燒結(jié)工序余熱回收方案的經(jīng)濟(jì)性分析

余 煌

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

1 引言

二十一世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)快速增長，能源供應(yīng)和需求之間的矛盾日漸突出[1]，各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)的競爭很重要的一方面體現(xiàn)在能源的競爭上。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，能源消耗不斷增加，而全球能源儲(chǔ)量隨著工業(yè)發(fā)展逐步消耗而面臨緊缺，主要能源價(jià)格居高不下，能源供應(yīng)和需求之間的矛盾成了制約我國經(jīng)濟(jì)快速、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸[2-3]，2003年接踵而至的水荒、煤荒、電荒、油荒、氣荒等等，都在預(yù)示著我國將會(huì)面臨更加嚴(yán)峻的能源壓力。能源短缺和價(jià)格的居高不下造成全球工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本的不斷增加和市場競爭壓力的增大，節(jié)能降耗、降低成本成為全世界工業(yè)企業(yè)生存競爭的關(guān)鍵。

鋼鐵行業(yè)是高消耗、高污染的“大戶”，從源頭上解決問題進(jìn)而推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的大發(fā)展，已經(jīng)成為科技型企業(yè)迫在眉睫的重要任務(wù)[4-6]。我國燒結(jié)工序能耗在鋼鐵企業(yè)中僅次于煉鋼而居第二位，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占冶金行業(yè)總能耗的15%，比國外先進(jìn)指標(biāo)高出20%以上[7]，主要原因是余熱資源回收與利用水平太低[8]。在燒結(jié)生產(chǎn)中，通過熱廢氣和煙氣排放的熱量約占燒結(jié)總能耗的45%[9]。余熱回收利用對(duì)企業(yè)節(jié)能增效、降低成本具有重大的意義。

近年來，利用余熱回收生產(chǎn)蒸汽發(fā)電得到了比較廣泛的應(yīng)用[10]，通過經(jīng)濟(jì)分析比較可知，發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，在2年內(nèi)可以收回投資，以后每年可以給企業(yè)節(jié)約幾千萬元的成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但是余熱發(fā)電有其無法消除的缺點(diǎn)[12]：所發(fā)電能并網(wǎng)困難，只能供本廠區(qū)使用；發(fā)電過程增加了熱能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)節(jié)，使能源的利用率降低了20%[13]。

另一種利用余熱的方式是將汽輪機(jī)作為動(dòng)力裝置直接驅(qū)動(dòng)水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備[14]，這種方式可以在一定程度上彌補(bǔ)發(fā)電的缺點(diǎn)。直接拖動(dòng)的方式不但設(shè)備簡單，投資少，而且經(jīng)濟(jì)效益也比發(fā)電高得多，因?yàn)樗鼪]有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等中間環(huán)節(jié)，減少了因?yàn)樵黾幽芰拷粨Q環(huán)節(jié)帶來的能量損失[15]。但這種方式也有一定的缺陷：汽輪機(jī)位置較為分散，管理起來較為困難；旋轉(zhuǎn)設(shè)備需要配備輔助動(dòng)力，增加雙出軸電動(dòng)機(jī)，用于汽輪機(jī)維護(hù)、故障及系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，增加了投資[16-17]。

為了比較這兩種方式的優(yōu)劣，本文針對(duì)利用余熱發(fā)電和驅(qū)動(dòng)設(shè)備兩種方式，為每種方式建立了兩種方案，通過經(jīng)濟(jì)性分析的方法進(jìn)行比較，以確定在經(jīng)濟(jì)方面收益較大的余熱利用方式。

2 余熱利用方案

2.1 余熱發(fā)電方式

余熱發(fā)電方案示意圖如圖1。燒結(jié)礦在燒結(jié)機(jī)中燃燒，而后在環(huán)冷機(jī)中冷卻。燒結(jié)礦在冷卻的過程中釋放了大量的熱量。余熱發(fā)電方案通過余熱鍋爐來生產(chǎn)蒸汽，回收燒結(jié)機(jī)尾落礦風(fēng)箱及燒結(jié)冷卻機(jī)密閉段的煙氣余熱，進(jìn)而推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。

圖1 余熱發(fā)電方案示意圖

為比較不同設(shè)備容量對(duì)于余熱回收效果的影響，設(shè)計(jì)了兩種余熱發(fā)電方案，兩種方案的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

方案一：采用450 m2的燒結(jié)機(jī)，余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)冷卻段廢氣，通過余熱回收生產(chǎn)低壓蒸汽，產(chǎn)生的低壓蒸汽一部分給汽輪機(jī)用于發(fā)電，剩余的則供給本廠區(qū)生產(chǎn)采暖取用。設(shè)備布置方案如圖1所示。

表1 余熱發(fā)電主要設(shè)備參數(shù)

方案二：采用360 m2的燒結(jié)機(jī)，余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)冷卻段廢氣，產(chǎn)生的蒸汽一部分進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，一部分用于供給本廠生產(chǎn)及采暖使用。設(shè)備布置方式與方案一相同。

2.2 余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案

余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案中，收集熱量的過程與余熱發(fā)電方案相同，主要區(qū)別在于汽輪機(jī)組發(fā)電主要用于帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。為比較不同汽輪機(jī)負(fù)荷對(duì)余熱利用效果的影響，設(shè)計(jì)了兩種方案，如下所示：

方案一：采用450 m2的燒結(jié)機(jī)，通過余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)冷卻段廢氣，利用汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)、環(huán)冷風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)。利用汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，當(dāng)燒結(jié)系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)，余熱回收系統(tǒng)還未投入運(yùn)行，此時(shí)汽輪機(jī)無法工作，所以需要為風(fēng)機(jī)設(shè)雙動(dòng)力，即增加雙出軸電動(dòng)機(jī)，用于系統(tǒng)開始運(yùn)行至穩(wěn)定期間，或是汽輪機(jī)維護(hù)或故障時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。布置方式如圖2所示。

方案二：采用360 m2的燒結(jié)機(jī)，余熱鍋爐回收環(huán)冷機(jī)冷卻段廢氣，利用汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)、環(huán)冷風(fēng)機(jī)。布置方式如圖3所示。

圖2 余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案一布置示意圖

圖3 余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案二布置示意圖

3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)收益計(jì)算公式如下：

In=Q-P

(1)

式中：In為余熱改造的年凈收益，萬元；Q為年收益，萬元；P為年投資，萬元。其中余熱回收的收益主要來自兩方面，節(jié)約電力購買費(fèi)用與蒸汽購買費(fèi)用。年投資主要來自于運(yùn)行成本費(fèi)用和機(jī)組維修監(jiān)護(hù)費(fèi)用。年收益的計(jì)算公式如下所示：

Q=Q1+Q2

(2)

式中：Q1和Q2分別為節(jié)約的電力購買費(fèi)用和蒸汽外購費(fèi)用，萬元。兩者的計(jì)算公式如下：

Q1=CePeT

(3)

Q2=Cvmv

(4)

式中：Ce為電價(jià)，元/kWh；Pe為節(jié)省下的電量，kW；T為一年工作時(shí)間，在本文中，取一年工作時(shí)間為8 000 h。Cv為蒸汽外購費(fèi)用，元/t；mv為節(jié)省下的蒸汽量，t。其計(jì)算公式如下所示：

mv=m1-m2

(5)

式中：m1，m2分別為余熱鍋爐產(chǎn)生和汽輪機(jī)消耗的蒸汽，t。

利用余熱發(fā)電與利用余熱驅(qū)動(dòng)設(shè)備，節(jié)省電能計(jì)算公式有所不同，對(duì)于利用余熱發(fā)電的方式，由于循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，一號(hào)冷卻機(jī)停機(jī)，故消耗的電能需要減除冷卻機(jī)的功率。其節(jié)省的電能計(jì)算公式如下所示：

Pe=Pee-(Pe1+Pe2-Pe3)

(6)

式中：Pe、Pee、Pe1、Pe2、Pe3分別為節(jié)省的電能、余熱發(fā)電、循環(huán)風(fēng)機(jī)、附屬設(shè)施及單個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)功率，W。

而對(duì)于利用余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的方案，其節(jié)省的電能如下所示：

Pe=Pe3n1+Pe4n2-Pe5

(7)

式中：Pe3、Pe4、Pe5分別為環(huán)冷風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)備增加的總功率，W；n1和n2分別為環(huán)冷風(fēng)機(jī)與除塵風(fēng)機(jī)的個(gè)數(shù)。

年投資計(jì)算公式如下所示：

P=P1+P2+P3

(8)

式中：P1和P2、P3分別為運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備固定投資，萬元。運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算公式如下所示：

P1=nem

(9)

式中：n為所需要的工人數(shù)量，人；e為工人每月工資支出，萬元/(人·m)；m為工人工作月份，m。在本文中，工人一年工作月份設(shè)定為12個(gè)月。

以靜態(tài)投資回收期為指標(biāo)評(píng)價(jià)余熱投資回收能力，投資回收期計(jì)算公式為：

(10)

式中：PPB為投資回收期，年；I為總投資，萬元，主要包括了設(shè)備費(fèi)用、輔機(jī)設(shè)備、土建費(fèi)用。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 余熱發(fā)電方案

根據(jù)實(shí)際情況，列出了余熱發(fā)電方案中技術(shù)性分析所需要的參數(shù)，如表2所示。表3列出了余熱發(fā)電兩種方案的經(jīng)濟(jì)性分析。

表2 余熱發(fā)電所需經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

從表3中可以看出，方案一的發(fā)電量更高，投資回收周期也較短，分別為9 050 kW和17個(gè)月。方案二的發(fā)電量相對(duì)較低，投資回收周期相對(duì)較長，分別為6 460 kW和18個(gè)月。對(duì)兩種余熱發(fā)電方案的經(jīng)濟(jì)性分析說明：余熱發(fā)電能在短時(shí)間內(nèi)收回投資成本，每年也能產(chǎn)生較高的收益；相比較而言，配備功率大的機(jī)組有利于更快地收回成本。

表3 余熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析

4.2 余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案

根據(jù)實(shí)際情況，表4出了余熱驅(qū)動(dòng)方案中技術(shù)性分析所需要的參數(shù)，兩種余熱驅(qū)動(dòng)方案的經(jīng)濟(jì)性分析如表5所示。

表4 余熱驅(qū)動(dòng)所需經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

從表5中可以看出，方案一節(jié)省的電能更多，為5 400萬kWh，投資回收周期也比較短，為9個(gè)月。方案二節(jié)省的電能相對(duì)較少，為2 700萬kWh。投資回收周期也為9個(gè)月。兩種方案的投資回收周期沒有差別，這說明，汽輪機(jī)的負(fù)荷對(duì)于投資回收周期的影響不大。其次，余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械的兩個(gè)方案收回成本時(shí)間都小于利用余熱發(fā)電方案收回成本所需時(shí)間。這說明余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案能在短時(shí)間內(nèi)收回投資成本，更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表5 余熱驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性分析

5 結(jié)論

本文針對(duì)鋼鐵廠燒結(jié)工序的兩種余熱利用方式，對(duì)比分析了不同方案的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)論如下：

(1)余熱發(fā)電方案中，當(dāng)發(fā)電機(jī)組功率較大時(shí)，整個(gè)余熱回收系統(tǒng)投資回收期更短。

(2)余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案中，汽輪機(jī)的負(fù)荷大小對(duì)于投資回收周期的影響不大。

(3)相比于余熱發(fā)電方案，余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案的投資回收期更短，表明余熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械方案具有良好的經(jīng)濟(jì)性。