燒結(jié)機尾煙氣與冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

　　近十年來，鋼鐵工業(yè)能源消費量占全國總能源消費量的比重一直在12-15%，單位增加值能耗是全部工業(yè)平均水平的3倍以上[1]。2009年中國重點鋼鐵企業(yè)的能源消耗總量2.382億tce，噸鋼綜合能耗為619.43kgce/t[2]。燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)過程中的一道重要工序，為高爐煉鐵提供原料。燒結(jié)生產(chǎn)過程中大量消耗焦炭等化石能源和電能，另一方面還有大量的中低品位余熱資源未得到充分利用而白白排空浪費。燒結(jié)工序能耗約占整個鋼鐵企業(yè)總能耗的9-12%，僅次于煉鐵工序[3]。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[1]，我國燒結(jié)工序余熱利用率還不足30%，能耗指標(biāo)與先進國家相比差距較大，每噸燒結(jié)礦的平均能耗要高于20kgce，因此我國燒結(jié)節(jié)能潛力很大。

　　從實現(xiàn)能源梯級利用的高效性和經(jīng)濟性角度分析，余熱發(fā)電是最為有效的余熱利用途徑。近年來，燒結(jié)冷卻廢氣余熱回收發(fā)電技術(shù)的日益成熟和巨大的經(jīng)濟、社會效益，其已被廣泛地在國內(nèi)的各大中鋼鐵企業(yè)應(yīng)用推廣。2004年馬鋼引進日本川崎重工核心技術(shù)及關(guān)鍵裝備在2×300m2燒結(jié)機上建成中國第一套燒結(jié)冷卻機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)（裝機容量為17.5MW），該系統(tǒng)于2005年9月并網(wǎng)發(fā)電[5]。隨后國內(nèi)其他鋼鐵企業(yè)紛紛開展燒結(jié)冷卻余熱發(fā)電技術(shù)的探索研究，先后有濟鋼第二燒結(jié)廠320 m2燒結(jié)機余熱發(fā)電工程于2007年3月投產(chǎn)[6]，安鋼360 m2 + 400 m2燒結(jié)環(huán)冷機低溫余熱發(fā)電工程于2008年10月投產(chǎn)[7]等，多個燒結(jié)冷卻余熱發(fā)電工程投產(chǎn)。

　　與此同時，為了充分挖掘燒結(jié)工序余熱資源，進一步降低燒結(jié)生產(chǎn)能耗，燒結(jié)機尾煙氣余熱資源的回收利用技術(shù)已經(jīng)被眾多業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注和研究探索。在日本，早在1981年10月，住友金屬小倉3#燒結(jié)機尾部大煙道高溫段煙氣余熱回收裝置開始運行，并與冷卻機余熱回收裝置并聯(lián)運行，各自產(chǎn)生的蒸汽匯合一起推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電，是最早進行燒結(jié)機尾高溫?zé)煔庥酂峄厥盏牡湫桶咐籟8]。在中國，寶鋼燒結(jié)廠2#燒結(jié)線于20世紀(jì)90年代初從日本引進成套的余熱回收裝置，分別在環(huán)冷機和燒結(jié)機旁設(shè)置一臺環(huán)冷余熱鍋爐和一臺燒結(jié)余熱鍋爐，設(shè)備的設(shè)計、制造者為日本新日鐵公司[9]。

　　目前，由于技術(shù)及經(jīng)濟性等方方面面的原因，燒結(jié)機尾高溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)正處于摸索階段，沒有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。本文結(jié)合燒結(jié)余熱回收發(fā)電工程，提出關(guān)于燒結(jié)機尾煙氣與冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電技術(shù)的思路。

　　1 余熱資源特性研究與分析

　　燒結(jié)工藝余熱回收主要有兩大部分[4]：1）占燒結(jié)過程總帶入熱量約44.5%的燒結(jié)礦顯熱，在冷卻機高溫段廢氣溫度約為350-420℃；2）占總帶入熱量約23.6%的燒結(jié)煙氣顯熱，在燒結(jié)機尾風(fēng)箱高溫段排出的廢氣溫度為300-380℃。

　　圖1  典型的燒結(jié)廠熱平衡能流圖[4]

　　在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，有近50%的熱能以燒結(jié)煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣，如圖1所示。

　　1.1 燒結(jié)機尾煙氣余熱資源

　　根據(jù)我們的熱工測試，燒結(jié)機尾部起相對于燒結(jié)機長度約1/3的長度范圍內(nèi)，燒結(jié)機風(fēng)箱煙氣溫度達300-380℃，甚至更高，但由于燒結(jié)機尾部漏風(fēng)等影響，最后兩個風(fēng)箱的煙氣溫度較低（平均溫度在300℃以下）。

　　圖2所表示的為一臺265m2燒結(jié)機單側(cè)大煙道各風(fēng)箱（燒結(jié)機共有2個大煙道，每側(cè)均有27個風(fēng)箱）在不同時刻段（相隔半小時）的溫度分布情況，可見從23#到27#風(fēng)箱煙氣溫度在300℃以上。但溫度波動幅度很大，有的甚至超過100℃，如此大范圍的溫度波動給利用燒結(jié)余熱發(fā)電帶來了很大的困難，也是燒結(jié)余熱發(fā)電設(shè)計過程中需要重點解決的問題。

　　圖2  某燒結(jié)廠265m2燒結(jié)機各風(fēng)箱煙氣溫度分布（單側(cè)）

　　但燒結(jié)煙氣中含有一定的SOx、NOx以及粉塵，因此必須考慮其對煙風(fēng)管道及余熱回收設(shè)備的腐蝕和磨損問題。因此，相對于燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱而言，燒結(jié)煙氣余熱具有溫度低、腐蝕性以及余熱資源少的特點，這些給燒結(jié)煙氣余熱回收帶來諸多不利和困難。

　　1.2 冷卻廢氣余熱資源

　　圖3體現(xiàn)的是一臺265m2燒結(jié)機所配套的環(huán)冷機冷卻各段的廢氣溫度分布[10]。

　?。?）燒結(jié)余熱資源品位整體較低，低溫部分所占比例較大。

　　隨著燒結(jié)礦冷卻過程的進行，冷卻機煙囪排出的廢氣溫度逐漸降低，煙氣溫度從450℃逐漸降低到150℃以下，如圖3所示。高溫部分溫度在300-450℃之間，而這部分廢氣占整個廢氣量的30-40％；低于300℃的廢氣量占所有冷卻廢氣量的60％以上。

　?。?）廢氣溫度波動較大。

　　燒結(jié)生產(chǎn)過程中，隨著燒結(jié)礦在燒結(jié)機上的燒成情況不同，其冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣溫度也不同。燒結(jié)礦欠燒時，冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣溫度高；過燒時，冷卻過程產(chǎn)生的廢氣溫度低。以某燒結(jié)廠320m2燒結(jié)機為例，余熱回收段廢氣溫度最高能達到520℃，最低時只有280℃。

　?。?）余熱資源的連續(xù)性難以保證。

　　在燒結(jié)生產(chǎn)過程中由于設(shè)備運行的不穩(wěn)定性，短時間的停機現(xiàn)象很難避免，燒結(jié)礦物流的中斷是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，所以燒結(jié)余熱資源的連續(xù)性難以保證。

　　圖3  燒結(jié)冷卻過程中廢氣溫度分布

　　通過上述的分析，總結(jié)出燒結(jié)工序的可回收利用的余熱資源，包括燒結(jié)機尾高溫?zé)煔夂屠鋮s機高溫段廢氣的顯熱，詳見圖4所示。

　　同時必須考慮燒結(jié)煙氣中的SO2等酸性氣體在低溫下出現(xiàn)的結(jié)露對燒結(jié)機大煙道、除塵器、主抽風(fēng)機等設(shè)備的腐蝕問題，燒結(jié)機尾煙氣余熱回收裝置的出口煙氣溫度必須控制在170-190℃，以保證主抽風(fēng)機入口煙氣在130℃左右，避開燒結(jié)煙氣的酸露點。如此，通過我們的計算分析，對于同一條燒結(jié)生產(chǎn)線而言，燒結(jié)機尾高溫?zé)煔饪苫厥盏挠酂豳Y源約為冷卻機高溫段廢氣可回收余熱資源的1/4。

　　圖4  燒結(jié)工藝生產(chǎn)過程中的可利用余熱資源分布

　　2 發(fā)電系統(tǒng)方案與設(shè)計

　　目前，在國內(nèi)燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱回收技術(shù)業(yè)已成熟并得到廣泛的應(yīng)用，但燒結(jié)機尾高溫?zé)煔庥酂岬幕厥占夹g(shù)卻正處在探索階段。

　　通常，燒結(jié)機尾高溫?zé)煔庥酂峄厥盏姆桨赣幸韵聝煞N[8][11]：

　　方案一，煙氣由機尾處的高溫風(fēng)箱引至余熱鍋爐，在燒結(jié)機主抽大煙道后部余熱回收段前設(shè)置一高溫閥門（余熱鍋爐運行時該閥門關(guān)閉），高溫?zé)煔馐紫韧ㄟ^預(yù)除塵后再由風(fēng)管送至余熱鍋爐內(nèi)進行熱交換，熱交換后的煙氣通過風(fēng)管送回大煙道再至電除塵器入口處，經(jīng)電除塵器、主抽風(fēng)機后至煙囪排入大氣。

　　方案二，燒結(jié)機尾高溫?zé)煔馊★L(fēng)方式和方案一類似，但煙氣通過余熱鍋爐進行熱交換后，熱交換后的煙氣通過除塵器再由引風(fēng)機送至煙囪排入大氣。

　　上述兩種方案各有利弊，方案一不但需要根據(jù)燒結(jié)機運行工況的變化控制進入余熱鍋爐的煙氣量，而且對經(jīng)引風(fēng)機進入到主抽電除塵器入口煙道母管上余熱鍋爐排出的煙氣壓力、流量均有較嚴(yán)格的要求，以保證燒結(jié)機運行的穩(wěn)定。由此，該方案對燒結(jié)系統(tǒng)和余熱鍋爐系統(tǒng)的控制要求很高；方案二使燒結(jié)機控制系統(tǒng)與余熱鍋爐控制系統(tǒng)各自獨立，互不干擾，運行相對穩(wěn)定、安全可靠。但該方案由于余熱鍋爐排出煙氣不回?zé)Y(jié)大煙道，故使主抽除塵器入口煙道的溫度較方案一低，容易導(dǎo)致煙氣對燒結(jié)設(shè)備的結(jié)露腐蝕。

　　針對燒結(jié)煙氣及燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱的特性，結(jié)合以上兩種方案的權(quán)衡比較，我們開發(fā)了燒結(jié)機尾煙氣與冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)的特點：

　　在燒結(jié)機和燒結(jié)礦冷卻機生產(chǎn)線上，分別配置一臺燒結(jié)余熱鍋爐和冷卻余熱鍋爐，聯(lián)合回收燒結(jié)煙氣和冷卻機廢氣顯熱；

　　燒結(jié)機尾部大煙道煙氣高溫段前設(shè)置一高溫插板閥，高溫?zé)煔饨?jīng)過燒結(jié)余熱鍋爐充分換熱后，控制煙氣出口溫度170-190℃，由引風(fēng)機送回大煙道前段，與低溫?zé)煔饣旌?，保證煙氣溫度在酸露點溫度以上（130℃），經(jīng)凈化處理后排到大氣中；

　　煙氣由冷卻機高中溫段引出，高溫和低溫廢氣管道合并一路進入冷卻余熱鍋爐，熱交換后的廢氣通過余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)送回冷卻機，循環(huán)冷卻；

　　冷卻余熱鍋爐采用雙壓系統(tǒng)、立式自然循環(huán)結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器及省煤器采用螺旋翅片管；冷卻余熱鍋爐下部設(shè)置公共省煤器，預(yù)熱鍋爐給水后，分別送至冷卻余熱鍋爐和燒結(jié)余熱鍋爐的省煤器。

　　燒結(jié)煙氣與燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電系統(tǒng)詳見圖4。

　　圖4  燒結(jié)煙氣與燒結(jié)礦顯熱余熱聯(lián)合回收發(fā)電系統(tǒng)示意圖

　　3 余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與瓶頸

　　3.1 技術(shù)應(yīng)用

　　目前，該技術(shù)已在我們的燒結(jié)余熱發(fā)電工程中得到應(yīng)用。

　　以某燒結(jié)廠一條265m2燒結(jié)環(huán)冷生產(chǎn)線為例，進行技術(shù)經(jīng)濟分析?？梢曰厥绽玫挠酂豳Y源如下：

　　燒結(jié)機尾可回收煙氣量：15×104Nm3/h，煙氣平均溫度：320℃；環(huán)冷機高溫段可回收廢氣流量：36×104Nm3/h，廢氣平均溫度：380℃。

　　通過熱力計算，得到：

　　燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生壓力為1.5MPa，溫度300℃，蒸汽流量為11.9t/h，排煙溫度為189.2℃；

　　環(huán)冷余熱鍋爐高壓段產(chǎn)生壓力為1.5MPa，溫度360℃，蒸汽流量為34.2t/h，低壓段產(chǎn)生壓力為0.38MPa，溫度170℃，蒸汽流量為6.1t/h，排煙溫度為125℃。

　　汽輪發(fā)電機組的發(fā)電功率為8850.9kW，年發(fā)電量為7435萬kWh，扣除電站自耗電量后，年供電量為6096萬kWh；折合節(jié)約標(biāo)煤量約為2.13萬t/a，相應(yīng)地減少溫室氣體CO2排放量約為5.67萬t/a；按售電電價（含稅）0.58元/kWh計算，則在正常生產(chǎn)條件下，每年的售電收入約為3536萬元。由此分析可見，該技術(shù)具有十分顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

　　燒結(jié)煙氣與燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電系統(tǒng)與單純的燒結(jié)礦冷卻廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)相比，經(jīng)過計算分析，系統(tǒng)發(fā)電功率增加23.2%，充分說明該技術(shù)充分地回收利用燒結(jié)工藝余熱資源，使得燒結(jié)工序能耗降至更低，為鋼鐵企業(yè)增加更大經(jīng)濟效益，為社會和生態(tài)環(huán)境增加更大的環(huán)保效益。

　　3.2 技術(shù)瓶頸

　　燒結(jié)機尾煙氣余熱回收的技術(shù)瓶頸或技術(shù)難點，主要體現(xiàn)在以下幾點：

　　1. 燒結(jié)機尾部幾個風(fēng)箱的煙氣溫度雖然可達到300-380℃，但廢氣中含有SOx和粉塵，尤其是煙氣中的SOx，如果煙氣溫度低于其露點溫度，會出現(xiàn)設(shè)備結(jié)露現(xiàn)象，極容易引起燒結(jié)機大煙道、除塵器設(shè)備以及主抽風(fēng)機的葉片甚至是余熱回收設(shè)備（余熱鍋爐）的金屬腐蝕，嚴(yán)重的狀況會導(dǎo)致燒結(jié)系統(tǒng)無法正常運行。

　　2. 煙氣中的粉塵是顆粒直徑細小，致密度大，硬度高的鐵礦石粉末，對燒結(jié)余熱鍋爐受熱面以及引風(fēng)機葉片的沖刷磨損不容忽視。

　　因此，利用燒結(jié)機尾部煙氣余熱發(fā)電，大煙道、除塵器、主抽風(fēng)機以及燒結(jié)余熱鍋爐和主抽引風(fēng)機的材質(zhì)應(yīng)考慮應(yīng)用耐酸腐蝕的材質(zhì)，以延長設(shè)備的使用壽命。

　　3. 為了避開燒結(jié)煙氣的酸露點，防止燒結(jié)設(shè)備的腐蝕，則要求燒結(jié)余熱鍋爐的排煙溫度不能太低，燒結(jié)余熱鍋爐的排煙溫度控制在170-190℃的范圍內(nèi)，保證燒結(jié)機主抽風(fēng)機的入口煙氣溫度在130℃左右。

　　但是采用這種方案，不但需要根據(jù)燒結(jié)機運行工況的變化控制進入余熱鍋爐的煙氣量，而且對經(jīng)引風(fēng)機送回?zé)Y(jié)機大煙道的燒結(jié)余熱鍋爐排出的煙氣壓力、流量均有較嚴(yán)格的要求，以保證燒結(jié)機運行的穩(wěn)定。因此，該方案對燒結(jié)系統(tǒng)和燒結(jié)余熱鍋爐系統(tǒng)的控制提出很高的要求。

　　4 總結(jié)

　　通過上述技術(shù)和經(jīng)濟分析，以及國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機尾高溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置成功運行的實踐，證明了燒結(jié)機尾高溫?zé)煔夂蜔Y(jié)礦冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收系統(tǒng)從技術(shù)層面上而言是完全具體可行性。

　　但是針對燒結(jié)機尾煙氣余熱回收技術(shù)難點，本文認(rèn)為在燒結(jié)余熱發(fā)電工程的設(shè)計中有以下四點值得注意：

　　I. 科學(xué)設(shè)計燒結(jié)余熱鍋爐的排煙溫度，以確保避開燒結(jié)煙氣的酸露點，防止對燒結(jié)設(shè)備和余熱回收設(shè)備的腐蝕，保證燒結(jié)系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)均能保持長期的穩(wěn)定運行。

　　科學(xué)、合理地選擇燒結(jié)余熱鍋爐的排煙溫度，這需要我們針對不同的燒結(jié)機生產(chǎn)條件下的實踐中不斷地、反復(fù)地進行試驗和改進，以及及時的總結(jié)，找出其中的規(guī)律。

　　II. 余熱回收設(shè)備的材質(zhì)選擇，在必要時，燒結(jié)余熱鍋爐和引風(fēng)機等設(shè)備的材質(zhì)應(yīng)選擇耐酸腐蝕的材質(zhì)；同時對燒結(jié)機大煙道和除塵器和主抽風(fēng)機的進行適當(dāng)?shù)母脑?，進行耐酸腐蝕的保護措施。

　　III. 主抽除塵器多采用靜電除塵器，也可以采用高抗結(jié)露的布袋除塵器替代靜電除塵器。

　　IV. 總結(jié)燒結(jié)機尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)的控制與燒結(jié)機工藝控制的相互關(guān)系，確保煙氣余熱回收系統(tǒng)能夠很好的適應(yīng)燒結(jié)系統(tǒng)，既確保燒結(jié)工藝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，又能充分回收利用機尾高溫?zé)煔獾挠酂崮茉础?/FONT>