高光星
（上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，上海201999）
摘要：燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)是利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收，通過鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽，再由汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電可應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)。由于煙氣的循環(huán)利用，在回收生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大量余熱的同時(shí)，也減少了燒結(jié)環(huán)冷機(jī)原高溫?zé)煔鈱?duì)環(huán)境的熱輻射及粉塵污染。對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一些問題,如環(huán)冷機(jī)密封改造效果不佳、余熱發(fā)電波動(dòng)較大等進(jìn)行分析和總結(jié)，并進(jìn)行改進(jìn)和完善，以提高發(fā)電效率。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)環(huán)冷機(jī)；余熱鍋爐；汽輪發(fā)電機(jī)；余熱發(fā)電
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，鋼鐵企業(yè)也是耗能大戶，鋼鐵業(yè)能源消耗量約占全國工業(yè)總能耗的15%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業(yè)排放總量的14%和17%，是節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)。在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序能耗是僅次于煉鐵的第二大耗能工序，占總能耗的9% - 12%。燒結(jié)工序中會(huì)產(chǎn)出大量的溫度在250?450℃的燒結(jié)機(jī)煙氣和環(huán)冷機(jī)廢氣,這些煙廢氣每小時(shí)可達(dá)幾十萬立方米,含塵濃度約達(dá)3 g/m3,帶走了燒結(jié)工序中50%的熱能，如果直接排入大氣，不僅浪費(fèi)能源,也對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的粉塵污染和熱污染。從環(huán)境保護(hù)的角度看，余熱發(fā)電完全利用燒結(jié)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣余熱作為熱源，整個(gè)發(fā)電過程不需要燃燒燃料（煤、油、燃?xì)猓虼? 對(duì)大氣環(huán)境不增加任何污染物（粉塵、NO-和SO2）的排放，而且余熱鍋爐還能起到收塵和降溫作用,降低了燒結(jié)生產(chǎn)廢氣中的粉塵排放濃度和氣體溫度，對(duì)減少溫室效應(yīng)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著積極的促進(jìn)作用。近年來，隨著我國燒結(jié)機(jī)的大型化和低溫?zé)煔庥酂徨仩t技術(shù)、低參數(shù)補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)不斷發(fā)展和日臻完善，燒結(jié)余熱發(fā)電已在全國大中型鋼鐵企業(yè)得到推廣。
1燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用
本文以寶鋼節(jié)能公司EMC項(xiàng)目寶武集團(tuán)某燒結(jié)廠為例,簡(jiǎn)述余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用。
1.1余熱條件
該燒結(jié)廠現(xiàn)有2臺(tái)265 m2燒結(jié)機(jī)，其環(huán)冷機(jī)有效冷卻面積分別為280、360 m2；1臺(tái)430 m2燒結(jié)機(jī)，其環(huán)冷機(jī)有效冷卻面積為530 m2。本項(xiàng)目回收3臺(tái)環(huán)冷機(jī)的低溫?zé)煔庥酂峒羞M(jìn)行發(fā)電，以達(dá)到資源綜合利用、節(jié)能降耗并為企業(yè)提供部分能源補(bǔ)充的目的。
1.2現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定燒結(jié)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)
現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定燒結(jié)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)見表1。煙氣量工況波動(dòng)按-20%?+10%考慮，煙溫按±20 K考慮。煙氣成分為N2、O2、H2O,其中N2占78%、O2占21%、H2O占1% （均為體積分?jǐn)?shù)），煙氣含灰量為3g/m3，成分為鐵礦石燒結(jié)熟料，粒徑為100μm。
1.3煙風(fēng)系統(tǒng)
燒結(jié)機(jī)組余熱鍋爐的循環(huán)風(fēng)機(jī)出口回風(fēng)通過環(huán)冷機(jī)被加熱后 分別通過切換擋板門引入到煙道。I、II段煙氣分別引入到余熱鍋爐高溫側(cè)入口（其中1區(qū)段煙氣在進(jìn)入余熱鍋爐之前先經(jīng)除塵器除塵）和低溫側(cè)入口，通過余熱鍋爐換熱后，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)回送入環(huán)冷機(jī)I、II段風(fēng)道，原來兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)。當(dāng)余熱鍋爐故障時(shí)，切換擋板門關(guān)閉，煙氣排空，環(huán)冷機(jī)需要的冷卻風(fēng)由原有環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)。
循環(huán)風(fēng)機(jī)入口前需要補(bǔ)充一定量的冷風(fēng)，此風(fēng)量按照20%?30%泄漏率來確定，若環(huán)冷機(jī)泄漏率變大或環(huán)冷機(jī)出口礦料溫度過高，可通過調(diào)節(jié)冷風(fēng)進(jìn)口的電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。考慮到燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)料量的變化和燒結(jié)量厚度對(duì)熱煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響,循環(huán)風(fēng)機(jī)通過液力耦合器調(diào)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)環(huán)冷機(jī)運(yùn)行工況的變化情況及煙罩上方壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
煙風(fēng)系統(tǒng)采用兩段取風(fēng)、閉路循環(huán)系統(tǒng)，見圖1。
為充分利用高、低溫段廢氣的余熱,余熱鍋爐采用雙通道結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用,保證最大化回收利用余熱資源。
1.4主要設(shè)備參數(shù)
本系統(tǒng)由鍋爐余熱系統(tǒng)及輔機(jī)、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)及輔機(jī)構(gòu)成。
汽輪機(jī)的主要參數(shù)：型號(hào)為BN30 -1.8/0.4 （a），型式為補(bǔ)汽凝汽式，額定容量為30 MW,設(shè)計(jì)工況高壓汽進(jìn)汽量為120 t/h，高壓汽最大進(jìn)汽量為130 t/h,設(shè)計(jì)工況高壓進(jìn)汽壓力為1.8 MPa, 設(shè)計(jì)工況高壓汽溫度為340 l ,高壓汽最高進(jìn)汽溫度為400 l，高壓汽最低進(jìn)汽溫度為280 l，高壓汽溫度變化速率％5 K/mi,設(shè)計(jì)工況低壓補(bǔ)汽量為40 t/h，設(shè)計(jì)工況低壓補(bǔ)汽壓力為0.4 MPa, 設(shè)計(jì)工況低壓補(bǔ)汽溫度為190 l ,額定排汽壓力為0.007 MPa,額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min,轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針。
發(fā)電機(jī)型號(hào)為QF - K33 -2,額定功率為33 MW,額定功率因數(shù)為0. 80（滯后）,額定頻率為50 Hz,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,額定電壓為10.5 kV,冷卻方式為空內(nèi)冷，勵(lì)磁系統(tǒng)為無刷勵(lì)磁，最大超負(fù)荷能力為10%。
3#鍋爐高參數(shù)段額定蒸發(fā)量為65 t/h,額定蒸汽壓力為1.8 MPa,額定蒸汽溫度為360 l %低參數(shù)段額定蒸發(fā)量為20 t/h,額定蒸汽壓力為0.4 MPa,額定蒸汽溫度為180 l。
1.5熱力系統(tǒng)
1.5.1 余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)
3臺(tái)余熱鍋爐均設(shè)計(jì)為帶汽包的立式自然循環(huán)鍋爐,采用雙壓系統(tǒng)，其給水分為兩路,一路為高壓給水,另一路為低壓給水。從汽機(jī)房過來的補(bǔ)水由補(bǔ)水泵加壓后進(jìn)入預(yù)熱器,被加熱成飽和水進(jìn)入低壓汽包（除氧器），從低壓汽包（除氧器）分兩路，一路直接進(jìn)入低壓省煤器，另外一路通過給水泵進(jìn)入高壓省煤器。進(jìn)入高壓系統(tǒng)水經(jīng)過鍋爐內(nèi)部循環(huán)被加熱成2.0 MPv、350 l過熱蒸汽； 進(jìn)入低壓鍋爐汽包的飽和水被加熱成0.5 MPa、200 l過熱蒸汽，兩個(gè)壓力等級(jí)的蒸汽分別進(jìn)入30.0 MW汽輪機(jī)高壓端和低壓端做功發(fā)電。
1.5.2 工藝流程
本工藝系統(tǒng)流程見圖 2。
1.6環(huán)冷機(jī)改造
燒結(jié)余熱發(fā)電的熱源主要來自于環(huán)冷機(jī)產(chǎn)生的熱煙氣,環(huán)冷機(jī)的密圭封性能直接影響到余熱發(fā)電的效率 對(duì)環(huán)冷機(jī)密封改造和煙罩及保溫改造尤為重要。
1.6.1 環(huán)冷機(jī)密封改造
針對(duì)環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)點(diǎn) 設(shè)計(jì)了相應(yīng)密封技術(shù)改造形式，以達(dá)到降低環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率、提高余熱利用效率的目的。設(shè)計(jì)中考慮了制造、安裝、檢修維護(hù)的便利性和運(yùn)行的可靠性。
（1）臺(tái)車與風(fēng)箱之間的密封。
環(huán)冷機(jī)臺(tái)車與風(fēng)箱之間的漏風(fēng)一般達(dá)到30%以上，是環(huán)冷機(jī)的主要漏風(fēng)點(diǎn),其影響到燒結(jié)礦的冷卻效果，同時(shí)也會(huì)使余熱發(fā)電的設(shè)計(jì)風(fēng)量不足。
由于本項(xiàng)目燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，鼓入風(fēng)箱的煙氣是余熱鍋爐利用完之后的熱空氣，其溫度在100 - 150℃之間，與原鼓入的環(huán)境空氣相比，有著較高溫度。環(huán)冷機(jī)原有密封采用彈性橡膠進(jìn)行雙層密封，本方案將結(jié)合原有特點(diǎn)，將內(nèi)層彈性橡膠更換為耐溫的彈性材料, 并對(duì)原有的破損外層彈性橡膠進(jìn)行更換,從而有效降低臺(tái)車與風(fēng)箱之間的漏風(fēng)率。
(2) 臺(tái)車與煙罩之間的密封。
原燒結(jié)環(huán)冷機(jī)臺(tái)車與煙罩之間采用了薄鋼板進(jìn)行直接密封，之間存在一定間隙，為了進(jìn)一步降低高溫余熱煙風(fēng)的漏風(fēng)率,本工程將對(duì)這部分重新設(shè)計(jì)改造,臺(tái)車與煙罩之間的空隙采用柔性耐高溫材料制成的鋼絲刷與臺(tái)車配合進(jìn)行密封，使鋼絲刷與臺(tái)車配合形成柔性接觸動(dòng)密封,從而實(shí)現(xiàn)可靠、有效的動(dòng)密封形式。
(3) 煙罩端部及中間擋板。
針對(duì)取風(fēng)段煙罩兩端漏風(fēng)及各段間串風(fēng)的問題，本項(xiàng)目采用固定板+翻板的形式。在距離臺(tái)車側(cè)欄水平高度約0.5 m以上的煙罩端部及隔斷板上部安裝1塊固定鋼板，同時(shí)在該固定鋼板上安裝由多塊耐磨材料制成的可活動(dòng)的翻板，每塊翻板與固定鋼板之間采用鉸鏈進(jìn)行連接固定。
(4) 風(fēng)箱端部密封。
風(fēng)箱端部的密封主要分為兩部分:落礦端風(fēng)箱端頭和余熱利用部分的尾部風(fēng)箱端，該部分主要存在風(fēng)箱與風(fēng)箱的串風(fēng)現(xiàn)象，使得利用完之后的100 -150 ℃循環(huán)風(fēng)出現(xiàn)向非余熱利用段的風(fēng)箱漏風(fēng)的問題，從而不利于煙氣循環(huán)利用技術(shù)的應(yīng)用。
本項(xiàng)目將在這兩風(fēng)箱端部直接采用鋼板進(jìn)行隔斷，在風(fēng)箱之間結(jié)合處的箱梁上安裝擋板，鋼板上端安裝多塊鋼刷,以減小與臺(tái)車底部之間的間隙。
(5) 臺(tái)車與車輪。
本工程采用鋼板和彈性橡膠結(jié)合進(jìn)行接觸式密圭寸，密圭寸板與密圭寸面間隙應(yīng)保持在0~2.5 mm, 以免接觸過大，在環(huán)冷機(jī)臺(tái)車卸礦時(shí)增大整個(gè)環(huán)冷機(jī)底板的摩擦阻力，不利于卸礦。
1.6.2 煙罩及保溫改造
由于原有環(huán)冷機(jī)煙罩采用普通鋼板，同時(shí)煙罩密封段是整體連接結(jié)構(gòu),在原有運(yùn)行中僅是聚集高溫?zé)煔?，部分回收利用于熱風(fēng)燒結(jié),部分通過煙囪進(jìn)行排放，同時(shí)煙罩無保溫裝置，使得煙罩的散熱損失非常嚴(yán)重。
為了充分回收環(huán)冷機(jī)的余熱，使高溫余熱煙風(fēng)更好地輸送到余熱鍋爐，降低煙罩內(nèi)余熱煙氣的散熱損失，同時(shí)減少煙罩內(nèi)余熱煙氣高溫段與低溫段氣室之間的串風(fēng)率,本項(xiàng)目將對(duì)環(huán)冷機(jī)煙罩進(jìn)行改造，具體如下：
(1) 本設(shè)計(jì)煙風(fēng)系統(tǒng)采用了兩段取風(fēng)方式, 在第一段的前端是燒結(jié)的落礦端,該處煙氣溫度較高，在400 ~ 500 ℃之間，因此，該部分煙罩將考慮改造為耐高溫的鋼板進(jìn)行重新安裝。
(2) 原有煙罩密封段是整體連接結(jié)構(gòu)形式, 上余熱發(fā)電項(xiàng)目之后,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與余熱取風(fēng)段角度,將煙罩設(shè)計(jì)劃分成多段，每段煙罩之間連接處安裝熱膨脹用的伸縮節(jié)，防止煙罩由于熱脹冷縮而引起變形甚至脫落。
(3) 由于原有煙罩無保溫，造成了大量熱量的散失，本設(shè)計(jì)將在保證環(huán)冷機(jī)礦料正常冷卻效果的前提下,對(duì)密封段的煙罩進(jìn)行外保溫,外保溫材料采用硅酸鹽棉氈和鍍鋅鐵皮。
(4) 根據(jù)不同生產(chǎn)區(qū)域增補(bǔ)相應(yīng)密封煙罩及煙風(fēng)管道。
(5) 為防止熱量損失，提高余熱回收利用效率，本項(xiàng)目對(duì)環(huán)冷機(jī)排放煙囪也進(jìn)行保溫,保溫至與余熱煙風(fēng)接口處。
2后續(xù)存在問題及改進(jìn)方法
該項(xiàng)目自2013年試生產(chǎn)后從2014年正式進(jìn)入效益分享期，從項(xiàng)目運(yùn)行到現(xiàn)在，夏季發(fā)電，冬季供熱,降低了燒結(jié)廠噸礦能耗指標(biāo)，也為夏季整個(gè)生產(chǎn)能源平衡發(fā)揮了巨大作用,原放散的煤氣現(xiàn)在可以通過燃?xì)忮仩t產(chǎn)生蒸汽，再發(fā)電,節(jié)約了整個(gè)生產(chǎn)體系能源消耗。但通過這幾年的運(yùn)行也暴露了一些問題，發(fā)電效率沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，由于燒結(jié)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致環(huán)冷機(jī)停機(jī)較多，發(fā)電波動(dòng)較大甚至是停機(jī)。
針對(duì)本余熱發(fā)電系統(tǒng)的問題，在運(yùn)行后陸續(xù)進(jìn)行了改善,對(duì)環(huán)冷機(jī)的機(jī)械密圭寸進(jìn)行改造,使煙氣漏風(fēng)率得到極大的降低,增加一路中壓蒸汽補(bǔ)汽回路，平緩了因燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)不穩(wěn)定導(dǎo)致的發(fā)電波動(dòng)大的問題,解決了夏季整個(gè)煤氣平衡的問題,減少了煤氣排放,節(jié)約了能源。
2.1環(huán)冷機(jī)煙罩密封損耗大
在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境的運(yùn)行下,環(huán)冷機(jī)不同程度地存在迥轉(zhuǎn)框架變形,焊縫開裂，側(cè)輥、曲軌、磨擦輪、臺(tái)車輪磨損嚴(yán)重等問題,從而導(dǎo)致環(huán)冷機(jī)臺(tái)車跑偏、臺(tái)車輪啃軌，同時(shí)，由于環(huán)冷機(jī)密封罩長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行導(dǎo)致各部件間縫隙加大,進(jìn)而增大了環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率。原設(shè)計(jì)的風(fēng)罩密封用高溫鋼刷與臺(tái)車攔板接觸，防止冷風(fēng)的竄入，但實(shí)際運(yùn)行下來鋼絲刷磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致大量高溫?zé)煔庑孤╋L(fēng)情況見圖3 (a)，導(dǎo)致鍋爐進(jìn)氣量不足，蒸汽產(chǎn)量下降。為此我們對(duì)此密封進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用新型的鱗片密封技術(shù)，見圖3 (b )，大大降低了漏風(fēng)，也改善了周邊環(huán)境，鍋爐的產(chǎn)汽量同比提高20%左右。
2.2環(huán)冷機(jī)下風(fēng)箱積灰嚴(yán)重
由于余熱鍋爐尾部煙道出口對(duì)著環(huán)冷機(jī)，環(huán)冷機(jī)的料礦經(jīng)常堵住余熱鍋爐出口煙道,積料積灰情況見圖4、5 ,不清理或是不及時(shí)清理將影響煙氣閉式循環(huán)，影響鍋爐產(chǎn)汽量；同時(shí)，考慮到環(huán)冷機(jī)煙塵含量較高,如不及時(shí)清理將影響鍋爐受熱面的換熱效果,影響鍋爐效率,在現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)了運(yùn)行管理,制定生產(chǎn)放灰制度,加強(qiáng)考核。
2.3燒結(jié)生產(chǎn)連續(xù)性不夠
燒結(jié)余熱主要來自熱燒結(jié)礦所攜帶的物理顯熱，只有當(dāng)煙氣回收段連續(xù)不斷地有燒結(jié)礦通過時(shí),燒結(jié)余熱才能成為一種連續(xù)的熱源，若燒結(jié)礦物流中斷或不正常,整個(gè)余熱回收系統(tǒng)的熱源也就中斷了。實(shí)際生產(chǎn)中，燒結(jié)經(jīng)常由于設(shè)備原因或是物料平衡原因，生產(chǎn)連續(xù)性較差，環(huán)冷機(jī)短時(shí)間的停機(jī)很難避免,導(dǎo)致鍋爐蒸汽波動(dòng)較大，有時(shí)直接迫使汽輪機(jī)停機(jī)。而從發(fā)電機(jī)解列到恢復(fù)最短也需要2 ~3 h,此時(shí)余熱都被浪費(fèi)了，而熱力設(shè)備的頻繁起停將直接影響其使用壽命，同時(shí)也增添設(shè)備故障發(fā)生的概率。
為此我們?cè)O(shè)計(jì)了雙向供汽方案，由廠區(qū)主管網(wǎng)引取3.83 MPa、435 l蒸汽20 -50 t/h,經(jīng)減壓至1.8 MPa,經(jīng)混合段與余熱鍋爐的蒸汽并汽匹配后，形成溫度340℃l的蒸汽送入燒結(jié)余熱30 MW補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，這不僅大大降低了停機(jī)頻 率,也提高了發(fā)電效率。
2.4凝汽器容易堵塞
本項(xiàng)目采用自然通風(fēng)雙曲線冷卻塔對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，由于冷卻塔處在煤料場(chǎng)附近，刮風(fēng)的時(shí)候會(huì)有煤灰及粉塵吹進(jìn)冷卻塔內(nèi)，隨著循環(huán)水進(jìn)入凝汽器,時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)在凝汽器銅管壁附著，造成換熱效率降低，真空度下降，影響發(fā)電效率。為此后續(xù)通過在冷卻塔周邊安裝防塵設(shè)施，隔絕粉塵污染，保證循環(huán)水的旁濾設(shè)施完好投入使用,定期疏通凝汽器,在夏季凝汽器也保證了高度真空, 使蒸汽中所含的熱量盡可能被用來發(fā)電。
3結(jié)束語
環(huán)冷機(jī)低溫余熱發(fā)電是一項(xiàng)利于環(huán)保、利于企業(yè)節(jié)能的項(xiàng)目，在國內(nèi)的很多鋼鐵廠都得到了應(yīng)用。通過這幾年的運(yùn)行情況看,余熱發(fā)電的技術(shù)是不斷進(jìn)步的,技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是整個(gè)過程的熱量要能被充分利用,降低漏風(fēng),提高運(yùn)行水平,標(biāo)準(zhǔn)化操作,對(duì)設(shè)備要進(jìn)行精細(xì)點(diǎn)檢,做好檢修計(jì)劃,搶修響應(yīng)及時(shí),提高設(shè)備運(yùn)行時(shí)間,最大化利用余熱，最大化運(yùn)行時(shí)間。