燒結(jié)終點(diǎn)溫度控制對(duì)余熱發(fā)電的影響

陽(yáng)習(xí)端，郭 亮，王顯龍

（1.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南婁底 417000；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640）

前言

我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能突破10 億t，鋼鐵工業(yè)一直是我國(guó)工業(yè)能耗大戶，而燒結(jié)工序占鋼鐵生產(chǎn)總能耗10%～15%，經(jīng)過近10 多年燒結(jié)余熱回收技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)燒結(jié)生產(chǎn)線基本都安裝了余熱發(fā)電設(shè)備，燒結(jié)能耗有了較大幅度的降低，根據(jù)部分重點(diǎn)鋼企統(tǒng)計(jì)，單位燒結(jié)工序能耗從2005年的64.83 kgce/t下降到2018年的48.60 kgce/t［1-2］。

漣源鋼鐵的130 m2、180 m2及280 m2三條燒結(jié)線配套安裝了一套余熱發(fā)電系統(tǒng)（280 余熱電站），為三爐一機(jī)配置，裝機(jī)18 MW，經(jīng)過近幾年的運(yùn)行和挖潛，280 余熱電站日發(fā)電量為30 萬(wàn)kWh 左右，冬季日發(fā)電量約為28 萬(wàn)kWh，并于2020 年底安裝階梯式自密封余熱回收裝置，電站在冬季運(yùn)行歷史性達(dá)到18 MW 額定負(fù)荷。日發(fā)電量進(jìn)一步提升后，在設(shè)備上挖潛的空間已經(jīng)不大。由于實(shí)際運(yùn)行中燒結(jié)余熱溫度波動(dòng)較大，電站負(fù)荷也隨之波動(dòng)，如果通過燒結(jié)運(yùn)行的操作控制穩(wěn)定負(fù)荷，仍有進(jìn)一步的挖潛空間。通過對(duì)燒結(jié)熱平衡中對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電影響因素進(jìn)行分析，并測(cè)試280 m2燒結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)分析終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收的影響，提出通過穩(wěn)定控制終點(diǎn)溫度的燒結(jié)操作運(yùn)行方式進(jìn)一步提升余熱回收能力。

1 燒結(jié)工藝參數(shù)

漣源鋼鐵280 燒結(jié)余熱電站三爐包括130 m2、180 m2、280 m2燒結(jié)三條線，以其中的280 m2燒結(jié)線為研究對(duì)象，280 m2燒結(jié)線的工藝參數(shù)如表1。

表1 280m2燒結(jié)線工藝參數(shù)表

2 燒結(jié)熱平衡分析

2.1 熱平衡中可利用余熱的分布

在燒結(jié)熱平衡分析中，各個(gè)鋼廠的設(shè)備、原料及操作水平不盡相同，燒結(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)給出典型燒結(jié)廠熱平衡圖如圖1［8］所示。根據(jù)熱平衡圖可知，針對(duì)特定燒結(jié)線，在原料不變、產(chǎn)量確定的前提下，燒結(jié)過程中熱輸入及熱支出的大部分子項(xiàng)不會(huì)變化很大。其中燒結(jié)煙氣熱量占比約為15%～20%，燒結(jié)礦顯熱占比約為30%～45%，但燒結(jié)煙氣和燒結(jié)礦顯熱總和占比基本不變，約占熱支出的50%～60%，即對(duì)同一燒結(jié)線煙氣熱量少了，燒結(jié)礦顯熱就多了。所以對(duì)于環(huán)冷機(jī)余熱回收，在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，可以通過終點(diǎn)溫度控制，降低燒結(jié)煙氣的排放溫度，提高進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦溫度（顯熱）。

圖1 典型燒結(jié)廠熱平衡圖

2.2 燒結(jié)煙氣顯熱與燒結(jié)礦顯熱關(guān)系

選取漣鋼280 m2燒結(jié)中2 個(gè)常見燒結(jié)工況的參數(shù)分析，在燒結(jié)上料量、固體燃耗等參數(shù)相同的情況下，終點(diǎn)溫度不同導(dǎo)致大煙道的排煙溫度及熱量不同，在熱量平衡的情況下，大煙道排煙的熱量增減直接反饋在進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦熱量增減上，兩者熱量總和基本保持一致。工況分析如表2。由于280 m2燒結(jié)新安裝大煙道余熱回收鍋爐，分析中將大煙道余熱鍋爐產(chǎn)汽熱量折算，計(jì)算出原實(shí)際排煙溫度（不安裝大煙道余熱鍋爐的情況下）。

表2 280m2燒結(jié)2個(gè)常見工況余熱分布表

3 燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)余熱回收的影響

為了進(jìn)一步研究終點(diǎn)溫度變化對(duì)余熱回收的影響，聯(lián)合廣州能源研究所研究人員對(duì)燒結(jié)機(jī)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試研究分析，在穩(wěn)定上料量、固體燃耗、配料等的情況下，并固定環(huán)冷機(jī)余熱回收風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門，對(duì)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1 d 的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣分析（采樣周期為0.5 h）。研究燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收煙氣溫度、大煙道煙氣溫度、環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐中壓蒸汽產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)的影響。

3.1 燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口溫度的影響

280 m2燒結(jié)線環(huán)冷機(jī)余熱回收煙罩有4 個(gè)抽口，燒結(jié)終點(diǎn)溫度變化導(dǎo)致進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的礦溫變化，直接反饋在環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫的變化。在連續(xù)1 d 的采集數(shù)據(jù)中，燒結(jié)終點(diǎn)溫度變化與環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫變化如圖2所示。

由于溫度同步記錄，圖2 中燒結(jié)終點(diǎn)溫度變化與環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫沒有特別強(qiáng)的相關(guān)性，這是由于燒結(jié)終點(diǎn)溫度變化對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱影響是一個(gè)滯后過程，燒結(jié)礦從燒結(jié)臺(tái)車進(jìn)入環(huán)冷機(jī)換熱冷卻被余熱鍋爐吸收，按照燒結(jié)臺(tái)車速度為1.2 m/min、環(huán)冷機(jī)臺(tái)車速度為1.1 m/min 計(jì)算，燒結(jié)臺(tái)車上的礦料在環(huán)冷機(jī)上換熱約滯后0.5～1 h。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將燒結(jié)終點(diǎn)溫度的采樣值超前環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫2 個(gè)數(shù)值單位后，二者的曲線變化過程呈現(xiàn)出一定的相關(guān)度，燒結(jié)終點(diǎn)溫度上升，則環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫下降；燒結(jié)終點(diǎn)溫度下降，則環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫上升，兩者相關(guān)性很強(qiáng)，如圖3 所示。這表明二者之間存在一個(gè)時(shí)滯，滯后時(shí)長(zhǎng)在0.5～1 h 之間。即降低燒結(jié)終點(diǎn)溫度一段時(shí)間后，環(huán)冷機(jī)余熱回收煙氣溫度隨之提高。說明降低燒結(jié)終點(diǎn)溫度后，進(jìn)入燒結(jié)大煙道的煙氣顯熱減少，進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦溫度提高，顯熱增加，有利于環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電回收提升。

圖2 燒結(jié)終點(diǎn)溫度與環(huán)冷機(jī)1#抽口煙溫同步采樣

圖3 燒結(jié)終點(diǎn)溫度超前采樣

3.2 燒結(jié)礦在環(huán)冷機(jī)上冷卻的煙氣溫度變化

沿著環(huán)冷機(jī)運(yùn)行方向，在環(huán)冷機(jī)余熱回收煙罩上約55 m 的回收段均勻布置溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量環(huán)冷機(jī)煙氣溫度變化，經(jīng)過對(duì)大量的數(shù)據(jù)測(cè)量和分析，選取3個(gè)能夠代表高、中、低不同環(huán)冷機(jī)下料口煙氣溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 不同礦料溫度工況下燕趙內(nèi)煙氣溫度分布梯度

通過測(cè)點(diǎn)溫度分布及趨勢(shì)曲線分析表明：燒結(jié)礦在環(huán)冷機(jī)上的冷卻具有較好的線性梯度，即環(huán)冷機(jī)煙罩上煙氣溫度的換熱相對(duì)均勻分布，與進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的礦溫密切相關(guān)，整體換熱系數(shù)變化不大，穿透燒結(jié)礦料的冷卻風(fēng)分布均勻，余熱回收設(shè)備改造可以將進(jìn)入環(huán)冷機(jī)的礦料余熱最大效率回收。通過計(jì)算，高溫工況的環(huán)冷機(jī)1 段平均煙溫為438 ℃，2 段平均煙溫為283 ℃，與鍋爐設(shè)計(jì)值基本吻合；中溫工況的環(huán)冷機(jī)1 段平均煙溫為352 ℃，2 段平均煙溫為204 ℃。

3.3 燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫的影響度分析

對(duì)燒結(jié)終點(diǎn)溫度和環(huán)冷機(jī)1#抽口煙溫相關(guān)性進(jìn)行分析，在試驗(yàn)時(shí)間段中，兩者各自都有較好的一次線性相關(guān)度，相關(guān)度絕對(duì)值百分比相差僅3%，且互為正負(fù)，如圖5所示。通過計(jì)算，在試驗(yàn)工況下燒結(jié)終點(diǎn)溫度與環(huán)冷機(jī)余熱回收1#抽口煙溫的關(guān)系為y=-1.03x+862，其中y 為環(huán)冷機(jī)1#抽口煙氣溫度，單位℃；x為燒結(jié)終點(diǎn)溫度，單位℃。

圖5 燒結(jié)終點(diǎn)溫度與環(huán)冷機(jī)1#抽口煙溫關(guān)聯(lián)分析

3.4 燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收中壓蒸汽產(chǎn)量的影響度分析

在采樣周期內(nèi)，終點(diǎn)溫度分布經(jīng)歷3個(gè)階段，如圖6（見圖中虛線方框），隨著燒結(jié)終點(diǎn)溫度的變化，環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐中壓蒸汽產(chǎn)量也隨之變化。在圖6中，第一階段為采樣點(diǎn)一期，平均燒結(jié)終點(diǎn)溫度較高，燒結(jié)終點(diǎn)平均溫度為410.9 ℃，平均中壓蒸汽產(chǎn)量為32.4 t/h；第二階段為采樣點(diǎn)二期，平均燒結(jié)終點(diǎn)溫度有所降低，燒結(jié)終點(diǎn)平均溫度為374.6 ℃，平均中壓蒸汽產(chǎn)量為35.6 t/h；第三階段為采樣點(diǎn)三期，平均燒結(jié)終點(diǎn)溫度進(jìn)一步降低，燒結(jié)終點(diǎn)平均溫度為356.5 ℃，平均中壓蒸汽產(chǎn)量為38 t/h。環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐中壓蒸汽產(chǎn)量對(duì)余熱發(fā)電負(fù)荷提高的貢獻(xiàn)度較高，所以隨著燒結(jié)終點(diǎn)溫度的降低，余熱發(fā)電設(shè)備的負(fù)荷會(huì)有所提升，負(fù)荷更加穩(wěn)定。

圖6 燒結(jié)終點(diǎn)溫度對(duì)環(huán)冷機(jī)余熱回收中壓蒸汽產(chǎn)量的影響

4 結(jié)論

（1）根據(jù)燒結(jié)設(shè)計(jì)值，漣鋼280 m2燒結(jié)設(shè)計(jì)終點(diǎn)溫度為350～420 ℃，雖然影響燒結(jié)余熱的因素非常多，在其他因素已經(jīng)改善的前提下，燒結(jié)終點(diǎn)溫度的控制是進(jìn)一步挖潛余熱回收的重要因素。目前漣鋼燒結(jié)運(yùn)行對(duì)終點(diǎn)溫度控制調(diào)整范圍過大，還不夠及時(shí)到位，波動(dòng)較大，相應(yīng)造成余熱發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)大，存在余熱回收損失。

（2）在額定上料量及保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，漣鋼280 m2燒結(jié)可將燒結(jié)終點(diǎn)溫度位置控制在17 號(hào)風(fēng)箱，溫度控制目標(biāo)確定在350～370 ℃，余熱發(fā)電能夠更高效穩(wěn)定運(yùn)行，要求在運(yùn)行過程中，燒結(jié)終點(diǎn)溫度偏離控制目標(biāo)時(shí)需要及時(shí)調(diào)整。

（3）研究結(jié)果表明同時(shí)對(duì)漣鋼130 m2、180 m2生產(chǎn)線燒結(jié)終點(diǎn)溫度進(jìn)行更加精確的調(diào)整控制，加上280 m2燒結(jié)大煙道余熱鍋爐蒸汽的并入，280余熱電站可達(dá)到日發(fā)電量42萬(wàn)kWh的目標(biāo)，余熱回收效率進(jìn)一步提升。