寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀與分析

寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀與分析

錢惠明1,林文2

（1寧波鋼鐵有限公司,浙江寧波315800;2寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司,上海200940）

介紹了寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電工程的概況，并針對(duì)項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的建議和解決方案。

燒結(jié);余熱發(fā)電;運(yùn)行;分析

1 前言

在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序的能耗將近占到生產(chǎn)總能耗的20%，可謂“耗能大戶”。而在燒結(jié)工序中的可利用余熱資源量約占全企業(yè)余熱資源總量的13.79%[1]。為此，國(guó)家工信部在2009年底頒布了《鋼鐵企業(yè)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)推廣》，意在大力發(fā)展燒結(jié)余熱回收發(fā)電技術(shù)。從實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的高效性和經(jīng)濟(jì)性角度分析，余熱回收發(fā)電是最為清潔有效的余熱利用途徑，平均每噸燒結(jié)礦產(chǎn)生的煙氣余熱回收可發(fā)電15～20 kWh，折合噸鋼綜合能耗減低8 kgce。寧波鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱“寧鋼”）燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目于2011年10月投產(chǎn)，本文將就該項(xiàng)目幾年來的實(shí)際運(yùn)行狀況和出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并結(jié)合已實(shí)施的設(shè)備、工藝改造加以論述。

2 寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目的系統(tǒng)工藝流程主要設(shè)備組成

寧鋼采用鼓風(fēng)環(huán)冷方式冷卻燒結(jié)礦。燒結(jié)礦在機(jī)尾經(jīng)破碎進(jìn)入環(huán)冷機(jī)時(shí)，其溫度仍高達(dá)700～800℃，料層厚約800～1600 mm。鼓風(fēng)機(jī)從環(huán)冷機(jī)底部鼓入冷風(fēng)，在穿越料層對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻時(shí)被加熱為高溫?zé)煔?。在環(huán)冷機(jī)前段煙氣溫度可達(dá)350～400℃，中段煙氣溫度可達(dá)250～300℃。

寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電的工藝流程為：通過設(shè)置循環(huán)引風(fēng)機(jī)將高溫?zé)煔庖胗酂徨仩t，在余熱鍋爐內(nèi)加熱經(jīng)過預(yù)處理的軟化水，分別產(chǎn)生1.9 MPa、300～350℃的中壓過熱蒸汽和0.5 MPa、150～170℃的低壓過熱蒸汽，蒸汽送入1臺(tái)15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過凝結(jié)水泵將凝結(jié)水送回余熱鍋爐完成循環(huán)。工藝系統(tǒng)如圖1所示。

燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)由三部分組成：煙風(fēng)系統(tǒng)、鍋爐汽水系統(tǒng)、汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。為了提高可利用煙氣溫度和余熱回收效率，充分實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，本項(xiàng)目煙氣系統(tǒng)采用煙氣再循環(huán)方式。將余熱鍋爐排出的140℃煙氣通過循環(huán)引風(fēng)機(jī)增壓后再鼓入帶冷機(jī)下部，代替環(huán)境溫度下的空氣冷卻燒結(jié)礦，正常生產(chǎn)時(shí)煙氣不外排，環(huán)保效果好。而在鍋爐汽水系統(tǒng)采用雙壓雙通道技術(shù)，產(chǎn)生的中、低壓過熱蒸汽分別送入汽輪機(jī)發(fā)電。考慮到燒結(jié)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，為了保證發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中增設(shè)了一路由相鄰發(fā)電機(jī)組引來的中壓保安蒸汽。在燒結(jié)負(fù)荷波動(dòng)，或短時(shí)間故障檢修時(shí)，可以由保安蒸汽維持余熱發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。

3 投產(chǎn)后的運(yùn)行情況

寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及投產(chǎn)初期寧鋼僅有1臺(tái)430 m2燒結(jié)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱1#燒結(jié)機(jī)），當(dāng)時(shí)鐵水產(chǎn)能400萬t（規(guī)劃為600萬t）。項(xiàng)目是針對(duì)1#燒結(jié)機(jī)實(shí)施余熱回收改造，余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置兼顧寧鋼擴(kuò)大產(chǎn)能的規(guī)劃預(yù)期，所以機(jī)組按照1#燒結(jié)的設(shè)計(jì)產(chǎn)能進(jìn)行配置及選型，蒸汽系統(tǒng)按照600萬t總體規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)。寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電于2011年10月進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)試，在投產(chǎn)第一年，平均發(fā)電,負(fù)荷8275 kW/h，夏季平均負(fù)荷8900 kW/h，冬季平均負(fù)荷8050 kW/h，最高負(fù)荷14500 kW/h，噸礦（成品燒結(jié)礦）發(fā)電量約15.3 kWh。

2012年年底，寧鋼新燒結(jié)（以下簡(jiǎn)稱2#燒結(jié)）投入生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)試，1#燒結(jié)負(fù)荷同步下調(diào)由950 t/h下降到700 t/h，余熱鍋爐蒸汽壓力和溫度也隨之下降，余熱發(fā)電機(jī)組平均發(fā)電功率僅為3400 kW/h。2013年冬季由于中壓蒸汽溫度、流量時(shí)常達(dá)不到汽輪機(jī)的進(jìn)汽要求，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組已無法正常運(yùn)行。

表1所示為2012年5月～2013年11月的平均值。很明顯隨著1#燒結(jié)負(fù)荷的下降，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)、流量和發(fā)電負(fù)荷均大幅降低。由于寧鋼產(chǎn)能提升尚在規(guī)劃中，如何提高燒結(jié)余熱發(fā)電設(shè)備的利用率，增加機(jī)組發(fā)電負(fù)荷就成了急待解決的重中之重。

圖1 燒結(jié)余熱發(fā)電工藝系統(tǒng)圖

表1 2#燒結(jié)投產(chǎn)前后的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表

4 燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組不能正常運(yùn)行的原因分析

4.1 燒結(jié)低負(fù)荷生產(chǎn)

在2#燒結(jié)建成投產(chǎn)之后，為了確保其安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，2#燒結(jié)負(fù)荷不能低于50%。由此1#燒結(jié)的負(fù)荷必須降至原先的70%。燒結(jié)在低負(fù)荷生產(chǎn)情況下，進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦溫度顯著降低。經(jīng)檢測(cè)，燒結(jié)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，燒結(jié)礦進(jìn)入環(huán)冷機(jī)時(shí)的平均溫度高達(dá)700～800℃；在70%左右產(chǎn)能時(shí)，燒結(jié)礦落礦溫度降低30%，即使將燒結(jié)終點(diǎn)位置控制到比滿負(fù)荷還靠后的狀態(tài)，進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦溫度也只有500℃左右。意味著可利用的總熱量大幅減少，煙氣溫度大幅降低，隨之帶來主蒸汽品質(zhì)下降。進(jìn)入冬季由于蒸汽過熱度不能滿足機(jī)組安全運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)致機(jī)組無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 燒結(jié)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性

鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)機(jī)作業(yè)率一般都維持在85%以上，但由于設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定性，生產(chǎn)過程中短時(shí)間停機(jī)的情況非常普遍，難以保證熱源的連續(xù)性。寧鋼在2#燒結(jié)未投產(chǎn)之前，1#燒結(jié)長(zhǎng)期過負(fù)荷生產(chǎn)，設(shè)備壓力極大。我們做過統(tǒng)計(jì)，僅在三個(gè)月內(nèi)1#燒結(jié)非正常檢修次數(shù)高達(dá)150次。雖然大多數(shù)檢修時(shí)間僅為幾個(gè)小時(shí)，仍造成煙氣溫度大范圍波動(dòng)，余熱鍋爐產(chǎn)汽量和產(chǎn)汽品質(zhì)相應(yīng)下降。

由于汽輪發(fā)電機(jī)組對(duì)熱源穩(wěn)定性的要求非常高，蒸汽品質(zhì)降低嚴(yán)重時(shí)機(jī)組會(huì)甩負(fù)荷，從而嚴(yán)重影響發(fā)電量和設(shè)備的安全運(yùn)行。

4.3 環(huán)冷機(jī)的密封

環(huán)冷機(jī)下部風(fēng)箱和臺(tái)車上部集氣煙罩相對(duì)固定，臺(tái)車沿軌道作圓周循環(huán)運(yùn)動(dòng)，故而形成臺(tái)車上、下動(dòng)、靜結(jié)合部分。在運(yùn)行一段時(shí)間以后，臺(tái)車連接緊固部分松動(dòng)，加之長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行受熱產(chǎn)生熱變形，使原有密封逐步弱化，產(chǎn)生大小不一的間隙，這會(huì)造成大量的散熱及漏風(fēng)損失。

由于臺(tái)車上部煙罩內(nèi)為微負(fù)壓，間隙越大，冷空氣越容易吸入煙罩，從而降低了煙氣溫度。而下部風(fēng)箱密封處的間隙，會(huì)造成循環(huán)的熱風(fēng)直接溢出環(huán)冷機(jī)外，熱風(fēng)無法通過燒結(jié)料層再加熱，熱風(fēng)循環(huán)效果大受影響。根據(jù)寧鋼熱平衡檢測(cè)的結(jié)果可知，漏風(fēng)及排風(fēng)損失占整個(gè)熱支出的60%左右，可謂影響巨大。

表2 1#燒結(jié)熱平衡測(cè)試

針對(duì)上述原因分析，我們認(rèn)為處于目前狀態(tài)就燒結(jié)余熱發(fā)電而言仍有潛力可挖。

5 改進(jìn)措施及實(shí)施效果

5.1 優(yōu)化兩臺(tái)燒結(jié)的生產(chǎn)作業(yè)模式

在目前產(chǎn)能固定的情況下，燒結(jié)生產(chǎn)必須探索尋求一個(gè)既能保證燒結(jié)穩(wěn)定生產(chǎn)及燒結(jié)工藝節(jié)能并兼顧余熱發(fā)電效益的生產(chǎn)模式。寧鋼在2#燒結(jié)投產(chǎn)后最初的設(shè)想是：1#燒結(jié)按50%負(fù)荷，2#燒結(jié)按70%負(fù)荷組織生產(chǎn)；或各帶60%負(fù)荷生產(chǎn)。在充分協(xié)調(diào)、論證后，最終調(diào)整為1#燒結(jié)帶70%負(fù)荷，2#燒結(jié)帶50%負(fù)荷。發(fā)電機(jī)組要想達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只有在將來寧鋼擴(kuò)大產(chǎn)能后，這部分矛盾才會(huì)真正得到緩解。

5.2 提高燒結(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定性

為了提高提高1#燒結(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定性，在2#燒結(jié)投產(chǎn)后寧鋼安排了一次1#燒結(jié)大修，徹底解決了一些設(shè)備上存在的歷史舊賬。對(duì)1#燒結(jié)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，降低非正常檢修的次數(shù)帶來較大的改觀。

同時(shí)對(duì)余熱發(fā)電機(jī)組保安蒸汽的控制系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)做了改造、優(yōu)化。作為應(yīng)急汽源，正常運(yùn)行時(shí)以小流量通入汽輪機(jī)使其始終處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)1#燒結(jié)突發(fā)設(shè)備故障非正常停機(jī)，或主蒸汽過熱度、流量不足時(shí)，立即投入保安蒸汽。在目前燒結(jié)低負(fù)荷生產(chǎn)情況下，通過快速、穩(wěn)定供應(yīng)保安蒸汽，一方面保證了汽輪發(fā)電機(jī)組不會(huì)應(yīng)燒結(jié)故障甩負(fù)荷，避免停機(jī)；另一方面也提高了主蒸汽的過熱度，穩(wěn)定主蒸汽的品質(zhì)，從而提高余熱發(fā)電的效率。

另外，我們將寧鋼全廠富裕的低壓蒸汽減壓至0.5 MPa與燒結(jié)低壓蒸汽混合后一起送入汽輪機(jī)補(bǔ)汽門，補(bǔ)汽量顯著增加，解決了低壓蒸汽放散的同時(shí)，提高了發(fā)電量。

5.3 環(huán)冷機(jī)密封改造

從表2可見漏風(fēng)及排風(fēng)損失占很大比例，事實(shí)上在燒結(jié)余熱發(fā)電投產(chǎn)后一年就已發(fā)現(xiàn)環(huán)冷機(jī)密封設(shè)施出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的損壞。在1#燒結(jié)大修期間同步對(duì)環(huán)冷機(jī)實(shí)施了密封改造和修復(fù)，上部密封考慮采用耐磨耐高溫的玻璃纖維柔性材料，下部密封針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)車不規(guī)則的情況量體裁衣進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)。改造修復(fù)后，環(huán)冷機(jī)循環(huán)熱風(fēng)泄漏量和高溫?zé)煔饫淇諝馕肓棵黠@減少，確認(rèn)是提高燒結(jié)余熱發(fā)電效率的有效方法。

5.4 風(fēng)機(jī)變頻改造

寧鋼燒結(jié)余熱鍋爐設(shè)計(jì)選用一臺(tái)2700 kW低速循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板調(diào)節(jié)進(jìn)入余熱鍋爐熱煙氣流量，控制環(huán)冷機(jī)煙罩內(nèi)的風(fēng)壓在50 Pa左右。由于擋板調(diào)節(jié)精度差，環(huán)冷機(jī)煙罩內(nèi)的風(fēng)壓經(jīng)常處在-50Pa～-150Pa，造成大量外部冷空氣被吸入煙罩內(nèi)，降低了煙氣溫度。另一方面，受燒結(jié)負(fù)荷限制影響鍋爐負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)的40%～60%，這種情況下采用擋板調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)耗電巨大。鑒于上述兩點(diǎn)不利因素，對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行了變頻改造。改造后風(fēng)機(jī)通過改變頻率調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，煙罩內(nèi)的風(fēng)壓可以精確控制在微正壓狀態(tài)，同時(shí)發(fā)電機(jī)組自耗電率由原來40%以上降至25%以下。

在完成以上措施的實(shí)施后，效果非常顯著，不但減少了漏風(fēng)問題，同時(shí)在同等外部條件下發(fā)電量提高了約97%，機(jī)組平均自耗電率下降了約30%。機(jī)組冬季無法正常運(yùn)行的狀況得到根本解決。改造前后的參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 改造前后基本參數(shù)對(duì)照表

6 結(jié)語

寧鋼燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目投產(chǎn)3年來運(yùn)行的情況說明了燒結(jié)減產(chǎn)、生產(chǎn)工況的波動(dòng)以及環(huán)冷機(jī)的密封對(duì)余熱發(fā)電的影響，特別是燒結(jié)減產(chǎn)對(duì)余熱發(fā)電影響巨大。建議在項(xiàng)目論證階段選擇機(jī)組容量時(shí)按照一定時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定的燒結(jié)礦產(chǎn)量選取，不宜放大。另外，燒結(jié)工藝本身決定了生產(chǎn)工況的波動(dòng)不可避免，但可以通過生產(chǎn)調(diào)配，例如控制料層厚度、終點(diǎn)溫度、冷卻風(fēng)速等手段加以改善。同時(shí)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)冷機(jī)的上下部密封，這也是增強(qiáng)余熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性有效手段。此外，本項(xiàng)目還采用了風(fēng)機(jī)變頻改造及引入富裕低壓蒸汽發(fā)電等其他手段，改造完成后系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增加，發(fā)電量顯著提高。

[1]苑安民，張娣．鋼鐵企業(yè)余熱資源的“量”與“質(zhì)”[J]．冶金能源，2008年第4期：48～51．

表1 吹灰前后主要參數(shù)對(duì)比

5.1 效益

我廠標(biāo)煤消耗量為28.6 t/h，按煤500元/t計(jì)算每小時(shí)的燃煤價(jià)格為：14300元。對(duì)應(yīng)爐效提高0.4%下降煤耗的經(jīng)濟(jì)效益為57.2元，2號(hào)爐全年運(yùn)行時(shí)間為8200 h全年效益為：47萬元。

5.2 支出

蒸汽吹灰全程共計(jì)80 s，吹灰時(shí)間為20 s根據(jù)表1中的蒸汽消耗參數(shù)計(jì)算得蒸汽消耗：20 kg/min ×16×341天=109120 kg

支出費(fèi)用=109120 kg×180×10-3≈2萬元

故每年的實(shí)際收益為45萬元。

5.3 其它

蒸汽吹灰不僅帶來了實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益而且還大大的提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。

因?yàn)閾Q熱管道的結(jié)焦導(dǎo)致受熱面換熱不均勻煙氣側(cè)產(chǎn)生局部高溫，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致爆管，而且運(yùn)行中還會(huì)有大塊焦渣掉落的可能，砸壞冷灰斗水冷壁管，造成被迫停爐的安全隱患。

6 總結(jié)

蒸汽吹灰系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下不僅僅能提高鍋爐效率帶來經(jīng)濟(jì)效益而且還能減少鍋爐運(yùn)行中因結(jié)焦而造成的安全隱患，所以在平時(shí)的使用維護(hù)中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定操作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]白國(guó)亮.鍋爐設(shè)備運(yùn)行[M]：北京：中國(guó)電力出版社.2008.4.

收稿日期：2015-03-27

作者簡(jiǎn)介：趙華（1972-），男，大學(xué)?？茖W(xué)歷，現(xiàn)從事電廠鍋爐技術(shù)工作。

The Operation State of the Power Generation System Using Sintering W aste Heat at Ningbo Steel

Qian Huiming1,Lin Wenquan2
(1.Ningbo Iron&Steel Co.,Ltd.Ningbo,Zhejiang 315800;2.Baosteel Engineering&Technology Group Co.,ltd.,Shanghai 200940,China)

The power generation project of Ningbo Steel using sintering waste heat is briefly introduced,problems occurring in the operation process of the project are analyzed and relevant suggestions and solutions are put forward.

sintering;power generation with waste heat;operation;analysis

TM617

B

1006-6764（2015）08-0050-04

2015-03-17

錢惠明(1965-),男,1989年畢業(yè)于浙江省工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)浙江省工業(yè)大學(xué)）化學(xué)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。