燒結機尾煙氣與冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電技術的開發(fā)與應用

　　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]。燒結是鋼鐵生產過程中的一道重要工序，為高爐煉鐵提供原料。燒結生產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)有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[1]，我國燒結工序余熱利用率還不足30%，能耗指標與先進國家相比差距較大，每噸燒結礦的平均能耗要高于20kgce，因此我國燒結節(jié)能潛力很大。

　　從實現(xiàn)能源梯級利用的高效性和經濟性角度分析，余熱發(fā)電是最為有效的余熱利用途徑。近年來，燒結冷卻廢氣余熱回收發(fā)電技術的日益成熟和巨大的經濟、社會效益，其已被廣泛地在國內的各大中鋼鐵企業(yè)應用推廣。2004年馬鋼引進日本川崎重工核心技術及關鍵裝備在2×300m2燒結機上建成中國第一套燒結冷卻機廢氣余熱發(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]。隨后國內其他鋼鐵企業(yè)紛紛開展燒結冷卻余熱發(fā)電技術的探索研究，先后有濟鋼第二燒結廠320 m2燒結機余熱發(fā)電工程于2007年3月投產[6]，安鋼360 m2 + 400 m2燒結環(huán)冷機低溫余熱發(fā)電工程于2008年10月投產[7]等，多個燒結冷卻余熱發(fā)電工程投產。

　　與此同時，為了充分挖掘燒結工序余熱資源，進一步降低燒結生產能耗，燒結機尾煙氣余熱資源的回收利用技術已經被眾多業(yè)內人士所關注和研究探索。在日本，早在1981年10月，住友金屬小倉3#燒結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，是最早進行燒結機尾高溫煙氣余熱回收的典型案例之一[8]。在中國，寶鋼燒結廠2#燒結線于20世紀90年代初從日本引進成套的余熱回收裝置，分別在環(huán)冷機和燒結機旁設置一臺環(huán)冷余熱鍋爐和一臺燒結余熱鍋爐，設備的設計、制造者為日本新日鐵公司[9]。

　　目前，由于技術及經濟性等方方面面的原因，燒結機尾高溫煙氣余熱回收技術正處于摸索階段，沒有得到大規(guī)模的推廣應用。本文結合燒結余熱回收發(fā)電工程，提出關于燒結機尾煙氣與冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收發(fā)電技術的思路。

　　1 余熱資源特性研究與分析

　　燒結工藝余熱回收主要有兩大部分[4]：1）占燒結過程總帶入熱量約44.5%的燒結礦顯熱，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%的燒結煙氣顯熱，在燒結機尾風箱高溫段排出的廢氣溫度為300-380℃。

　　圖1  典型的燒結廠熱平衡能流圖[4]

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

　　1.1 燒結機尾煙氣余熱資源

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

　　圖2所表示的為一臺265m2燒結機單側大煙道各風箱（燒結機共有2個大煙道，每側均有27個風箱）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余熱發(fā)電帶來了很大的困難，也是燒結余熱發(fā)電設計過程中需要重點解決的問題。

　　圖2  某燒結廠265m2燒結機各風箱煙氣溫度分布（單側）

　　但燒結煙氣中含有一定的SOx、NOx以及粉塵，因此必須考慮其對煙風管道及余熱回收設備的腐蝕和磨損問題。因此，相對于燒結礦冷卻廢氣余熱而言，燒結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燒結機所配套的環(huán)冷機冷卻各段的廢氣溫度分布[10]。

　?。?）燒結余熱資源品位整體較低，低溫部分所占比例較大。

　　隨著燒結礦冷卻過程的進行，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。

　　（2）廢氣溫度波動較大。

　　燒結生產過程中，隨著燒結礦在燒結機上的燒成情況不同，其冷卻過程中產生的廢氣溫度也不同。燒結礦欠燒時，冷卻過程中產生的廢氣溫度高；過燒時，冷卻過程產生的廢氣溫度低。以某燒結廠320m2燒結機為例，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。

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

　　圖3  燒結冷卻過程中廢氣溫度分布

　　通過上述的分析，總結出燒結工序的可回收利用的余熱資源，包括燒結機尾高溫煙氣和冷卻機高溫段廢氣的顯熱，詳見圖4所示。

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

　　圖4  燒結工藝生產過程中的可利用余熱資源分布

　　2 發(fā)電系統(tǒng)方案與設計

　　目前，在國內燒結礦冷卻廢氣余熱回收技術業(yè)已成熟并得到廣泛的應用，但燒結機尾高溫煙氣余熱的回收技術卻正處在探索階段。

　　通常，燒結機尾高溫煙氣余熱回收的方案有以下兩種[8][11]：

　　方案一，煙氣由機尾處的高溫風箱引至余熱鍋爐，在燒結機主抽大煙道后部余熱回收段前設置一高溫閥門（余熱鍋爐運行時該閥門關閉），高溫煙氣首先通過預除塵后再由風管送至余熱鍋爐內進行熱交換，熱交換后的煙氣通過風管送回大煙道再至電除塵器入口處，經電除塵器、主抽風機后至煙囪排入大氣。

　　方案二，燒結機尾高溫煙氣取風方式和方案一類似，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)燒結機運行工況的變化控制進入余熱鍋爐的煙氣量，而且對經引風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、流量均有較嚴格的要求，以保證燒結機運行的穩(wěn)定。由此，該方案對燒結系統(tǒng)和余熱鍋爐系統(tǒng)的控制要求很高；方案二使燒結機控制系統(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燒結大煙道，故使主抽除塵器入口煙道的溫度較方案一低，容易導致煙氣對燒結設備的結露腐蝕。

　　針對燒結煙氣及燒結礦冷卻廢氣余熱的特性，結合以上兩種方案的權衡比較，我們開發(fā)了燒結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：

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

　　燒結機尾部大煙道煙氣高溫段前設置一高溫插板閥，高溫煙氣經過燒結余熱鍋爐充分換熱后，控制煙氣出口溫度170-190℃，由引風機送回大煙道前段，與低溫煙氣混合，保證煙氣溫度在酸露點溫度以上（130℃），經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再循環(huán)技術送回冷卻機，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)結構，蒸發(fā)器及省煤器采用螺旋翅片管；冷卻余熱鍋爐下部設置公共省煤器，預熱鍋爐給水后，分別送至冷卻余熱鍋爐和燒結余熱鍋爐的省煤器。

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

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

　　3 余熱發(fā)電技術應用與瓶頸

　　3.1 技術應用

　　目前，該技術已在我們的燒結余熱發(fā)電工程中得到應用。

　　以某燒結廠一條265m2燒結環(huán)冷生產線為例，進行技術經濟分析?？梢曰厥绽玫挠酂豳Y源如下：

　　燒結機尾可回收煙氣量：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：

　　燒結余熱鍋爐產生壓力為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生壓力為1.5MPa，溫度360℃，蒸汽流量為34.2t/h，低壓段產生壓力為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)約標煤量約為2.13萬t/a，相應地減少溫室氣體CO2排放量約為5.67萬t/a；按售電電價（含稅）0.58元/kWh計算，則在正常生產條件下，每年的售電收入約為3536萬元。由此分析可見，該技術具有十分顯著的經濟、社會和環(huán)境效益。

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

　　3.2 技術瓶頸

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

　　1. 燒結機尾部幾個風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)設備結露現(xiàn)象，極容易引起燒結機大煙道、除塵器設備以及主抽風機的葉片甚至是余熱回收設備（余熱鍋爐）的金屬腐蝕，嚴重的狀況會導致燒結系統(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，對燒結余熱鍋爐受熱面以及引風機葉片的沖刷磨損不容忽視。

　　因此，利用燒結機尾部煙氣余熱發(fā)電，大煙道、除塵器、主抽風機以及燒結余熱鍋爐和主抽引風機的材質應考慮應用耐酸腐蝕的材質，以延長設備的使用壽命。

　　3. 為了避開燒結煙氣的酸露點，防止燒結設備的腐蝕，則要求燒結余熱鍋爐的排煙溫度不能太低，燒結余熱鍋爐的排煙溫度控制在170-190℃的范圍內，保證燒結機主抽風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)燒結機運行工況的變化控制進入余熱鍋爐的煙氣量，而且對經引風機送回燒結機大煙道的燒結余熱鍋爐排出的煙氣壓力、流量均有較嚴格的要求，以保證燒結機運行的穩(wěn)定。因此，該方案對燒結系統(tǒng)和燒結余熱鍋爐系統(tǒng)的控制提出很高的要求。

　　4 總結

　　通過上述技術和經濟分析，以及國內外鋼鐵企業(yè)燒結機尾高溫煙氣余熱回收裝置成功運行的實踐，證明了燒結機尾高溫煙氣和燒結礦冷卻廢氣余熱聯(lián)合回收系統(tǒng)從技術層面上而言是完全具體可行性。

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

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

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

　　II. 余熱回收設備的材質選擇，在必要時，燒結余熱鍋爐和引風機等設備的材質應選擇耐酸腐蝕的材質；同時對燒結機大煙道和除塵器和主抽風機的進行適當?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，也可以采用高抗結露的布袋除塵器替代靜電除塵器。

　　IV. 總結燒結機尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)的控制與燒結機工藝控制的相互關系，確保煙氣余熱回收系統(tǒng)能夠很好的適應燒結系統(tǒng)，既確保燒結工藝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，又能充分回收利用機尾高溫煙氣的余熱能源。

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