152m2步進(jìn)燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電項(xiàng)目研究

王華山，邱萬(wàn)民

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2.中冶天工集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

日前工信部公布了《鋼鐵企業(yè)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)推廣實(shí)施方案》，計(jì)劃在重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)中有針對(duì)性地推廣燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)，為鋼鐵企業(yè)在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗發(fā)揮積極作用[1-2]。某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有一臺(tái)152m2步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)，燒結(jié)冷卻機(jī)與燒結(jié)機(jī)一字布置在燒結(jié)機(jī)后部。燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱溫度從1#出口風(fēng)箱到19#出口風(fēng)箱平均溫度值從70℃到370℃，燒結(jié)冷卻機(jī)風(fēng)箱溫度從20#出口風(fēng)箱到41#出口風(fēng)箱平均溫度從400℃到70℃左右。為充分回收利用燒結(jié)冷卻段余熱、降低燒結(jié)工序能耗，該公司決定聯(lián)合設(shè)計(jì)單位開(kāi)展152m2步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電項(xiàng)目。該項(xiàng)目以152m2步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)冷卻段高溫?zé)煔鉃闊嵩?，采用余熱鍋爐產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，用凝汽式螺桿膨脹機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。

該項(xiàng)目自投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)調(diào)試消缺，運(yùn)行基本正常。但由于步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)間歇產(chǎn)熱，導(dǎo)致余熱蒸汽的產(chǎn)生量波動(dòng)太大，僅能維持螺桿膨脹機(jī)組的勉強(qiáng)運(yùn)行，在引進(jìn)保壓汽源后，發(fā)電量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)冷卻段余熱發(fā)電項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)成功開(kāi)發(fā)的案例很少[3]，因而本文著重分析了步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)余熱利用發(fā)電項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行中值得注意的關(guān)鍵技術(shù)。

1 步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電工藝

1.1 步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)概況

該企業(yè)步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)有效面積152m2，燒結(jié)臺(tái)車(chē)規(guī)格為4m×2m，欄板高度為850mm，料層厚度為800mm，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)1.35t/m2·h，年產(chǎn)燒結(jié)礦150 萬(wàn)噸。燒結(jié)機(jī)冷卻方式為帶冷機(jī)冷卻，帶冷機(jī)對(duì)應(yīng)的冷卻風(fēng)箱為20#～41#，燒結(jié)機(jī)冷卻段煙氣溫度為400℃～700℃。燒結(jié)機(jī)冷卻主抽風(fēng)機(jī)為1 臺(tái)，風(fēng)量為520000Nm3/h，風(fēng)機(jī)工作溫度為200℃（短時(shí)300℃），風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為-10000Pa。

1.2 發(fā)電工藝流程

該該發(fā)電項(xiàng)目是在燒結(jié)機(jī)旁建設(shè)一座余熱鍋爐，利用燒結(jié)冷卻段高溫?zé)煔馍a(chǎn)低壓飽和蒸汽，然后輸送至燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)房后的螺桿及凝汽式螺桿發(fā)電站進(jìn)行發(fā)電[4]。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖

1.3 發(fā)電設(shè)備主要構(gòu)成

1.3.1 余熱鍋爐

燒結(jié)余熱鍋爐采用單壓自然循環(huán)余熱鍋爐。余熱鍋爐設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)出汽量為15t/h，最大出汽量18t/h；蒸汽壓力1.1MPa，溫度184.07℃；設(shè)計(jì)煙氣量為23萬(wàn)Nm3/h，鍋爐進(jìn)口煙氣溫度300℃，出口煙氣溫度160℃；鍋爐給水溫度45℃。余熱鍋爐配套設(shè)施有軟水制備系統(tǒng)、吹灰卸灰裝置、儀電系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等。

1.3.2 發(fā)電站

燒結(jié)余熱發(fā)電驅(qū)動(dòng)采用蒸汽型螺桿膨脹機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用高效異步發(fā)電機(jī)，整個(gè)燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)分為兩極。第一級(jí)為背壓式螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組，型號(hào)為KSGe745150/550-V，螺桿膨脹機(jī)進(jìn)汽壓力為0.8MPa，出汽壓力0.15MPa，發(fā)電機(jī)功率1400kW；第二級(jí)為凝汽式螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組，型號(hào)為KSGe366143G2/245，螺桿膨脹機(jī)進(jìn)汽壓力為0.15MPa，凝汽端壓力0.015MPa，發(fā)電機(jī)功率800kW。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)膨脹機(jī)組配套設(shè)施有稀油系統(tǒng)、進(jìn)汽過(guò)濾和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、安全放散系統(tǒng)、儀電系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等。

2 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 燒結(jié)機(jī)冷卻段中間隔離的設(shè)計(jì)

該燒結(jié)機(jī)原有冷卻段風(fēng)箱21 個(gè)，風(fēng)箱之間在上部是貫通的，未有隔層，其冷卻段的高溫部分與低溫部分不能區(qū)分開(kāi)，使得高溫部分與低溫部分的阻力在整個(gè)燒結(jié)冷卻段風(fēng)箱間自成平衡[5]。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算后，為爭(zhēng)取回收更多的熱量，結(jié)合燒結(jié)本體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際構(gòu)造情況，決定選取該燒結(jié)機(jī)冷卻段前11 個(gè)風(fēng)箱的高溫?zé)煔庾鳛闊Y(jié)余熱鍋爐的熱源。因此在冷卻段31#與32#風(fēng)箱間增加一套隔離裝置，將冷卻段高溫?zé)煔獠糠峙c低溫?zé)煔獠糠指綦x開(kāi)來(lái)。在后期的調(diào)試運(yùn)行中，此技術(shù)非常關(guān)鍵，成為項(xiàng)目成功的必要條件之一。

2.2 余熱鍋爐的選型設(shè)計(jì)

燒結(jié)冷卻段高溫余熱蒸汽鍋爐的選型是整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵，要充分考慮燒結(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)的波動(dòng)性，做到滿產(chǎn)高溫下鍋爐汽包額定出力含的住，確保發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定性[3]。

為此，該項(xiàng)目充分考慮燒結(jié)滿產(chǎn)的最大風(fēng)量及最高溫度，并結(jié)合鍋爐投資的經(jīng)濟(jì)性，選擇15t/h 蒸汽量作為鍋爐的額定出汽量，鍋爐最大出汽量可達(dá)18t/h。在夏季燒結(jié)機(jī)達(dá)產(chǎn)情況下，中午時(shí)分鍋爐出汽量要達(dá)至20t/h，但在冬季時(shí)，燒結(jié)煙氣溫度一直徘徊在200℃～270℃之間，鍋爐出汽量很小，僅能為系統(tǒng)的采暖提供熱源。

2.3 螺桿發(fā)電站的選型設(shè)計(jì)

考慮到燒結(jié)生產(chǎn)的波動(dòng)性，以及產(chǎn)量隨市場(chǎng)的波動(dòng)變化，在發(fā)電機(jī)設(shè)備選型上，著重考慮工作范圍寬，抗波動(dòng)強(qiáng)，適應(yīng)低壓飽和蒸汽的要求，對(duì)蒸汽水質(zhì)要求不高，皮實(shí)耐用的發(fā)電機(jī)組。針對(duì)以上要求，特選擇螺桿發(fā)電站。為適應(yīng)余熱蒸汽的變化，同時(shí)充分回收利用余熱蒸汽，螺桿發(fā)電站建設(shè)有兩極發(fā)電機(jī)組，第一級(jí)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)汽壓力為0.8MPa，出汽壓力為0.15MPa；第一級(jí)螺桿膨脹機(jī)出汽作為第二級(jí)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)汽，第二級(jí)螺桿膨脹機(jī)出口壓力為0.015MPa，兩套螺桿膨脹機(jī)竄極發(fā)電。該項(xiàng)目實(shí)施后,合計(jì)可以達(dá)到凈發(fā)電量1648kW（已扣除機(jī)組自耗電和凝汽器耗功）。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于燒結(jié)生產(chǎn)的波動(dòng)，第一級(jí)發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)，直至引入了保安汽源，使得整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)機(jī)組得以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 是否采用有機(jī)工質(zhì)（ORC）

有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle,簡(jiǎn)稱(chēng)ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由換熱器、螺桿膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)循環(huán)泵四部分組成。有機(jī)工質(zhì)在換熱器中從余熱介質(zhì)中吸收熱量，生成具一定壓力的蒸汽，蒸汽再推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。從螺桿膨脹機(jī)排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱，凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新回到換熱器，如此不斷地循環(huán)下去。一般在低溫余熱發(fā)電中采用的有機(jī)工質(zhì)包括：R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在使用過(guò)程中，有機(jī)工質(zhì)會(huì)因系統(tǒng)管路及設(shè)備的跑冒滴漏而需經(jīng)常補(bǔ)充，導(dǎo)致ORC運(yùn)行成本增加，而ORC 的使用，又能將熱源吃干榨凈，盡可能地利用有限的熱能做功發(fā)電。因此如何衡量ORC 的投資成本、運(yùn)營(yíng)成本及ORC 所產(chǎn)生的發(fā)電收益，是決定是否選擇有機(jī)工質(zhì)的關(guān)鍵。另外，是否選擇有機(jī)工質(zhì)用于溫度波動(dòng)性很強(qiáng)的步進(jìn)式燒結(jié)余熱利用是值得進(jìn)一步探討的問(wèn)題。

3 發(fā)電系統(tǒng)存在的問(wèn)題

（1）燒結(jié)配料的變動(dòng)對(duì)燒結(jié)煙氣溫度影響較大。一般燒結(jié)主抽進(jìn)氣溫度控制在90℃～110℃之間，正常是穩(wěn)定在105℃，抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)啟85%，由此再?zèng)Q定冷卻段抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度。而臺(tái)車(chē)行走得快慢，料層的厚薄，混合料的成分都直接影響到燒結(jié)的料溫。而在料溫低的情況下，往往通過(guò)限制推料速度來(lái)保證燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫，這直接導(dǎo)致冷卻段料溫急劇下降，影響了鍋爐的產(chǎn)汽量。而每天兩次的燒結(jié)換料，更使得上料出現(xiàn)間斷，常常導(dǎo)致余熱鍋爐無(wú)以為繼。因該項(xiàng)目為合同能源管理項(xiàng)目，燒結(jié)廠為降低自身單耗，通常對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行限流，這也影響了鍋爐的產(chǎn)汽量。

（2）該項(xiàng)目選用的凝汽抽汽型螺桿膨脹機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，振動(dòng)過(guò)大，還有待時(shí)間的檢驗(yàn)。

（3）從項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，為降低投資成本，未采用有機(jī)工質(zhì)ORC，而直接采用凝汽抽汽型螺桿膨脹機(jī)組。與其他企業(yè)在利用波動(dòng)性較大的低溫低壓飽和蒸汽發(fā)電項(xiàng)目上采用有機(jī)工質(zhì)ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組相比，明顯采用有機(jī)工質(zhì)ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行更穩(wěn)定，發(fā)電效益更好。

（4）而采用機(jī)力冷卻器對(duì)螺桿膨脹機(jī)組排出的蒸汽進(jìn)行冷凝，這對(duì)冷卻水的要求較高。普通水質(zhì)容易產(chǎn)生沉淀，堵塞機(jī)力冷卻器，影響系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，因蒸發(fā)、噴濺、揮發(fā)、排污等因素導(dǎo)致水的消耗過(guò)大，應(yīng)有充足的冷卻水源進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充。而機(jī)力冷卻器的電能消耗也是螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組自身耗能的大用戶(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目在步進(jìn)燒結(jié)機(jī)余熱利用發(fā)電上做了成功的嘗試，由于螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組本身的特性，對(duì)燒結(jié)余熱利用的整體設(shè)施提出了很高的要求。同時(shí)，也倒逼燒結(jié)生產(chǎn)整體穩(wěn)定性的提升，這為燒結(jié)降低能耗提供了一個(gè)可行的途徑。

但從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，單臺(tái)步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)進(jìn)行余熱發(fā)電的盈利還是蠻難的，在沒(méi)有外部有效的保壓汽源情況下，還是建議不上余熱發(fā)電項(xiàng)目。若采用有機(jī)工質(zhì)ORC發(fā)電技術(shù)，雖然能確保螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，保證機(jī)組的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，卻很難做到盈利[6]。因此對(duì)于單臺(tái)步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)余熱利用來(lái)說(shuō)，僅是提供余熱蒸汽還是可行的，將余熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽通過(guò)單向閥進(jìn)入蒸汽管網(wǎng)，也是可行的。