龐 森 徐迎超 楊澤萌

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司)

目前“碳達(dá)峰、碳中和”已成為各個領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)作為碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，面臨巨大挑戰(zhàn)。燒結(jié)工序的能源消耗占鋼鐵廠總消耗的10%～20%，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔饨?jīng)環(huán)冷機(jī)排向大氣，不僅浪費(fèi)能源，而且污染環(huán)境，燒結(jié)工序的節(jié)能減排是鋼鐵企業(yè)的重中之重[1]。

燒結(jié)余熱回收利用能夠顯著降低燒結(jié)工序能源消耗，其中比較常用的余熱利用方式是將燒結(jié)環(huán)冷機(jī)高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。受到燒結(jié)原料配比、燒結(jié)機(jī)負(fù)荷波動和燒結(jié)機(jī)故障等因素影響，燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)存在頻繁啟停、負(fù)荷波動大、長期小負(fù)荷運(yùn)行等一系列問題，導(dǎo)致燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)效率低下，大大縮短了設(shè)備壽命。

在燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，國內(nèi)的工程技術(shù)人員大多采用靜態(tài)工況計(jì)算，并未考慮動態(tài)工況，一旦發(fā)生燃料配比波動或負(fù)荷變化則燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。另外，燒結(jié)工序是主工序，第一要務(wù)是生產(chǎn)合格的燒結(jié)礦，余熱發(fā)電屬于附屬，只能去適應(yīng)燒結(jié)工序的生產(chǎn)狀況。

1 帶爐外補(bǔ)燃裝置的燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)

我國第一套燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)為馬鋼引進(jìn)日本技術(shù)建造的，在引進(jìn)技術(shù)的同時我國技術(shù)人員進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，隨著近年來燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，形成了多種形式的燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)[2]。

典型的燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。正常生產(chǎn)時，環(huán)冷機(jī)煙氣溫度可達(dá)400～500 ℃，環(huán)冷機(jī)二段煙氣溫度在320 ℃以上，將環(huán)冷機(jī)內(nèi)的高溫?zé)煔庖胗酂徨仩t產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。經(jīng)測算，每噸燒結(jié)礦余熱回收蒸汽可達(dá)80～100 kg，噸礦發(fā)電量約為20 kWh。

圖1 典型的燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)

1.2 傳統(tǒng)燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)存在的問題及解決方案

傳統(tǒng)燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中主要存在以下問題[3]：

(1)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率高達(dá)15%～25%，引發(fā)熱輻射散熱、熱風(fēng)外逸和吸冷風(fēng)等問題，進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣溫度低且不穩(wěn)定，產(chǎn)生的過熱蒸汽壓力和溫度都較低，發(fā)電效率低；

(2)燒結(jié)煙氣量大，每噸燒結(jié)礦產(chǎn)生煙氣4 000～6 000 m3。由于燒結(jié)料透氣性變差及鋪料不均等，燒結(jié)煙氣系統(tǒng)的阻力變化較大，最終導(dǎo)致煙氣量變化大，汽輪發(fā)電機(jī)組頻繁啟停；

(3)北方地區(qū)，秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低引起燒結(jié)煙氣溫度降低，余熱鍋爐因產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度達(dá)不到汽輪機(jī)要求的最低進(jìn)汽溫度而被迫停產(chǎn)，使燒結(jié)余熱得不到充分利用。

針對燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)存在的問題列出以下解決方案[4]：

(1)針對燒結(jié)環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)，采用水密封技術(shù)改善環(huán)冷機(jī)的密封性，可大大降低燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)率；

(2)在燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)中增設(shè)補(bǔ)燃裝置，降低燒結(jié)機(jī)工況變化對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響。

1.3 帶爐外補(bǔ)燃裝置的燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)

爐外補(bǔ)燃裝置是，利用煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ㄟ^換熱器加熱燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽，增加蒸汽過熱度，滿足汽輪機(jī)對蒸汽過熱度要求的一整套裝置[5-6]，如圖2。爐外補(bǔ)燃方式將蒸汽的蒸發(fā)汽化和過熱放在兩個不同的裝置內(nèi)，水蒸氣的汽化過程需要的熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過熱過程的，所以爐外補(bǔ)燃方式不需要加熱環(huán)冷機(jī)煙氣，只加熱余熱鍋爐出口的飽和蒸汽即可。爐外補(bǔ)燃裝置具有換熱溫差大，換熱效率高，燃料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，可用于燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的新建或改造項(xiàng)目。

圖2 帶爐外補(bǔ)燃裝置的燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)

2 爐外補(bǔ)燃裝置在燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

2.1 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況

某鋼鐵廠現(xiàn)有1臺180 m2燒結(jié)機(jī)和1臺198 m2燒結(jié)機(jī)，2臺燒結(jié)機(jī)各配1臺環(huán)冷機(jī)及1套余熱回收系統(tǒng)，2座余熱鍋爐共用1套汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐采用熱風(fēng)循環(huán)雙壓型式，每臺雙壓余熱鍋爐蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)為：高參數(shù)蒸汽壓力1.6 MPa，溫度360 ℃，流量26.5 t/h；低參數(shù)蒸汽壓力0.5 MPa，溫度190 ℃，流量6.5 t/h。余熱鍋爐產(chǎn)汽供入補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪發(fā)電機(jī)組額定功率12 MW。

機(jī)組投產(chǎn)至今，受燒結(jié)工藝生產(chǎn)原料、產(chǎn)量、設(shè)備等因素影響，進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣溫度低，產(chǎn)汽量及蒸汽過熱度達(dá)不到汽輪機(jī)進(jìn)汽要求(汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度≥250 ℃)，造成汽輪發(fā)電機(jī)組頻繁停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備利用率。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行值如表1。為了實(shí)現(xiàn)燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組的有效利用，提高發(fā)電效益，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)燃技術(shù)改造，在汽輪機(jī)和余熱鍋爐之間增加爐外補(bǔ)燃裝置，使過熱蒸汽達(dá)到汽輪機(jī)的進(jìn)汽要求，供汽輪機(jī)發(fā)電使用，改造前后燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)如表2。

表1 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行值

表2 改造前后燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)

2.2 能源利用效率分析

對整個補(bǔ)燃系統(tǒng)進(jìn)行能源利用效率分析，分別在燒結(jié)環(huán)冷機(jī)低、中、高負(fù)荷的工況下選取三個工況點(diǎn)，考核系統(tǒng)的能源利用效率。

(4)

式中：η為補(bǔ)燃系統(tǒng)能源利用效率，%；Q2為增加爐外補(bǔ)燃裝置后系統(tǒng)單位時間多出的發(fā)電量，kWh；Q1為爐外補(bǔ)燃裝置單位時間消耗的煤氣量，m3/h；煤氣熱值3 140 kJ/m3。

爐外補(bǔ)燃裝置的排煙溫度為200 ℃，爐外補(bǔ)燃裝置熱效率為85%，煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量一部分傳熱給過熱蒸汽，另一部分通過排煙散失，根據(jù)能量守恒：

(q1Δh1+q2Δh2)/η1=3 140×Q1

(2)

式中：q1Δh1為單位時間內(nèi)高參數(shù)蒸汽吸熱量，kJ；q2Δh2為單位時間內(nèi)低參數(shù)蒸汽吸熱量，kJ；η1為爐外補(bǔ)燃裝置熱效率，%。

分別對環(huán)冷機(jī)高、中、低三個負(fù)荷下補(bǔ)燃系統(tǒng)的煤氣消耗量、能源利用效率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 燒結(jié)余熱發(fā)電補(bǔ)燃系統(tǒng)參數(shù)

燒結(jié)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度為230～260 ℃，無法用于發(fā)電。 增設(shè)爐外補(bǔ)燃裝置后，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)爐外補(bǔ)燃裝置加熱到360 ℃送入汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷約為6 180 kW，爐外補(bǔ)燃裝置可以保障低負(fù)荷下的燒結(jié)機(jī)余熱用于發(fā)電。通過消耗少量的煤氣，提高了汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，從而使補(bǔ)燃系統(tǒng)的能源利用效率可以達(dá)到293%，起到了以小博大的作用。補(bǔ)燃裝置通過動態(tài)調(diào)整，可以穩(wěn)定進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽溫度，增加燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少停機(jī)頻率，極大地增加了燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的可用時間。

燒結(jié)機(jī)中負(fù)荷運(yùn)行時，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度為260～290 ℃，未投入爐外補(bǔ)燃裝置的情況下，汽輪發(fā)電機(jī)組在中負(fù)荷(5 600 kW以下)下運(yùn)行。增設(shè)爐外補(bǔ)燃裝置后，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)爐外補(bǔ)燃系統(tǒng)加熱到360 ℃送入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)負(fù)荷在8 000 kW左右，補(bǔ)燃系統(tǒng)的能源利用效率可以達(dá)到204%。

燒結(jié)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度為290～320 ℃，未投入爐外補(bǔ)燃裝置的情況下發(fā)電機(jī)負(fù)荷在9 000 kW左右。增設(shè)爐外補(bǔ)燃裝置后，汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷在9 800 kW左右，顯著增加了發(fā)電量，補(bǔ)燃系統(tǒng)的能源利用效率可以達(dá)到55%。

3 結(jié)語

通過對某鋼鐵廠原燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行爐外補(bǔ)燃改造，燃燒少量的煤氣加熱余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，達(dá)到提高汽輪發(fā)電機(jī)組效率和運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。在燒結(jié)機(jī)中、低負(fù)荷運(yùn)行時，爐外補(bǔ)燃裝置可以穩(wěn)定進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽溫度，極大地改善了汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況，補(bǔ)燃系統(tǒng)的能源利用效率可以達(dá)到204%～293%，起到了以小博大的作用，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。