張 平

（河鋼唐鋼能源科技分公司，河北唐山 063000）

引言

所有熱源本身都是具有品位（熱源質(zhì)量）的，熱源的溫度不同，品位也就有所差異。熱源梯級利用理論就是針對不同品位熱源實(shí)現(xiàn)高效利用而提出的。在燒結(jié)余熱發(fā)電熱源獲取中，依照環(huán)冷機(jī)取溫點(diǎn)不同，對熱源等級進(jìn)行劃分，遵循“高質(zhì)高用，低質(zhì)低用”的原則，將高品位熱源應(yīng)用于鍋爐的高品位段，中品位熱源應(yīng)用于鍋爐的中品位段，低品位熱源應(yīng)用鍋爐的低品位段，改變原有的對不同品位熱源溫度煙溫進(jìn)行混合后再利用的工藝模式，實(shí)現(xiàn)不同工作區(qū)域?qū)Σ煌瑹嵩吹男苻D(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)環(huán)冷及與余熱鍋爐之間的等級匹配，完全遵循能源的傭損分布理論和能源梯級利用理論，實(shí)現(xiàn)工作機(jī)組的效率提升。

1 唐鋼燒結(jié)余熱發(fā)電熱源獲取的改造方案

唐鋼現(xiàn)行燒結(jié)余熱發(fā)電熱源回收是從燒結(jié)冷卻機(jī)的高溫段和中溫段獲取煙氣后進(jìn)行混合，將混合的煙氣從鍋爐爐頂、送入余熱鍋爐近期管道，廢氣從余熱鍋爐的下端出口排出返回?zé)Y(jié)余熱環(huán)冷機(jī)，這種單進(jìn)口單出口的工藝模式對熱源的利用效率較低，損失很大，同時對燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的煙溫影響也較大。目前唐鋼燒結(jié)余熱發(fā)電環(huán)冷機(jī)的熱源具有不同的品位等級，目前的生產(chǎn)工藝中，只對燒結(jié)環(huán)冷中的高溫?zé)嵩催M(jìn)行了有效回收，還有相當(dāng)一部分熱源并沒有加以利用，能源損失很大，同時也會對環(huán)境有所污染。針對這一生產(chǎn)實(shí)際情況，遵循能源梯級利用理論，對現(xiàn)有的燒結(jié)取溫點(diǎn)和余熱鍋爐進(jìn)行設(shè)備改造，將鍋爐改成三進(jìn)口模式，提升燒結(jié)的煙氣回收利用率，從而提升余熱發(fā)電機(jī)組的工作效率。

目前唐鋼燒結(jié)余熱發(fā)電作業(yè)區(qū)的燒結(jié)余熱發(fā)電鍋爐進(jìn)口混合煙溫330℃左右，采用的是單進(jìn)口單出口的工藝模式，煙氣在鍋爐中經(jīng)過熱能交換后，出口煙溫150℃左右。經(jīng)過設(shè)備改造，余熱鍋爐改成三進(jìn)口單出口的工藝模式，完全遵照了能源的梯級利用理論原則，對不同品位的煙溫分別回收，如圖1所示。唐鋼燒結(jié)余熱發(fā)電三進(jìn)口工藝模式分別從燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的高溫段、中溫段和低溫段獲取煙溫，對應(yīng)鍋爐的三個工作區(qū)域：過熱器，蒸發(fā)器，省煤器。三個工作區(qū)域自上而下階梯立式結(jié)構(gòu)，三室相通。其中鍋爐的高溫工作區(qū)域與燒結(jié)高溫獲取煙道相對應(yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約400～450℃，煙氣經(jīng)過熱交換后，進(jìn)入到鍋爐的中溫工作區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行熱交換；鍋爐的中溫工作區(qū)域與燒結(jié)中溫?zé)煔夤艿老鄬?yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約300～380℃，與高溫交換后的煙氣混合后繼續(xù)進(jìn)行熱交換，進(jìn)入到鍋爐的低溫工作區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行熱交換；爐的低溫工作區(qū)域與燒結(jié)低溫?zé)煔夤艿老鄬?yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約大約250～280℃，與前兩個工作區(qū)域交換后的煙氣混合后繼續(xù)進(jìn)行熱交換，最終廢氣經(jīng)過鍋爐出口排出送回?zé)Y(jié)環(huán)冷機(jī)。這種多進(jìn)口的余熱鍋爐將燒結(jié)余熱的熱源做到了最大化的利用，對熱源回收完全按照梯級利用理論模式設(shè)計(jì)，改造后的余熱鍋爐熱源利用率和煙氣回收了都有了顯著的提升。

圖1 三進(jìn)口系統(tǒng)

2 唐鋼三進(jìn)口雙壓燒結(jié)余熱鍋爐設(shè)備裝置

在余熱發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，余熱鍋爐是最重要的單體設(shè)備，一般情況下余熱發(fā)電鍋爐都采用單進(jìn)口單排氣口的模式。三進(jìn)口燒結(jié)余熱鍋爐對冷卻機(jī)不同品位熱源進(jìn)行有效劃分后分段回收，保證冷卻機(jī)中的熱源可以得到最為充分的回收，所以說研發(fā)三進(jìn)口燒結(jié)余熱鍋爐對整個燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。三進(jìn)口燒結(jié)余熱鍋爐結(jié)構(gòu)采用上窄下寬的模式，根據(jù)熱源的溫度從不同的煙氣管道進(jìn)入燒結(jié)余熱鍋爐內(nèi)，對應(yīng)不同溫度的工作室，為了適應(yīng)熱源煙氣流量的變化，一般都采用雙壓的汽水工作系統(tǒng)，不同參數(shù)的蒸汽從汽輪機(jī)的主汽口和補(bǔ)汽口進(jìn)入汽輪機(jī)聯(lián)合做功。唐鋼燒結(jié)余熱三進(jìn)口雙壓式余熱鍋爐改造設(shè)備配置見圖 2所示，余熱鍋爐采用立式布置，配備雙汽包，具備以下幾方面的特點(diǎn)：

1）余熱鍋爐成立式梯形結(jié)構(gòu)，上窄下寬，自上而下分別為鍋爐的中壓過熱器、低壓過熱器，中壓閃蒸器、低壓蒸發(fā)器，中壓省煤器、低壓省煤器。這三個工作區(qū)在鍋爐中劃分為高溫室，中溫室和低溫室，相互連通。每個工作室的上部設(shè)置熱源的進(jìn)氣口，三個進(jìn)氣口對應(yīng)燒結(jié)冷卻機(jī)的高溫段，中溫段和低溫段，遵循梯級理論模型，根據(jù)熱源與工作室的溫度進(jìn)行匹配，同時在低溫工作室下部設(shè)置煙氣排放口，最終將所有的混合煙氣排出。

2）為了延長鍋爐的使用壽命，在鍋爐高溫室內(nèi)設(shè)置螺旋管圈水冷壁，水冷壁的內(nèi)壁三面水平，其中一面可以采用傾斜的結(jié)構(gòu)模式代替原有垂直的模式，這樣的布置方式有利于于熱廢氣以叉流方式同螺旋管圈水冷壁內(nèi)水蒸汽進(jìn)行熱交換，冷卻水動力穩(wěn)定，散熱強(qiáng)度高，同時也簡化了鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本開支。其余兩室都不設(shè)置水冷壁，采用裸壁的布置方式，但必須做好鍋爐本體的密封和絕熱。

3）為了增強(qiáng)鍋爐內(nèi)部的熱交換效果，優(yōu)化鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鍋爐中的過熱器，蒸發(fā)器和省煤器均按照原設(shè)計(jì)模式采用蛇形環(huán)肋管錯列逆流布置，這樣的布置方式對于安裝質(zhì)量，施工周期以及成本開支方面都十分有利。

4）三進(jìn)口余熱發(fā)電鍋爐由于熱源氣流在鍋爐內(nèi)部進(jìn)行混合，所以容易出現(xiàn)氣流紊亂擾動的現(xiàn)象，產(chǎn)生偏熱差。為了有效避免這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，鍋爐熱源進(jìn)氣口都與鍋爐本體設(shè)置一定的傾斜角度，讓熱源煙氣沿鍋爐四周進(jìn)入余熱鍋爐，不同工作室也可以多設(shè)置幾個熱源進(jìn)氣口，在進(jìn)氣口上可以安裝調(diào)壓風(fēng)門來控制進(jìn)氣量。也可以利用原有的進(jìn)氣口處氣流擋板來調(diào)節(jié)熱源煙氣的方向和流速，這些方式都可以有效的消除熱偏差。對氣流穩(wěn)定的調(diào)整措施有效的控制了煙氣的流速和溫度，從而提升高爐的工作效率。

5）燒結(jié)余熱發(fā)電鍋爐由于受熱膨脹，各個工作區(qū)域都存在軸向或者徑向的膨脹問題，在煙氣管道上也會出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象。為了更好地消除這類現(xiàn)象可以在各個銜接部位加裝膨脹節(jié)，鍋爐內(nèi)部的過熱器，蒸發(fā)器和省煤器由于本身就采用了蛇形彎管布置形式，自身就對熱膨脹有良好的吸收作用，所以無需加裝任何設(shè)備。由于熱膨脹的存在，對于鍋爐本體要定期檢查密封情況，用可靠的密封材料進(jìn)行密封絕熱處理。

圖2 唐鋼燒結(jié)余熱三進(jìn)口雙壓式余熱鍋爐改造設(shè)備配置

3 改造后熱能系統(tǒng)的計(jì)算與分析

針對唐鋼360 m2燒結(jié)冷卻機(jī)熱源參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對三進(jìn)口雙壓余熱鍋爐改造后熱能系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。改造后大致系統(tǒng)工藝流程如圖 3所示。

對應(yīng)余熱發(fā)電鍋爐的高溫工作區(qū)域與燒結(jié)高溫獲取煙道相對應(yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約400～450℃，煙氣經(jīng)過中壓過熱器和低壓過熱器熱交換后，進(jìn)入到鍋爐的中壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器繼續(xù)進(jìn)行熱交換；鍋爐的中溫工作區(qū)域與燒結(jié)中溫?zé)煔夤艿老鄬?yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約300～380℃，與高溫交換后的煙氣混合后與中壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，進(jìn)入到鍋爐的中壓省煤器和低壓省煤器繼續(xù)進(jìn)行熱交換；爐的低溫工作區(qū)域與燒結(jié)低溫?zé)煔夤艿老鄬?yīng)，獲取煙溫的溫度范圍大約大約250～280℃，與前兩個工作區(qū)域交換后的煙氣混合后與中壓省煤器和低壓省煤器進(jìn)行熱交換，最終廢氣經(jīng)過鍋爐出口排出，送回?zé)Y(jié)環(huán)冷機(jī)。

余熱鍋爐經(jīng)過這樣的工藝模式設(shè)備改造最終產(chǎn)生的中壓蒸汽溫度為380～410℃，壓力可以達(dá)到3～3.6 MPa，作為汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)行機(jī)做功，同時產(chǎn)生低壓蒸汽溫度為260～300℃，壓力為0.25～0.6 MPa，以補(bǔ)汽的形式進(jìn)入汽輪機(jī)做功，大幅的提升了現(xiàn)行余熱發(fā)電汽輪機(jī)的工作效率。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)

圖3 雙壓式余熱鍋爐三進(jìn)口工藝模式改造后熱系統(tǒng)圖

表1 余熱發(fā)電鍋爐三進(jìn)口工藝模式改造后 損分布

對系統(tǒng)中的熱量和煙氣各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如下：

（1）燒結(jié)冷卻機(jī)熱源品位參數(shù)

高溫段廢氣流量：100×104m3/h；

中溫段廢氣流量：220×104m3/h；

低溫段廢氣流量：180×104m3/h；

低溫段廢氣溫度：410℃；

中溫段廢氣溫度：310℃；

低溫段廢氣溫度：270℃。

（2）燒結(jié)余熱鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

相對內(nèi)效率：0.85%；

機(jī)械效率：0.93%；

發(fā)電機(jī)效率0.93%；

熱端溫差：28℃；

高溫段接近點(diǎn)溫差：10℃；

高溫段窄點(diǎn)溫差：18℃；

低溫段接近點(diǎn)溫差：10℃；

低溫段窄點(diǎn)溫差：18℃；

除氧器進(jìn)口溫差：90℃；

保熱系數(shù)：0.95。

（3）汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)

主汽流量：75 t/h；

主汽壓力:2.3 MPa;

主汽溫度:330℃;

補(bǔ)氣流量:35 t/h;

補(bǔ)氣壓力:1.3 MPa;

補(bǔ)氣溫度:250℃;

抽氣流量:1.5 t/h;

抽氣壓力:0.11 MPa;

抽氣溫度:130℃;

排氣壓力:0.082 MPa。

（4）燒結(jié)余熱發(fā)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率

發(fā)電功率:18000 kW;

水泵消耗功:5000 kW;

發(fā)電凈功率:13000 kW;

余熱利用率:0.65%;

廢氣出口溫度:130℃;

廢氣出口流量:380×104m3/h。

根據(jù)以上總數(shù)值可以得出結(jié)論，如果燒結(jié)熱源品位相同的條件之下，對余熱鍋爐進(jìn)行三進(jìn)口模式的設(shè)備改造之后，整個余熱發(fā)電系統(tǒng)的值的效率大幅提升，同時有效控制了煙氣出口的損，汽輪機(jī)發(fā)電效率勢必會有明顯提升。 通過數(shù)據(jù)計(jì)算分析得出結(jié)論，對唐鋼雙壓式余熱發(fā)電鍋爐進(jìn)行三進(jìn)口工藝模式的設(shè)備改造后，整個系統(tǒng)的發(fā)電功率為24.2 MW，比現(xiàn)行發(fā)電模式增加2.6 MW，綜合考慮在生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中的相關(guān)附屬泵組電能消耗，最終整個余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電凈功率增加了 1.8 MW。與此同時，由于對燒結(jié)余熱的熱源進(jìn)行有效的充分利用，使得燒結(jié)環(huán)冷的回風(fēng)溫度大幅降低，提升了燒結(jié)機(jī)的工作效率，其中熱源利用率和fffff4效率比原有運(yùn)行狀況提升了10.2%和8.5%。

4 總結(jié)

對唐鋼燒結(jié)熱發(fā)電系統(tǒng)的鍋爐遵循梯級利用理論原則進(jìn)行有效改造后，對采用的三進(jìn)口工作模式進(jìn)行了模擬計(jì)算和數(shù)據(jù)分析匯總，后期應(yīng)將現(xiàn)有的25 MW發(fā)電機(jī)組更換為30～40 MW的發(fā)電機(jī)組，這樣的設(shè)備匹配從效能利用上更為合理。這種基于梯級利用理論的熱能回收原則，出了應(yīng)用于燒結(jié)余熱發(fā)電工藝模式當(dāng)中，還可以用應(yīng)用于化工和建材等領(lǐng)域，相信在不久的將來該設(shè)備改造方案和工藝模式可以在整個余熱回收系統(tǒng)中得到更為廣闊的推廣。