上置式燒結(jié)余熱鍋爐在環(huán)冷機(jī)余熱回收利用實踐

崔新房，尤德峰，趙宇龍，劉 濤，錢惠明，徐德坤

（寧波鋼鐵有限公司，浙江寧波 315807）

前言

寧波鋼鐵有限公司現(xiàn)有2 臺430 m2燒結(jié)機(jī)，每臺燒結(jié)機(jī)配套1 臺470 m2環(huán)冷機(jī)，對燒結(jié)礦進(jìn)行降溫冷卻。其中1#燒結(jié)機(jī)2005 年投產(chǎn)運(yùn)行，2010 年通過技術(shù)改造實現(xiàn)了對1#燒結(jié)機(jī)環(huán)冷機(jī)的煙氣余熱回收利用，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。2#燒結(jié)機(jī)2012年投產(chǎn)運(yùn)行，雖然建設(shè)之初預(yù)留了余熱回收設(shè)施空間，但隨著國家環(huán)保要求的提高，新建的2 臺燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫脫硝設(shè)施已將其空間占據(jù)，導(dǎo)致環(huán)冷機(jī)余熱回收利用設(shè)備安裝空間不足。為解決該難題，2019 年，寧鋼采用上置式環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了2#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收利用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 余熱資源分析

煙氣余熱是指被考察體系排出的煙氣可釋放的高于環(huán)境溫度的熱量和低位發(fā)熱量。在進(jìn)行煙氣余熱回收設(shè)計時，需要對系統(tǒng)的余熱資源進(jìn)行仔細(xì)分析，考慮余熱資源的熱負(fù)荷穩(wěn)定性、煙氣溫度和流量、煙氣成分及場地等條件［1］。

寧鋼2#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的平均燒結(jié)礦處理能力為550 t/h，料層厚度約為750 mm，配套鼓風(fēng)機(jī)5 臺，單臺鼓風(fēng)機(jī)流量為565 000 m3/h，鼓風(fēng)機(jī)全壓4 500 Pa，進(jìn)入環(huán)冷機(jī)臺車的燒結(jié)礦平均溫度為517～578 ℃。環(huán)冷機(jī)高溫段1～7 軸風(fēng)箱處煙氣平均溫度約為250 ℃，最高可達(dá)280 ℃，煙氣主要成分為空氣，環(huán)冷機(jī)煙氣余熱熱負(fù)荷較穩(wěn)定，具有回收利用價值。但要實現(xiàn)回收利用，系統(tǒng)還存在如下問題：

（1）環(huán)冷機(jī)密封效果較差，漏風(fēng)較為嚴(yán)重，需要進(jìn)行密封改造。

（2）周邊場地空間狹小，沒有足夠的預(yù)留場地布置余熱回收系統(tǒng)的設(shè)備安裝位置［2］。

2 工藝方案

2.1 煙氣系統(tǒng)

根據(jù)有關(guān)資料和工程實踐經(jīng)驗，在燒結(jié)礦溫度為700 ℃，料層厚度為1 650 mm，介質(zhì)初期溫度為120 ℃的條件下，進(jìn)行余熱回收利用時，燒結(jié)礦最適宜取用煙氣量為 700～750 m3/（t 燒結(jié)礦），帶入冷卻機(jī)的燒結(jié)礦顯熱的回收率較大［3］。由于本項目的煙氣溫度較低，按照資料推薦的煙氣量取值勢必造成煙氣量過大，煙氣溫度下降，不利于對煙氣余熱的回收利用，故按照推薦煙氣量的50 %～70 %取用，選取額定煙氣量為280 000 m3/h。

常規(guī)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)是在環(huán)冷機(jī)附近新建1 座余熱鍋爐，增加1 臺煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)。循環(huán)風(fēng)機(jī)通過煙氣旁通管道將環(huán)冷機(jī)高溫?zé)煔庖胗酂徨仩t，經(jīng)過余熱鍋爐換熱后再返回環(huán)冷機(jī)燒結(jié)礦料層下的下部風(fēng)道，對燒結(jié)礦進(jìn)行循環(huán)冷卻。煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)、余熱鍋爐及其附屬設(shè)備的安裝均需新增設(shè)備安裝場地，但寧鋼2 臺燒結(jié)機(jī)附近的空間比較狹小，在新增了2 臺燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)備后，已經(jīng)無法提供余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)備的安裝場地，同時，該系統(tǒng)的煙氣循環(huán)管路需要從環(huán)冷機(jī)上部煙罩敷設(shè)到外置的余熱鍋爐換熱集管箱，再由集管箱煙氣出口經(jīng)過循環(huán)風(fēng)機(jī)返回到環(huán)冷機(jī)的下部風(fēng)道。煙氣循環(huán)管路長，系統(tǒng)阻力大，所需循環(huán)風(fēng)機(jī)功率大，煙氣熱量損失高，余熱回收利用率低，經(jīng)濟(jì)利用價值低［4］。

上置式環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐系統(tǒng)是將余熱鍋爐換熱集管箱直接布置在環(huán)冷機(jī)上部煙罩的上部，通過一段DN 3 000 煙氣管將環(huán)冷機(jī)上部煙罩與余熱鍋爐換熱集管箱的煙氣入口連接起來，并在這段煙氣管中間安裝1 臺DN 3 000 電動蝶閥，用于控制進(jìn)入余熱鍋爐換熱集管箱的高溫?zé)煔饬?。?jīng)過換熱后的煙氣從換熱器集管箱上部的煙氣出口引出，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)再次返回環(huán)冷機(jī)的下部風(fēng)道，對燒結(jié)礦進(jìn)行再循環(huán)冷卻。該系統(tǒng)煙氣管路短，工程投資低、余熱損失低，可以明顯提高余熱的回收利用效率。改造后的煙氣系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 煙氣系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 汽水系統(tǒng)

余熱鍋爐采用立式自然循環(huán)雙壓鍋爐，高溫?zé)煔庾韵露贤ㄟ^余熱鍋爐換熱器集管箱。為增大換熱面積，強(qiáng)化換熱效果，受熱面全部采用螺旋翹片管結(jié)構(gòu)。為安裝方便，余熱鍋爐換熱集管箱采用模塊化結(jié)構(gòu)，自下向上分別是中壓過熱器、中壓蒸發(fā)器Ⅰ、中壓蒸發(fā)器Ⅱ、中壓省煤器、除氧蒸發(fā)器、水預(yù)熱器6個模塊，各模塊疊加后安裝在框架梁上。中壓汽包、低壓汽包及除氧器安裝在頂部鋼結(jié)構(gòu)支撐梁上。余熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖

由于寧鋼3#蒸汽發(fā)電機(jī)組（即1#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)的蒸汽發(fā)電機(jī)組）的汽輪機(jī)沒有達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，可以繼續(xù)新增蒸汽量，且發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水富余量能夠滿足本系統(tǒng)對鍋爐給水的需要，所以，在進(jìn)行余熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)計時，余熱鍋爐的供水由寧鋼3#蒸汽發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)供給，不需要新增除鹽水的制備系統(tǒng)，產(chǎn)生的蒸汽就近并入1#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐的蒸汽管網(wǎng)供3#蒸汽發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

2.3 余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

余熱鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

由于低壓蒸汽品質(zhì)相對較低，由燒結(jié)送至3#機(jī)組發(fā)電的效率及經(jīng)濟(jì)性較差，所以，原則上2#環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐的低壓汽包只負(fù)責(zé)余熱鍋爐給水系統(tǒng)的自用除氧功能，在正常生產(chǎn)情況下，無需考慮低壓蒸汽外送。為了提高蒸汽發(fā)電量，設(shè)備運(yùn)行中應(yīng)盡可能提高中壓蒸汽量，減少熱效率低的低壓蒸汽量。

2.4 設(shè)備改造

2.4.1 煙氣系統(tǒng)設(shè)備改造

為節(jié)約空間，余熱鍋爐換熱器安裝在環(huán)冷機(jī)高溫段煙罩的上部。在環(huán)冷機(jī)高溫段上部煙罩頂部開孔引出煙氣管道，并在引出的管道上安裝DN 3 000電動蝶閥用于控制煙氣流量。在環(huán)冷機(jī)高溫段與低溫段之間安裝一塊隔熱擋板，用于防止高溫?zé)煔飧Z入低溫段，造成高溫?zé)煔鈸p失，提高高溫?zé)煔庥酂峄厥樟俊?/p>

取消原環(huán)冷機(jī)的1#空氣鼓風(fēng)機(jī)（電動機(jī)額定功率1 000 kW），在原鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上安裝系統(tǒng)所需的煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)（電動機(jī)額定功率1 120 kW）。風(fēng)機(jī)改造后，電動機(jī)的額定功率雖增加了120 kW，但對比寧鋼1#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)煙氣余熱回收系統(tǒng)的3 800 kW 煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)電動機(jī)額定功率，本系統(tǒng)所需電動機(jī)的實際功率明顯降低。

在環(huán)冷機(jī)下部風(fēng)道對應(yīng)上部煙罩高、低溫段分界處安裝一道雙扇隔絕門，用于隔絕煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)與環(huán)冷機(jī)2#空氣鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，保證本系統(tǒng)的煙氣閉環(huán)運(yùn)行。當(dāng)環(huán)冷機(jī)檢修時，可以打開隔絕門用于清理下部風(fēng)道內(nèi)的積灰。

改造后的煙氣系統(tǒng)，煙氣由DN 3 000 電動蝶閥進(jìn)入換熱器集管箱，再從集管箱上部煙氣管道出口進(jìn)入到循環(huán)風(fēng)機(jī)，經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)返回到環(huán)冷機(jī)下部風(fēng)道，繼續(xù)對燒結(jié)礦進(jìn)行循環(huán)冷卻。

2.4.2 密封改造

為了降低環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)量，提高高溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽寐?，需對環(huán)冷機(jī)進(jìn)行密封改造。密封改造的范圍為環(huán)冷機(jī)底部風(fēng)箱與臺車下欄板之間的滑道密封、三角梁體與臺車下欄板三角梁口之間的密封、環(huán)冷機(jī)臺車上欄板與門型罩之間的密封［5］。

（1）密封橡膠技術(shù)參數(shù)

密封橡膠材質(zhì)采用耐高溫阻燃硅橡膠和三元乙丙橡膠。其中，硅橡膠用于三角梁密封及余熱回收段滑道密封，三元乙丙橡膠用于非余熱回收段滑道密封。橡膠性能需滿足表2 所列的技術(shù)參數(shù)要求。

表2 密封橡膠的技術(shù)參數(shù)

（2）環(huán)冷機(jī)臺車欄板與門型罩之間的密封改造

密封罩與臺車欄板之間的密封采用鍍鋅板外加橡膠板密封。臺車欄板上增加密封面，門型罩上焊接楔鐵座，將鍍鋅板及密封橡膠板安裝后再安裝壓板，最后用楔鐵固定，楔鐵用焊接鉸鏈固定在門型罩上。鍍鋅板的厚度為1 mm，橡膠板采用硅橡膠材質(zhì)，硅橡膠的厚度為15 mm，耐熱250 ℃。為方便安裝維護(hù)，密封板固定在門型罩下沿，給礦漏斗端部設(shè)置圓弧板，有效過渡，避免出現(xiàn)撕裂損壞。

（3）滑道密封

臺車下側(cè)密封采用動密封加靜密封結(jié)構(gòu)，密封板采用硅橡膠材質(zhì)，硅橡膠的厚度為15 mm，耐熱250 ℃。動、靜密封板固定均采用壓板，其中靜密封固定楔鐵座需全部拆除，按照每塊靜密封板具有互換性，重新焊接靜密封固定楔鐵座。

現(xiàn)有臺車欄板更換內(nèi)、外圈各10 塊，臺車密封板內(nèi)、外圈全部加固焊接保證同軸度。在滑道側(cè)板處固定異形橡膠摩擦板，異形橡膠的形式參照原有滑道密封形式。

（4）三角梁密封

密封板采用硅橡膠材質(zhì)，硅橡膠厚度15 mm，膠板用螺栓固定在小欄板的角鋼框上，每組密封膠板具有互換性。

3 該系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)

（1）由于余熱鍋爐換熱器集管箱直接安裝于環(huán)冷機(jī)的上部，煙氣循環(huán)管路短、系統(tǒng)阻力小，循環(huán)風(fēng)機(jī)所需要選用的電動機(jī)額定功率小，節(jié)省耗電量。該系統(tǒng)管路的阻力小于1 000 Pa，選用的循環(huán)風(fēng)機(jī)電動機(jī)的額定功率為1 120 kW，而1#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐換熱器集管箱的煙氣側(cè)管阻為2 500 Pa 左右，所選用的循環(huán)風(fēng)機(jī)電動機(jī)額定功率為3 800 kW，循環(huán)風(fēng)機(jī)電動機(jī)的額定功率降低了2 680 kW。

（2）煙氣循環(huán)管路短，減少了高溫?zé)煔獾臒崃繐p失，提高了余熱的回收利用率。

（3）該項目由于采用了上置式余熱鍋爐和利用原環(huán)冷機(jī)鼓風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)安裝煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，不需要在環(huán)冷機(jī)周圍新增設(shè)備安裝的地面空間，解決了燒結(jié)機(jī)區(qū)域狹小、改造設(shè)備安裝困難的問題，并降低了項目的投資和系統(tǒng)所需要的總動力負(fù)荷。

4 實施效果

該項目自2019 年8 月正式投產(chǎn)以來，整體運(yùn)行穩(wěn)定，效益顯著。2020年、2021年、2022年系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽總量見表3。

表3 年產(chǎn)蒸汽總量

扣除檢修停產(chǎn)等情況，2020年到2022年該系統(tǒng)平均小時產(chǎn)汽量見表4。

表4 平均小時產(chǎn)汽量

由表4可知，中壓蒸汽量遠(yuǎn)大于設(shè)計值，低壓蒸汽量滿足了給水自除氧的需求，少量富余的低壓蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)論

通過上置式環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了寧鋼2#燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱的回收利用，通過對環(huán)冷機(jī)的密封改造，減少了漏風(fēng)量，提高了余熱的回收率，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資低、效益顯著，對一些因空間狹小而設(shè)備布置困難的鋼鐵企業(yè)進(jìn)行環(huán)冷機(jī)煙氣余熱回收利用改造，具有參考意義。