jié)系統(tǒng)余熱資源的綜合利用——淺談燒結(jié)冷卻系統(tǒng)余熱的發(fā)電應(yīng)用

濟(jì)鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司 孫新安 宋慧昌 李會(huì)龍

0 引言

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，燒結(jié)工序的能耗約占總能耗的10%，僅次于煉鐵工序，位居第二。在燒結(jié)工序總能耗中，有近50%的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣。由于燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣的溫度不高，為150~450 ℃，加上此前余熱回收技術(shù)的局限，燒結(jié)冷卻廢氣余熱回收項(xiàng)目往往給人以“造價(jià)高，發(fā)電少，回收年限長(zhǎng)”的印象，長(zhǎng)期以來被人們忽略遺忘。

隨著近幾年來低溫余熱回收技術(shù)突飛猛進(jìn)，鋼鐵行業(yè)的余熱回收項(xiàng)目造價(jià)大幅度降低，同時(shí)余熱回收效率大幅提高。

上世紀(jì) 90年代以來，國(guó)內(nèi)一些鍋爐廠結(jié)合鋼鐵行業(yè)余熱回收利用的特點(diǎn)已成功開發(fā)出不同類型的余熱鍋爐，在技術(shù)上獲得重大突破，為鋼鐵行業(yè)余熱回收創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。目前正是國(guó)家能源緊缺、大力提倡生產(chǎn)過程節(jié)能降耗的關(guān)鍵時(shí)期，國(guó)家有關(guān)部門對(duì)企業(yè)節(jié)能指標(biāo)提出了很高的要求。在這樣的形勢(shì)和技術(shù)條件下，一些有遠(yuǎn)見的鋼鐵企業(yè)，迅速啟動(dòng)各種余熱回收項(xiàng)目，不但解決了鋼鐵企業(yè)的節(jié)能降耗任務(wù)，為企業(yè)本身創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也同時(shí)對(duì)鋼鐵企業(yè)的環(huán)境保護(hù)工作起到有力促進(jìn)作用。

環(huán)冷機(jī)余熱的回收，是通過余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)低溫?zé)煔獾牡推肺队酂崮茉?，產(chǎn)生過熱蒸汽，來推動(dòng)低參數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電的最新成套技術(shù)；其與火力發(fā)電相比，不需要消耗一次能源，不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體；它是當(dāng)前工業(yè)企業(yè)節(jié)能和環(huán)保要求下的必然趨勢(shì)和產(chǎn)物，具有充分利用低溫廢氣、變廢為寶、節(jié)能環(huán)保的多重意義。具體來講環(huán)冷機(jī)余熱回收的意義體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)煙氣余熱發(fā)電，部分代替來自電網(wǎng)的以煤燃料為能源的供電，從而起到減少溫室氣體排放的效果；

(2)降低燒結(jié)工序能耗，促進(jìn)資源節(jié)約，降低鋼鐵企業(yè)噸鋼單位產(chǎn)值的能耗，增加企業(yè)的效益；

(3)有利于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，減少當(dāng)?shù)赜沙Ｒ?guī)火力發(fā)電廠帶來的SO2、NOx、粉塵之類的大氣污染物。

1 濟(jì)鋼400 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用工程

濟(jì)鋼 400 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用工程是利用余熱鍋爐回收燒結(jié)環(huán)冷機(jī)上熟礦熱量生產(chǎn)蒸汽，配套建設(shè)燒結(jié)余熱發(fā)電。燒結(jié)余熱發(fā)電工藝采用 1＋1+1建制，即1臺(tái)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)配套建設(shè)1臺(tái)余熱鍋爐和1臺(tái)蒸汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐產(chǎn)生兩種蒸汽：中壓蒸汽和低壓蒸汽，分別通過一根蒸汽管道輸送至電站。中壓蒸汽作為汽輪機(jī)主進(jìn)汽，低壓蒸汽作為補(bǔ)汽用來發(fā)電。其工藝流程見圖1。

圖1 濟(jì)鋼400 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用工藝流程示意

余熱利用汽水流程：余熱鍋爐的給水(凝結(jié)水)經(jīng)各自的給水操縱臺(tái)進(jìn)入省煤器加熱后，接近飽和溫度的水進(jìn)入鍋筒，鍋筒內(nèi)的水經(jīng)下降管進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)受熱后成為汽水混合物又回到鍋筒(分離器)，在鍋筒(分離器)內(nèi)進(jìn)行汽水分離，分離下來的水回到鍋筒的水空間，飽和蒸汽則通過飽和蒸汽引出管被送到過熱器，飽和蒸汽在過熱器內(nèi)被加熱成過熱蒸汽，然后經(jīng)減溫器調(diào)溫，達(dá)到規(guī)定的蒸汽溫度后，經(jīng)主汽管送入汽輪機(jī)。汽輪機(jī)冷凝水通過凝結(jié)水泵送入除鹽水箱，而后再通過低壓給水泵送入鍋爐省煤器進(jìn)入下一輪汽水循環(huán)。

環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)

煙氣量工況波動(dòng)按20%考慮。煙氣成份：N2、O2、H2O，其中：N2占78%，O2占21%，H2O占1%，煙氣含灰量為小于1 g/m3。成分為鐵礦石燒結(jié)熟料，粒徑為100 μm。

環(huán)冷機(jī)煙氣的余熱回收利用方案，采用煙氣再循環(huán)方式，即：循環(huán)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)(原有2區(qū)段的環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)作備用)通過環(huán)冷機(jī)被加熱到300~500 oC后，分別通過切換擋板門及沉降室后引入到余熱鍋爐(當(dāng)余熱鍋爐故障時(shí)切換擋板風(fēng)門可切換到排空)。1#煙囪被加熱的煙氣在進(jìn)入余熱爐之前先以沉降室簡(jiǎn)單除塵(除塵效率50%)，環(huán)冷1、2區(qū)段被加熱的煙氣分別通過余熱鍋爐換熱后，溫度降為130 oC左右，然后通過循環(huán)風(fēng)機(jī)，經(jīng)三通擋板閥及環(huán)冷機(jī)入口電動(dòng)風(fēng)門后進(jìn)入環(huán)冷機(jī)。當(dāng)余熱鍋爐故障時(shí)，切換擋板門關(guān)閉，煙氣排空，環(huán)冷機(jī)1區(qū)需要的冷卻風(fēng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)提供。此時(shí)余熱鍋爐出口煙道電動(dòng)蝶閥關(guān)閉。循環(huán)風(fēng)機(jī)通過其前的冷風(fēng)吸入口吸入冷風(fēng)。2區(qū)段原有鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)。

循環(huán)風(fēng)機(jī)入口前需要再補(bǔ)充 5%~15%的冷風(fēng)進(jìn)入(此風(fēng)量需根據(jù)燒結(jié)機(jī)的實(shí)際風(fēng)泄露率確定)，以使循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入的風(fēng)量能滿足環(huán)冷機(jī)工藝?yán)鋮s風(fēng)量的需求，若環(huán)冷機(jī)的熱風(fēng)泄漏率變大，可通過調(diào)節(jié)補(bǔ)冷風(fēng)口的進(jìn)口電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。

考慮到燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)料量的變化和燒結(jié)量厚度對(duì)熱煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響，循環(huán)風(fēng)機(jī)采用入口擋板調(diào)節(jié)。環(huán)冷機(jī)的冷卻風(fēng)風(fēng)箱入口設(shè)置電動(dòng)風(fēng)門，調(diào)節(jié)進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓。

熱煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)出口新增一座30 m高的鋼煙囪，以備余熱鍋爐故障時(shí)，煙氣排空用。

環(huán)冷機(jī)排出的高、低溫?zé)煔夥謩e通過高、低溫?zé)煹肋M(jìn)入余熱鍋爐回收熱量，余熱鍋爐排出的約140 ℃煙氣再由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入環(huán)冷機(jī)冷卻礦料。這樣做的好處在于：(1)可以大幅提高余熱鍋爐的能量回收效率；(2)可以大幅度減少煙氣中礦塵直接排空帶來的環(huán)境污染；(3)熱風(fēng)冷卻燒結(jié)礦可減少礦料的急冷破碎現(xiàn)象，提高燒結(jié)礦料品質(zhì)。

本燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用項(xiàng)目擬利用循環(huán)風(fēng)機(jī)抽取環(huán)冷機(jī) 1、2區(qū)段內(nèi)的較高溫度的煙氣，分別進(jìn)入余熱鍋爐高、低溫區(qū)段，回收煙氣能量，用于發(fā)電。

由于環(huán)冷機(jī) 3區(qū)段及以后的排出煙氣溫度很低，回收價(jià)值較低，所以本項(xiàng)目不考慮回收。

本項(xiàng)目在相關(guān)鍋爐廠、汽輪機(jī)廠的大力支持配合下，通過多次理論分析計(jì)算，得出本項(xiàng)目余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組出力詳見表2。

表2 余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組出力情況

本項(xiàng)目設(shè)備選型原則：

(1)引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)及軟件，采用成熟穩(wěn)定、實(shí)用可靠的中低溫?zé)煔庥酂峄厥瞻l(fā)電技術(shù)(余熱高效回收及能量梯級(jí)利用技術(shù))和工藝流程及設(shè)備，技術(shù)裝備水平達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平；

(2)設(shè)備原則上選用國(guó)產(chǎn)成熟設(shè)備，降低生產(chǎn)成本和基建投入；

(3)節(jié)約投資，確保系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠、方便檢修維護(hù)的原則，充分利用原廠現(xiàn)有設(shè)施，合理布置熱力發(fā)電機(jī)組設(shè)備、系統(tǒng)。

本項(xiàng)目主要設(shè)備為余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐為雙壓、立式、無補(bǔ)燃自然循環(huán)鍋爐，適用于燒結(jié)環(huán)冷機(jī)排氣——煙氣的余熱回收及除塵。

鍋爐采用雙通道煙氣進(jìn)氣系統(tǒng)，高溫?zé)煔饨?jīng)部分高壓受熱面換熱，低溫?zé)煔饨?jīng)部分低壓受熱面換熱，高溫?zé)煔鉄煖亟抵僚c低溫?zé)煔庀喈?dāng)后，兩股煙氣混合再與其余的受熱面換熱，充分利用煙氣的不同品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)煙氣熱能的梯級(jí)利用。

鍋爐自帶除氧裝置，無需額外的除氧裝置及其所需的加熱蒸汽。特別是在余熱鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)階段，現(xiàn)場(chǎng)無法提供除氧加熱蒸汽的情況下，該優(yōu)點(diǎn)尤為重要，可有效保障余熱鍋爐的正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目循環(huán)風(fēng)機(jī)的選擇較為關(guān)鍵。循環(huán)風(fēng)機(jī)具有雙重作用：在余熱鍋爐停運(yùn)時(shí)作為環(huán)冷機(jī)冷卻一區(qū)的鼓風(fēng)機(jī)使用；當(dāng)余熱鍋爐投入運(yùn)行時(shí)作為引風(fēng)機(jī)將進(jìn)入余熱鍋爐的高、低溫?zé)煔獬槌霾⑺腿氕h(huán)冷機(jī)冷卻一區(qū)。循環(huán)風(fēng)機(jī)壓頭既要滿足作為余熱鍋爐引風(fēng)機(jī)的需要，將環(huán)冷機(jī)高、低溫?zé)煔庥行б胗酂徨仩t滿足換熱要求，又要滿足環(huán)冷機(jī)冷卻熟礦的需要。所選的風(fēng)機(jī)壓頭應(yīng)適中，過大易將大量細(xì)碎粉塵引入鍋爐煙道，加速煙管磨損，降低余熱鍋爐壽命，同時(shí)引起環(huán)冷機(jī)漏入冷風(fēng)量增加，不利于煙氣的回收利用，風(fēng)機(jī)能耗增大。當(dāng)然，如果風(fēng)機(jī)壓頭過小，造成煙氣不能有效進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，蒸汽量及品質(zhì)大幅降低、進(jìn)而失去余熱利用的意義。

采用凝汽補(bǔ)汽式雙壓汽輪機(jī)組，提高發(fā)電效率。余熱鍋爐中壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中壓段做功，低壓蒸汽從低壓段入口進(jìn)入汽輪機(jī)做功，采用雙壓汽輪機(jī)雖然增加了汽輪機(jī)末級(jí)葉片高度和制作強(qiáng)度要求，一定程度上增加了汽輪機(jī)的造價(jià)，但同時(shí)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。通過測(cè)算，雙壓汽輪機(jī)組比單壓汽輪機(jī)組發(fā)電量約增加15%~20%，在2年內(nèi)即可收回投資。

汽輪機(jī)本體抽真空系統(tǒng)采用真空泵用于拉真空。濟(jì)鋼320 m2燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電站真空泵運(yùn)行實(shí)踐表明，該設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，檢修量小，是電站抽真空設(shè)備的良好選擇。

本項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。

表3 濟(jì)鋼燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 結(jié)語

余熱回收發(fā)電項(xiàng)目不僅能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，減少鋼鐵廠能耗，還能減少溫室氣體和酸性氣體的排放，有效地防治環(huán)境污染，將是一項(xiàng)一舉多得的資源綜合利用項(xiàng)目，完全有必要大力推廣，尤其是在我國(guó)要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展的前提下。

濟(jì)鋼集團(tuán)作為全國(guó)首批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)單位積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在節(jié)能降耗、節(jié)水、減排等方面大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，已取得非常大的成功。目前該項(xiàng)目在濟(jì)鋼集團(tuán)公司的大力支持下正有條不紊地迅速建設(shè)中。