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

　　近十年來(lái)，鋼鐵工業(yè)能源消費(fèi)量占全國(guó)總能源消費(fèi)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(guó)重點(diǎn)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(guò)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(guò)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(fèi)。燒結(jié)工序能耗約占整個(gè)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(jì)數(shù)據(jù)表明[1]，我國(guó)燒結(jié)工序余熱利用率還不足30%，能耗指標(biāo)與先進(jìn)國(guó)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(guó)燒結(jié)節(jié)能潛力很大。

　　從實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的高效性和經(jīng)濟(jì)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(lái)，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(jì)、社會(huì)效益，其已被廣泛地在國(guó)內(nèi)的各大中鋼鐵企業(yè)應(yīng)用推廣。2004年馬鋼引進(jìn)日本川崎重工核心技術(shù)及關(guān)鍵裝備在2×300m2燒結(jié)機(jī)上建成中國(guó)第一套燒結(jié)冷卻機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)（裝機(jī)容量為17.5MW），該系統(tǒng)于2005年9月并網(wǎng)發(fā)電[5]。隨后國(guó)內(nèi)其他鋼鐵企業(yè)紛紛開(kāi)展燒結(jié)冷卻余熱發(fā)電技術(shù)的探索研究，先后有濟(jì)鋼第二燒結(jié)廠320 m2燒結(jié)機(jī)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(jī)低溫余熱發(fā)電工程于2008年10月投產(chǎn)[7]等，多個(gè)燒結(jié)冷卻余熱發(fā)電工程投產(chǎn)。

　　與此同時(shí)，為了充分挖掘燒結(jié)工序余熱資源，進(jìn)一步降低燒結(jié)生產(chǎn)能耗，燒結(jié)機(jī)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(cāng)3#燒結(jié)機(jī)尾部大煙道高溫段煙氣余熱回收裝置開(kāi)始運(yùn)行，并與冷卻機(jī)余熱回收裝置并聯(lián)運(yùn)行，各自產(chǎn)生的蒸汽匯合一起推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電，是最早進(jìn)行燒結(jié)機(jī)尾高溫?zé)煔庥酂峄厥盏牡湫桶咐籟8]。在中國(guó)，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(jìn)成套的余熱回收裝置，分別在環(huán)冷機(jī)和燒結(jié)機(jī)旁設(shè)置一臺(tái)環(huán)冷余熱鍋爐和一臺(tái)燒結(jié)余熱鍋爐，設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造者為日本新日鐵公司[9]。

　　目前，由于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性等方方面面的原因，燒結(jié)機(jī)尾高溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)正處于摸索階段，沒(méi)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(jī)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(guò)程總帶入熱量約44.5%的燒結(jié)礦顯熱，在冷卻機(jī)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(jī)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(guò)程中，有近50%的熱能以燒結(jié)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣，如圖1所示。

　　1.1 燒結(jié)機(jī)尾煙氣余熱資源

　　根據(jù)我們的熱工測(cè)試，燒結(jié)機(jī)尾部起相對(duì)于燒結(jié)機(jī)長(zhǎng)度約1/3的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱煙氣溫度達(dá)300-380℃，甚至更高，但由于燒結(jié)機(jī)尾部漏風(fēng)等影響，最后兩個(gè)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(tái)265m2燒結(jié)機(jī)單側(cè)大煙道各風(fēng)箱（燒結(jié)機(jī)共有2個(gè)大煙道，每側(cè)均有27個(gè)風(fēng)箱）在不同時(shí)刻段（相隔半小時(shí)）的溫度分布情況，可見(jiàn)從23#到27#風(fēng)箱煙氣溫度在300℃以上。但溫度波動(dòng)幅度很大，有的甚至超過(guò)100℃，如此大范圍的溫度波動(dòng)給利用燒結(jié)余熱發(fā)電帶來(lái)了很大的困難，也是燒結(jié)余熱發(fā)電設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

　　圖2  某燒結(jié)廠265m2燒結(jié)機(jī)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(duì)煙風(fēng)管道及余熱回收設(shè)備的腐蝕和磨損問(wèn)題。因此，相對(duì)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(diǎn)，這些給燒結(jié)煙氣余熱回收帶來(lái)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(tái)265m2燒結(jié)機(jī)所配套的環(huán)冷機(jī)冷卻各段的廢氣溫度分布[10]。

　　（1）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(guò)程的進(jìn)行，冷卻機(jī)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(gè)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(dòng)較大。

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

　?。?）余熱資源的連續(xù)性難以保證。

　　在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中由于設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定性，短時(shí)間的停機(jī)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(guò)程中廢氣溫度分布

　　通過(guò)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(jī)尾高溫?zé)煔夂屠鋮s機(jī)高溫段廢氣的顯熱，詳見(jiàn)圖4所示。

　　同時(shí)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(duì)燒結(jié)機(jī)大煙道、除塵器、主抽風(fēng)機(jī)等設(shè)備的腐蝕問(wèn)題，燒結(jié)機(jī)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(jī)入口煙氣在130℃左右，避開(kāi)燒結(jié)煙氣的酸露點(diǎn)。如此，通過(guò)我們的計(jì)算分析，對(duì)于同一條燒結(jié)生產(chǎn)線而言，燒結(jié)機(jī)尾高溫?zé)煔饪苫厥盏挠酂豳Y源約為冷卻機(jī)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(guò)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(jì)

　　目前，在國(guó)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(jī)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(jī)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(jī)尾處的高溫風(fēng)箱引至余熱鍋爐，在燒結(jié)機(jī)主抽大煙道后部余熱回收段前設(shè)置一高溫閥門(mén)（余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)該閥門(mén)關(guān)閉），高溫?zé)煔馐紫韧ㄟ^(guò)預(yù)除塵后再由風(fēng)管送至余熱鍋爐內(nèi)進(jìn)行熱交換，熱交換后的煙氣通過(guò)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(jī)后至煙囪排入大氣。

　　方案二，燒結(jié)機(jī)尾高溫?zé)煔馊★L(fēng)方式和方案一類(lèi)似，但煙氣通過(guò)余熱鍋爐進(jìn)行熱交換后，熱交換后的煙氣通過(guò)除塵器再由引風(fēng)機(jī)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(jī)運(yùn)行工況的變化控制進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量，而且對(duì)經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)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(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。由此，該方案對(duì)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(jī)控制系統(tǒng)與余熱鍋爐控制系統(tǒng)各自獨(dú)立，互不干擾，運(yùn)行相對(duì)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(duì)燒結(jié)設(shè)備的結(jié)露腐蝕。

　　針對(duì)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(kāi)發(fā)了燒結(jié)機(jī)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(diǎn)：

　　在燒結(jié)機(jī)和燒結(jié)礦冷卻機(jī)生產(chǎn)線上，分別配置一臺(tái)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(jī)廢氣顯熱；

　　燒結(jié)機(jī)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(guò)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(jī)送回大煙道前段，與低溫?zé)煔饣旌?，保證煙氣溫度在酸露點(diǎn)溫度以上（130℃），經(jīng)凈化處理后排到大氣中；

　　煙氣由冷卻機(jī)高中溫段引出，高溫和低溫廢氣管道合并一路進(jìn)入冷卻余熱鍋爐，熱交換后的廢氣通過(guò)余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)送回冷卻機(jī)，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(jiàn)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(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析?？梢曰厥绽玫挠酂豳Y源如下：

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

　　通過(guò)熱力計(jì)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(jī)組的發(fā)電功率為8850.9kW，年發(fā)電量為7435萬(wàn)kWh，扣除電站自耗電量后，年供電量為6096萬(wàn)kWh；折合節(jié)約標(biāo)煤量約為2.13萬(wàn)t/a，相應(yīng)地減少溫室氣體CO2排放量約為5.67萬(wàn)t/a；按售電電價(jià)（含稅）0.58元/kWh計(jì)算，則在正常生產(chǎn)條件下，每年的售電收入約為3536萬(wàn)元。由此分析可見(jiàn)，該技術(shù)具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(guò)計(jì)算分析，系統(tǒng)發(fā)電功率增加23.2%，充分說(shuō)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(jì)效益，為社會(huì)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(jī)尾煙氣余熱回收的技術(shù)瓶頸或技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

　　1. 燒結(jié)機(jī)尾部幾個(gè)風(fēng)箱的煙氣溫度雖然可達(dá)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(diǎn)溫度，會(huì)出現(xiàn)設(shè)備結(jié)露現(xiàn)象，極容易引起燒結(jié)機(jī)大煙道、除塵器設(shè)備以及主抽風(fēng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致燒結(jié)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

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

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

　　3. 為了避開(kāi)燒結(jié)煙氣的酸露點(diǎn)，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(jī)主抽風(fēng)機(jī)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(jī)運(yùn)行工況的變化控制進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量，而且對(duì)經(jīng)引風(fēng)機(jī)送回?zé)Y(jié)機(jī)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(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。因此，該方案對(duì)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(guò)上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，以及國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機(jī)尾高溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置成功運(yùn)行的實(shí)踐，證明了燒結(jié)機(jī)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(duì)燒結(jié)機(jī)尾煙氣余熱回收技術(shù)難點(diǎn)，本文認(rèn)為在燒結(jié)余熱發(fā)電工程的設(shè)計(jì)中有以下四點(diǎn)值得注意：

　　I. 科學(xué)設(shè)計(jì)燒結(jié)余熱鍋爐的排煙溫度，以確保避開(kāi)燒結(jié)煙氣的酸露點(diǎn)，防止對(duì)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(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)不同的燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)條件下的實(shí)踐中不斷地、反復(fù)地進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)，以及及時(shí)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(shí)，燒結(jié)余熱鍋爐和引風(fēng)機(jī)等設(shè)備的材質(zhì)應(yīng)選擇耐酸腐蝕的材質(zhì)；同時(shí)對(duì)燒結(jié)機(jī)大煙道和除塵器和主抽風(fēng)機(jī)的進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，進(jìn)行耐酸腐蝕的保護(hù)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(jī)尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)的控制與燒結(jié)機(jī)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(yùn)行，又能充分回收利用機(jī)尾高溫?zé)煔獾挠酂崮茉础?/FONT>