水钢烧结余热发电技术的利用及探讨

水钢烧结余热发电技术的利用及探讨

摘要：本文主要介绍了水钢6、7#烧结机低温余热发电系统的基本情况和组成，对该系统的设计特点和运行过程中存在的问题进行了分析，结合国内成功的烧结发电技术，制定下一步的技改措施和努力的方向。

关键词：烧结余热 发电蒸汽锅炉 利用分析措施

１.前言

近年来,随着世界尤其是我国常规能源的短缺和能源与环境之间关系的日益紧张,节能减排逐渐受到了社会各界的关注。钢铁企业一向以高能耗、高排放形象示人，目前钢铁行业竞争激烈，面对新的节能减排形势，如何回收利用在冶炼过程中产生的余热，成为钢铁企业节能降耗，降低生产成本的首要任务。烧结矿是高炉炼铁的主要原材料，烧结过程中的能源消耗占钢铁企业总能耗的9～12%左右，仅次于炼铁，而其排放的余热约占总能耗热能的49%。利用烧结烟气余热产生低参数的过热蒸汽供汽轮机发电可大大降低钢铁企业的生产成本带来显著的经济效益；同时通过余热锅炉使烟尘沉降可以减少污染物的排放。由此可见烧结机余热发电既符合国家节能环保政策，又可为企业创造经济效益，前景大有可为。

２.烧结余热发电原理及基本工艺

烧结矿在环冷机上通过鼓风进行冷却，底部鼓入的冷风在穿过热的烧结矿层时与热烧结矿进行换热，产生大量的高温废气，将这些高温废气通过引风机引入锅炉，加热锅炉内的水产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。

烧结余热发电工艺流程由三部分组成：烟气系统、锅炉系统、汽轮机及发电机系统。烟气回收系统主要由烟囱、烟气引出管、烟气流量控制阀和烟筒的对空排气阀构成，主要功能是利用锅炉引风机产生的负压将环冷机烟罩内温度较高的烟气引到锅炉内，同时避免外界的冷风进入锅炉。锅炉系统是余热回收的核心，在锅炉受热面上，高温烟气将热量逐级传递给受热面内的工质（水或水蒸汽）生成过热蒸汽。汽轮机及发电机系统将过热蒸汽携带的能量转化成电能，最终完成烟气余热能向电能的转化。

3.烧结余热发电技术在水钢的应用

3.1水钢烧结余热发电项目背景

水钢6、7#烧结机是水钢用5－10年（即“十一五”至“十二五”期）建设成生

铁500万吨、钢538万吨、材504万吨的大型钢铁联合企业而实施的“铁及铁前系统”规划而建的。两台新建烧结机均为265m2，机尾环冷机废气余热直接排放既造成大气污染，又不符合国家的节能政策。因此有效利用环冷机废气余热，对企业的节能减排、降低生产成本具有重要意义。根据国内对环冷机余热利用的实践证明，对环冷机高温段废气余热回收用于发电是成熟可行的。因此决定对两台新建烧结机的环冷机高温段废气余热通过余热锅炉进行回收，产生蒸汽用于发电。

3.2烧结环冷机废气余热回收发电技术设计方案

本项目设置2台25t/h翅片管式余热锅炉，回收烧结冷却机高温段废气余热，产生蒸汽用于发电，采用“两炉一机”运行模式。工艺提供的废气主要参数如下：工况风量为：420000m3/h.台，废气排出：350～450℃ ，废气成份（%）：N2 78 ，O2 21 ， CO2 1，余热锅炉总产蒸汽量50t/h，可供发电蒸汽量：27.5t/h,余热锅炉蒸汽压力：1.4MPa,余热锅炉蒸汽温度：320℃。汽轮机选用凝汽式汽轮机，设QF-6-2型汽轮发电机组1台，额定功率：6000kW。年发电量： 4048.7万kWh。

3.2.1余热锅炉参数确定：

根据工艺提供的环冷机参数条件，经计算余热锅炉蒸发量可达30t/h。本项目采用闭路流程、容量相对较大、热电联产，废气余热可得到充分利用，但运行要求高，达产与环冷机的稳定运行密不可分。为保证余热锅炉的可靠性，余热锅炉容量适当降低，产汽量与汽轮机用汽量配套。根据国内汽轮机厂家生产的低品位汽轮机参数要求，余热锅炉参数确定如下：

余热锅炉进气量：350000Nm3/h.台(以锅炉厂所需风量为准)

余热锅炉蒸汽压力：1.4MPa

余热锅炉蒸汽温度：320℃

余热锅炉给水温度：104℃

余热锅炉进气温度：400℃

余热锅炉排气温度：180℃

余热锅炉阻力：<400 Pa

本项目余热锅炉容量按25t/h设计，两台环冷机各设1台余热锅炉。

3.2.2余热锅炉型式及配置

根据废气流向,锅炉结构采用垂直烟道式余热锅炉,内设过热器、蒸发器、省

煤器等，主要受热管采用翅片管。余热锅炉本体设计及制造选择国内有实力及经验的设备厂家。高温段二台鼓风机区域内热废气收集于环冷机上部热烟管内，通过鼓风机鼓入余热锅炉，经余热锅炉吸热冷却后，排气温度约180℃，再通过循环风机引出返回环冷机循环使用，废气不外排，同时也提高环冷机高温段进风温度，进而保证环冷机高温段排风温度在400℃以上。工艺2#鼓风机作为备用，在余热发电系统故障不使用时，2#鼓风机启动。

3.2.3汽轮发电机组型式及容量确定：

汽轮发电机组由汽轮机、发电机及其辅助系统组成。

（1）汽轮机型式确定

根据工艺提出的用汽条件，本项目选用凝汽式汽轮发电机组，因其较抽凝式汽轮机具有稳定性、造价低，发电增加量大的优点，工艺用汽由余热锅炉供应或由厂区低压管网供应。

（2）汽轮发电机容量确定

汽轮发电装机容量设置为单台6000kW。

（3）凝汽式汽轮发电机组其主要参数如下：

1）汽轮机型式：低品位凝式汽轮机一台

额定功率：6000kW

额定转速：3000r/min

主进汽压力：1.25MPa

主进汽温度：300℃

排汽压力：0.007MPa

汽耗：5.38kg/kWh

2）发电机型号：QF-6-2一台

额定功率：6000kW

额定转速：3000r/min

额定电压：10500V

3.2.4热力系统

锅炉给水由给水泵供出，依此进入余热锅炉省煤器、热管吸热器、汽包，所产蒸汽经过热器，通过主蒸汽管送往余热发电站供汽轮机使用。汽轮机冷凝水用冷凝泵送往余热锅炉用除氧器，供余热锅炉循环使用，不足部分由除盐水站补充。生产用汽由余热锅炉汽包接出，经减压阀送往生产用汽点。选用一台减温减压器，在汽轮发电机组故障时使用，余热锅炉蒸汽经减温减压后供生产用汽或与水钢现有热力管网并网。

4.水钢烧结余热发电系统运行现状

水钢配套6#、7#烧结机建设的余热发电系统，建于2010年10月，于2010年12月12日至14日完成发电机并网热负荷试车；并分别于2011年3月19日至22日；5月12日至19日进行试生产运行，6月16日正式投入生产运行。在正式投入生产期间，系统共运行1936小时，有效发电时间1584小时，共发电257万kＷ.h,平均小时发电量1327kＷ。其中汽轮发电机组解列96次，停机72次。

6#、7#烧结机配套余热发电系统在2011年6月16日投入生产至2011年10月，受多种因素影响，余热发电系统运行效率处于低效状态，长期处于解列、停机状态，未能达到新建项目按时达产达效目标，给公司生产经营目标造成了一定的影响。至今只能锅炉单独运行生产低压蒸汽供铁片区生产用，未能实现蒸汽回收发电。为确保烧结余热发电系统按时达产达效，我厂特成立达产达效、技术攻关组，分析未达产原因，并制定措施。

5水钢烧结余热发电系统未能达产达效原因分析

通过技术攻关措施的实施，逐步摸清烧结余热发电系统未能正常运行的主要原因：因汽轮机发电系统对热源的稳定性要求较高，温度波动大将直接威胁机组的正常运行，由于受烧结工序烟温波动、热源临时中断影响，造成余热发电机组长期频繁解列，不能连续、稳定运行，长期处于停机状态。主要问题如下：

5.1烧结余热热源稳定性不能保证

按余热锅炉设计，入口烟气温度应保证在360～400℃之间，并且应保证连续稳定，避免较大的波动对锅炉系统的影响，从2010年12月至2011年6月投入生产期间，余热锅炉的烟气温度在270℃至410℃之间频繁波动， 致使锅炉产生的过热蒸汽温度在240～323℃之间波动，经常低于280℃，不能满足汽轮机运行要求，导致机组频繁解列和停机。

5.2烧结余热热源连续性难以保证

根据烧结工艺，烧结余热主要来自烧结矿所携带的物理显热，只有当烟气回

收设备连续不断的有烧结矿通过时，余热才能成为连续热源，若烧结矿物流中断或不正常时，整个余热回收系统的热源就中断，迫使锅炉停炉，必然造成汽轮机打闸停机。从余热发电系统调试及投入生产期间，因受烧结机临时停机10～30分钟或环冷机短时停机4～5分钟影响频次较多，造成余热锅炉减压和降温，汽轮发电机组被迫解列和停机达160多次。而热力设备频繁启停，长期在较大变工况下运行，将缩短设备的使用寿命，使各类事故的发生机率大大增加。

5.3锅炉设备性能未达到设计能力

根据技术协议和锅炉设计，烧结余热发电系统配套两台Q350/360-1.4-25型余热锅炉，额定产汽量25t/h, 2#余热锅炉在入口烟气温度350～400℃运行工况下，锅炉最大负荷只能达到设计值的52%左右，过热蒸汽压力运行最高1.2 MPa，最低0.51 MPa；过热蒸汽温度最高326℃，最低274℃，均未达到设计值，不能满足锅炉蒸汽参数对汽轮机运行的要求。见附表《烧结发电系统2#余热锅炉设计参数和运行参数对比情况表》

5.4汽轮发电机运行效率偏低

汽轮机因受锅炉蒸汽参数偏低影响，机组最大运行负荷只达到2000kＷ.h,仅为设计值的三分之一，进而使汽轮发电机出力受到限制，汽轮机效率偏低。汽轮发电机组在偏离额定工况下运行，即影响了经济效益的发挥，同时长期低负荷运行也造成了机组使用寿命的缩短。

5.5不能实现设计“两炉一机”配置模式

1#余热锅炉因6#烧结机环冷机工程密封故障，漏风严重，进入锅炉烟气温度只能达到280℃，不具备开炉条件，系统不能实现“两炉一机”运行模式,不能满足当一台烧结机出现故障后，其对应的锅炉热源中断后，另一台烧结机余热锅炉还可以维持机组的正常运行，不至于出现解列的条件。

6.水钢烧结余热发电系统技术难点及下步解决措施

6.1当前技术难点

烧结余热热源具有整体品质低，废气温度波动大和连续性差的特点，其中废气温度波动大和热源连续性差是当前技术条件下水钢余热发电技术未达到设计要求的最大难点。要想有效的提高烧结系统的余热回收效率，尽可能多的提高吨矿发电量就需要从提高烧结余热热源的稳定性和提高系统余热回收效率这两方面入手解决问题。

6.2下步解决措施

6.2.1提高烧结系统的余热热源的稳定性

提高烧结余热热源的稳定性包含两层意思：一是减小废气温度的波动，使其稳定在一定的范围内，满足锅炉对烟气温度的要求；二是增强热源的连续性，即在烧结机停机，热源逐渐中断的情况下，让机组能够维持低负荷运行，避免机组频繁解列。目前解决这一难点的方案有两种：

6.2.1.1设置补燃系统

钢铁企业煤气资源比较丰富，一些品质较差，热值低的煤气往往放散掉，建烧结余热发电后，可以在锅炉房建设补燃炉，通过燃烧一些低热值的煤气产生高温烟气（相当于烧结煤气）混入烧结废气中，通过调整高温煤气的混入量，达到稳定锅炉入口烟气温度的目的（如图所示）。另外，在烧结生产停止，热源中断后，可以依靠补燃炉燃烧煤气来维持余热发电机组的低负荷运行，确保机组不解列，待烧结生产正常后，尽快恢复机组的负荷。这一方案可以有效的解决烧结余热热源稳定性差的难题，同时还可以回收钢铁厂多余的煤气，减少煤气放散。

设有补燃炉的烧结余热锅炉

6.2.1.2采用“两炉带一机”的模式

通常烧结厂都建有多台烧结机，并且两台机的距离不太远，在两台烧结机旁建设两台余热锅炉带动一套汽轮机发电机组（简称“两炉带一机”），当一台烧结机出现故障对应锅炉热源中断后，另一台烧结余热锅炉可以维持机组的正常运行，不至于出现解列，另外两台锅炉并列运行对稳定蒸汽温度也有一定的作用，可以大大减少机组的解列次数，增加发电量，确保设备运行寿命。

6.2.2提高烧结系统的余热回收效率

烧结余热绝对数量很大，但是低品质部分（低温废气所携带的部分）所占比例较大，目前回收主要集中在高温段部分，而低温段仍然放散掉，如何回收利用这部分热量，提高系统的余热回收效率也是下步工程技改中考虑的。

6.2.3提高烧结机作业率，稳定烧结过程，保证烧结终点在合适位置，确保生产状态稳定，使锅炉入口烟温控制在360℃～400℃波动范围标准内。

6.2.4对6#烧结机烟气循环系统进行改造，解决漏风而造成的冷空气侵入，确保余热锅炉入口烟气温度达400℃，提高进入锅炉烟气温度和烟气量，确保1#锅炉能够正常生产，实现“两炉带一机”模式。

7.结论

低温烧结机余热发电技术在国外已是广泛应用的技术,在国内也有多家企业取得了良好收益，国内第1套烧结机余热发电系统采用的是日本川崎重工技术，用于回收2台300m2烧结机余热，发电机装机容量17.5MW，年发电量1.4×108kW・h。该机组自2005年9月并网发电以来运行良好，解决了烧结废气直接排空造成的大气污染。水钢烧结低温余热发电系统在运行过程中存在的技术问题,原因已查明，下步解决措施已明确，随着国内日渐成熟的技术推广，通过技改，水钢烧结机余热发电技术取得成功完全成为可能，这将是我们努力实现的目标。

参考文献

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