我國燒結余熱發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展建議

陳瑾瑜，馬忠民

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南安陽455004）

綜合

我國燒結余熱發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展建議

陳瑾瑜，馬忠民

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南安陽455004）

針對燒結余熱資源的產(chǎn)生量、特點以及回收利用存在的問題進行了梳理。重點對燒結余熱發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展?jié)摿M行了分析，同時對燒結余熱發(fā)電存在的問題進行了總結，并提出了相應的解決措施和建議。

燒結；余熱回收；發(fā)電

1 前言

據(jù)鋼鐵工業(yè)市場分析公司MEPS報告，2013年全球粗鋼產(chǎn)量首次超過16億t，比2012年增長了3.5%。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2013年我國粗鋼產(chǎn)量77904萬t，同比增長7.5%，產(chǎn)量位居世界第一，占全球粗鋼產(chǎn)量的48.5%，中國已成為在國際上具有舉足輕重地位的鋼鐵大國。隨著鋼鐵產(chǎn)量的增加，我國鋼鐵工業(yè)能耗也逐年增加。2006年以來，我國鋼鐵工業(yè)能耗約占全國總能耗的13%～15%[1，2]，我國鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉爐長流程為主，燒結礦約占高爐爐料的70%～75%，燒結工序能耗約占鋼鐵企業(yè)總能耗的11%～15%，僅次于煉鐵工序。降低燒結工序能耗成為鋼廠節(jié)能工作的重點之一，而燒結余熱回收是降低燒結工序能耗的最有效措施之一。因此，如何提高燒結余熱回收利用的效果成為鋼廠節(jié)能工作的重點。本文針對當前我國鋼鐵企業(yè)燒結余熱發(fā)電的現(xiàn)狀以及存在的問題進行梳理，以期為我國燒結工序余熱余能的高效利用提供借鑒和參考。

2 我國燒結工序能耗現(xiàn)狀

2012年我國燒結礦產(chǎn)量8.0994億t，比2011年增加5.34%[4]，但是燒結工序能耗基本沒有發(fā)生變化，降低燒結工序能耗到了瓶頸期。我國燒結工序能耗變化情況如圖1所示，從中可以看出，近年來我國燒結工序的工序能耗略有降低，但基本都維持在54 kgce/t左右，2013年全國重點鋼鐵企業(yè)燒結工序能耗為49.14 kgce/t，比上年下降2.54 kgce/t，與國際先進水平47 kgce/t還有一些差距。燒結工序能耗的構成：固體燃耗約占80%，電力約占13%，點火燃耗約占6.5%，其他約為0.5%，燒結工序節(jié)能工作重點在努力降低固體燃耗。

圖1 近年來我國燒結工序能耗變化情況

3 燒結工序余熱資源概況及利用方式

燒結工序的余熱資源主要包括燒結煙氣顯熱和燒結礦顯熱，占燒結工序能耗的50%以上，將這部分余熱回收利用對降低燒結工序能耗具有重要意義。但從技術角度看，燒結煙氣溫度相對偏低，技術難度大。從燒結機機尾卸下的燒結礦溫度在750～800℃，進入冷卻機的燒結礦溫度在600～800℃之間，每噸燒結礦的物理熱達829.15 MJ，冷卻機上可利用的廢氣溫度300～450℃之間約占廢氣量的30%～40%，低于300℃廢氣占60%以上，冷卻廢氣物理熱約為500 MJ/t礦。一般企業(yè)燒結工序余熱蒸汽回收量在50 kg/t礦以上，較好的企業(yè)可以達到80～90 kg/t，蒸汽壓力在1.3～2 MPa[6-8]。國內有人對鋼鐵生產(chǎn)過程余熱資源合理利用方式進行了研究[9]，結果表明燒結礦顯熱的能級大于0.5，優(yōu)先采用余熱發(fā)電的方式進行回收利用。如果將這些余熱回收發(fā)電，平均噸礦發(fā)電量約為20 kW·h，可降低燒結工序能耗約8 kgce/t礦（電力等價值）。

當前燒結余熱資源利用的方式有很多如：利用燒結機機尾或冷卻機換熱產(chǎn)生熱水供給廠區(qū)或附近生活區(qū)使用或供余熱鍋爐使用；預熱燒結混合料或進行熱風燒結；作為助燃風進行熱風點火。從余熱資源品質的角度分析，低溫余熱資源用于熱利用是合理的，高溫余熱資源用于動力回收（即發(fā)電）是合理的。對于燒結余熱利用的基本原則應按照能級匹配的原則，逐級回收、溫度對口、梯級利用，在熱量供求方面最大程度的實現(xiàn)“量”與“質”的匹配，力求能級差最小，效率最高。

世界上最早利用燒結余熱進行發(fā)電的是日本，早在20世紀60年代末原日本鋼管公司的扇島廠和福山廠就建設了利用燒結冷卻機廢氣產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電的裝置，目前日本燒結余熱煙氣的利用率超過90%[9]。我國在2004年9月，馬鋼二鐵廠燒結車間2臺燒結機引用日本川崎重工技術和成套裝備，經(jīng)過一年的建設成功并網(wǎng)發(fā)電，2007年3月濟鋼自主設計制造的燒結余熱發(fā)電機組成功并網(wǎng)發(fā)電[10，11]。據(jù)不完全統(tǒng)計，到2013年底我國已經(jīng)建設燒結余熱發(fā)電機組138臺（套），從目前運行情況看，噸礦發(fā)電量最高可以達到21.0 kW·h/t，在較高水平運行情況下基本能滿足燒結廠45%～47%的用電量，但目前國內絕大多數(shù)機組的作業(yè)率都未達到設計指標，普遍在設計指標的80%以下，個別機組甚至在30%左右運行，2013年國內部分鋼鐵企業(yè)燒結機余熱發(fā)電情況見表1。

表12013 年部分企業(yè)燒結機余熱發(fā)電情況

4 燒結機余熱發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展?jié)摿?/h2>

4.1 燒結余熱發(fā)電的類型與投資建設方式

余熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括SP鍋爐、AQC筑鍋爐、ASH過熱器、補汽式電機汽輪機和發(fā)電機等設備，與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)不同，由于會提高余熱鍋爐排煙溫度，降低余熱鍋爐效率，從而降低發(fā)電系統(tǒng)的熱效率，因此余熱發(fā)電系統(tǒng)一般不設置回熱系統(tǒng)。目前，低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)主要有四種類型：單壓系統(tǒng)、雙壓系統(tǒng)、閃蒸補汽系統(tǒng)以及帶補燃系統(tǒng)，不同發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電方式、投資、運行方面各有特點見表2[13-15]。由于雙壓系統(tǒng)效率最高，目前在國內應用較廣泛，但雙壓系統(tǒng)投資較高，回收期相對較長。鋼鐵廠內各類煤氣資源豐富，帶補燃的系統(tǒng)也是較好的選擇。在余熱發(fā)電系統(tǒng)設計時，應根據(jù)不同用戶的具體情況，在現(xiàn)場調研的基礎上，做出適合企業(yè)現(xiàn)狀的最佳選擇。余熱發(fā)電項目建設按投資方式分主要有兩種模式，一種為企業(yè)自主投資建設模式，一種為余熱發(fā)電專業(yè)投資者與高耗能企業(yè)合作的合同能源管理模式（EMC模式）。EMC模式由專業(yè)投資者負責余熱電站的投資、建設，建成后專業(yè)投資者運行一定年限后移交給高耗能企業(yè)。發(fā)電收益由合作雙方按合理比例共同分享。EMC模式很好地解決了技術和資金問題，特別適合技術成熟度不高的行業(yè)和規(guī)模不夠大的高耗能企業(yè)。

表2 不同余熱發(fā)電系統(tǒng)比較

4.2 燒結余熱發(fā)電的發(fā)展?jié)摿?/p>

我國燒結機在過去的幾年里不斷實現(xiàn)大型化，新建的大型燒結機中265 m2、360 m2和435 m2燒結機的數(shù)量逐漸成為主流，2007到2012年重點企業(yè)燒結機總數(shù)增加了98臺，其中130 m2以上燒結機增加了150臺，而90 m2以下燒結機減少了92臺，見表3。目前，我國燒結余熱回收量只有9.6 kgce/t鋼，未來回收利用潛力約為23.0 kgce/t鋼[12]，我國燒結余熱發(fā)電技術投產(chǎn)和在建的項目只有燒結機總數(shù)的10%左右，燒結機余熱發(fā)電的潛在裝機總量預計在3000 MW以上，市場應用前景廣闊，潛力巨大，且燒結余熱發(fā)電的發(fā)展符合國家當前產(chǎn)業(yè)政策和中長期規(guī)劃要求，因此，在今后相當長的一段時間內完善和大力普及燒結余熱發(fā)電技術仍是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排發(fā)展的重要目標之一。

表3 近年來我國重點企業(yè)燒結機設備情況臺

5 燒結余熱發(fā)電存在問題及建議

5.1 燒結余熱發(fā)電存在問題

（1）燒結煙氣量大，溫度分布范圍廣。燒結余熱資源主要包括燒結機煙氣和冷卻機廢氣，而我國目前燒結機冷卻機的方式主要有兩大類，一類是環(huán)冷機，另一類采取的是帶冷機冷卻燒結礦，不同來源、同一來源的不同區(qū)段產(chǎn)生氣體量、溫度不盡相同，并且隨著燒結生產(chǎn)混合料配比、堿度、配碳、燒結終點控制等工藝參數(shù)的波動而波動，導致燒結余熱發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)不穩(wěn)定，因此燒結余熱發(fā)電需充分考慮生產(chǎn)用熱的余壓量或生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱量來確定發(fā)電規(guī)模。

（2）燒結廢氣含塵量大，且含有SOx、NOx等腐蝕性氣體，具有腐蝕性。燒結主排煙氣含塵量為300～400 mg/m3，超過一般的鍋爐對含塵量的要求，容易粘結、積灰，從而對余熱鍋爐產(chǎn)生嚴重磨損和堵塞，因此需余熱鍋爐入口前進行除塵處理。而SOx、NOx等腐蝕性氣體有可能對余熱鍋爐的爐膛及受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕或低溫腐蝕。

（3）燒結余熱資源連續(xù)性差。在燒結生產(chǎn)中難免會有短時間的停機，且由于近年來鋼企效益下滑、限產(chǎn)等原因，我國燒結機的作業(yè)率持續(xù)走低，從2003年的93.04%一路下滑至2013年的78.45%，見圖2。燒結機作業(yè)率低表現(xiàn)為反復開停機，并且有較長時間處于停機狀態(tài)。燒結余熱發(fā)電機組每開停機一次，鍋爐及汽輪機等將承受一次熱交變應力，反復多次熱交變應力作用會大大縮短鍋爐和汽輪機的使用壽命，如果發(fā)電機組長期處于停機狀態(tài)可能會因保養(yǎng)不到位造成氧腐蝕問題。

圖2 近年來我國重點企業(yè)燒結機日歷作業(yè)率情況

（4）低溫余熱發(fā)電設備水平有待提高。燒結余熱發(fā)電機組一般在20 MW以下，大都在10 MW左右，屬于中低溫小汽輪機發(fā)電機組，低參數(shù)汽輪機的進汽蒸汽比容大、可有效利用的焓值低、排汽干度低、補汽參數(shù)及補汽量的波動大，目前低溫余熱發(fā)電設備在系統(tǒng)優(yōu)化和新工質熱力系統(tǒng)的發(fā)展方面還有進一步提升空間。就投資回收情況來看，國外低溫余熱發(fā)電設備的發(fā)電成本在0.2元/kW·h以內，投資回收期一般在5年以上，而國產(chǎn)設備的發(fā)電成本可以降至0.15元/kW·h，投資回收期可以控制在4年以內，因此在燒結余熱發(fā)電的投資建設方面需要綜合考慮資源利用與投資收益問題。

5.2 燒結余熱發(fā)電的發(fā)展建議

（1）對燒結余熱資源進行梯級利用。從熱工理論的角度看，一切不可逆過程均朝著降低能量品位的方向進行，熱功轉換效率與余熱源溫度高低有關，通過余熱梯級利用可以提高整個回收系統(tǒng)的能源利用效率，具體而言可以將燒結系統(tǒng)余熱溫度較高部分用于發(fā)電；溫度居中部分可作為助燃空氣通入點火爐，返回燒結機進行熱風燒結或預熱干燥燒結料；較低溫度的廢氣可以用于干燥和預熱燒結原料。依據(jù)能級匹配的原則，把燒結熱廢氣按品位的不同分段集氣并梯級利用，可以使燒結余熱資源的能級差最小，火用效率最高。

（2）提高熱源穩(wěn)定性。首先要提高燒結生產(chǎn)的作業(yè)水平，提高燒結生產(chǎn)的作業(yè)率，減少燒結機停機次數(shù)與停機時間；其次通過提高設備和操作水平降低燒結的漏風率，目前國內燒結機的漏風率都在55%以上，而國外先進水平可以降低至40%以下。減少燒結漏風率的可行措施有：減少燒結機系統(tǒng)與外界的壓差，或將一定發(fā)電后廢氣引入到燒結機前的料層封閉罩內進行熱風燒結以減小了冷風與料層的接觸面積；改進高燒結機的密封結構,如高負接觸頭尾密封、全金屬柔磁性密封、無鉚接板簧滑道密封、星輪齒形變齒矩設計等新型燒結臺車密封技術。另外，還可以通過增設補燃系統(tǒng)或多爐帶一機的方式，避免燒結機停產(chǎn)、檢修對燒結余熱資源的影響，提高其品質和穩(wěn)定性，保證汽輪機的運行效率進而提高燒結余熱發(fā)電的水平。

（3）提高余熱鍋爐與汽輪機穩(wěn)定性能與運行水平。通過合理控制出口煙溫，有效布置爐內結構，做好爐墻密封，合理選擇爐管形式與材質，采用涂層保護等措施減少余熱鍋爐的磨損、積灰、漏風和腐蝕等問題。研究余熱鍋爐當量效率與汽輪機循環(huán)有效效率之間的優(yōu)化匹配關系，確定合理的汽輪機主蒸汽、再熱蒸汽和二次蒸汽的壓力和溫度參數(shù)，尤其是工況波動狀況下汽輪機的變負荷運行方式，提高汽輪機運行的經(jīng)濟性。

6 結論

（1）我國鋼鐵燒結余熱余能資源量非常大，燒結工序能耗與世界先進水平還有一定差距。隨著我國能源資源日益緊張，鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗的壓力的增大，燒結余熱發(fā)電技術的推廣和應用是鐵前節(jié)能降耗的重要技術手段。

（2）目前國內燒結余熱發(fā)電機組建設占燒結機總數(shù)的10%左右，但絕大多數(shù)機組的運行都未達到設計指標，未來我國在燒結余熱發(fā)電機組建設與提高燒結余熱發(fā)電水平方面都有很大的空間。

（3）由于燒結余熱品質低、溫度波動大、含塵以及腐蝕氣體量高，且資源連續(xù)性差，與之相適應的余熱發(fā)電設備水平有待提高，因此未來燒結余熱發(fā)電的發(fā)展需在穩(wěn)定與合理分配燒結余熱資源、提高燒結余熱資源品質以優(yōu)化余熱鍋爐與汽輪機的運行水平方面進行改進和提高。

[1]殷瑞鈺.中國鋼鐵業(yè)的概況和命題[C].第9屆鋼鐵年會，北京，2013：1.

[2]蔡九菊，王建軍，陳春霞等.鋼鐵工業(yè)余熱資源的回收與利用[J].鋼鐵，2007，42(6)：1.

[3]中國金屬學會，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會編.2011～2020年中國鋼鐵工業(yè)科學與技術發(fā)展指南[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[4]中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會編.中國鋼鐵工業(yè)年鑒[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[5]王興連.我國燒結裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀及指標分析[J].冶金管理，2011，11：57.

[6]徐忠.直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐在燒結余熱發(fā)電中的應用[J].冶金能源，2013，32(1)：33.

[7]胡長慶，師學峰，張玉柱等.燒結余熱回收發(fā)電關鍵技術[J].鋼鐵，2011，46(1)：86.

[8]盧紅軍，戚云峰.燒結余熱的基本特點及對燒結余熱發(fā)電的影響[J].燒結球團，2011，33（1）：35.

[9]周繼程，張春霞，酈秀萍等.基于能級分析的鋼廠余熱資源回收利用方式的合理性探討[J].鋼鐵，2013，48(2)：80－85.

[10]Teijin SHIBUYA，Hatsuki KUBO，Hideomi YANAKA，et al.A System for the Recovery of Waste Heat from the Sinter Plant [J].Transaction ISIJ，1981，21：664.

[11]丁毅，史德明.馬鋼帶冷燒結機余熱發(fā)電[J].冶金能源，2007，26 (1)：49.

[12]盧紅軍，周長強.濟鋼320 m2燒結機的余熱發(fā)電系統(tǒng)[J].冶金能源，2008，27(1)：55.

[13]王建軍，蔡九菊，陳春香等.我國鋼鐵工業(yè)余熱余能調研報告[J].工業(yè)加熱，2007，36（2）：1.

[14]尹剛，吳方松，張立志.低溫余熱發(fā)電技術的特點和發(fā)展趨勢探討[J].電工文摘，2012，4：62.

[15]劉青翠.低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點[J].科技信息，2012，17：405.

[16]魏孟軍，張星.純低溫余熱發(fā)電雙壓與閃蒸技術比較[J].中國水泥，2010，10：59.

The Current Status of Power Generation Using Sintering Residual Heat in China and Development Proposals

CHEN Jinyu，MA Zhongmin
(Anyang Iron and Steel Group Co.,Anyang,Henan 455004,China)

The output,characteristic and recovery difficulties of sintering residual heat resources in the steel industry are sorted out.The present situation and development potential of power generation using sintering residual heat are analyzed,existing problems are summarized and countermeasures and proposals to solve these problems are put forward.

sinter;residual heat recovery;power generation

TH019

B

1006-6764(2015)03-0067-04

2014－08－25

陳瑾瑜（1966－），女，1989年畢業(yè)于河南廣播電視大學工業(yè)企業(yè)管理專業(yè)，經(jīng)濟師，現(xiàn)從事企業(yè)管理工作。