鋼鐵企業燒結余熱利用與發電技術
2009-03-19 00:00
鋼鐵企業燒結工序的能耗僅次于煉鐵工序，一般為鋼鐵企業總能耗的10％～20％。我國燒結工序的能耗與先進國家相比有較大差距，每噸燒結礦的平均能耗要高20kgce。在燒結工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣，即浪費了熱能又污染了環境。據日本某鋼鐵廠熱平衡測試數據表明，燒結機的熱收入中燒結礦顯熱占28.2%、廢氣顯熱占31.8%。可見，燒結廠余熱回收的重點為燒結廢(煙)氣余熱和燒結礦(產品)顯熱回收。燒結余熱也是目前我國低溫余熱資源應用的重點。
一、燒結余熱利用方式與現狀
燒結余熱主要利用方式有（1）在點火前對燒結料層進行預熱；（2）送到點火器，進行熱風點火；（3）實行熱風燒結，回收燒結過程的熱量和成品礦顯熱，降低燒結能耗；（4）利用余熱鍋爐回收燒結或冷卻熱廢風，所產蒸汽用于預熱燒結混合料或生活取暖等，或者進行蒸汽升值發電。
目前，我國大型燒結廠普遍采用了余熱回收利用裝置，但多數中、小燒結廠的余熱仍未得到有效利用。國內重點大中型企業，鋼鐵協會會員單位在2006年鋼鐵協會調研時，只有不到三分之一的燒結機配備了燒結余熱利用設備，大部分是蒸汽回收并入全廠動力蒸汽管網，很少利用余熱發電的。近年來，隨著低溫煙氣余熱鍋爐技術和低參數補汽式汽輪機技術的發展，使低溫煙氣余熱發電成為可能。
二、燒結余熱利用與發電技術
目前我國燒結余熱利用的重點和難點在于：由于存在漏風率高導致廢氣溫度降低，又要保證進入除塵器前廢氣溫度在露點以上等原因，回收利用燒結余熱較困難。因此，如何降低漏風率以提高燒結機煙氣溫度，以及在保證燒結廢氣除塵所需溫度條件下，實現燒結機尾部高溫段廢氣顯熱回收？燒結余熱蒸汽發電核心技術的消化吸收和本土化，是燒結余熱回收的重點。如開發此技術將燒結礦余熱充分利用，則鋼鐵行業年可節約能源約900萬噸標準煤。燒結余熱發電是利用低溫余熱的一個有效途徑，但目前來說應用很少，且存在一些問題，在運行過程中，由于燒結機和環冷機工況發生變化時，余熱回收系統的工作參數也將隨之變動，輸出的蒸汽壓力、溫度、流量也將發生變化，從而影響發電機組的運行效率。所以在燒結機冷卻機廢氣顯熱回收總體方案設計與系統集成技術中，重點是開發余熱發電系統的穩定運行調控技術。帶冷機余熱回收方案見下表：
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名稱 |
高溫段 |
中溫段 |
低溫段 |
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溫度/℃ |
450-300 |
300-200 |
200-150 |
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回收方式 |
熱交換 |
直接利用 |
直接利用 |
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用途 |
余熱發電 |
熱風燒結，熱風點火 |
料礦預熱，原料 |
從燒結機尾部風箱排出的廢氣,溫度可達300度左右,從燒結機卸下的熱燒結礦溫度一般在600—750度之間,當熱燒結礦在在冷卻機的前段用空氣冷卻時,也可產生300度以上的熱廢氣,這兩部分熱廢氣所含的熱量大約相當于每噸燒結礦0.4—0.5GJ,占整個燒結礦熱能消耗的23--28%,是燒結工藝中一項較大的余熱資源,在日本已經對這部分余熱資源通過安裝粗除塵器和余熱鍋爐發生蒸汽進行了較充分的利用, ,日本有8臺燒結機回收這部分余熱,回收熱量達每噸燒結礦105MJ,相當于3.6公斤標準煤。和歌山等廠回收的蒸汽為每噸燒結礦約20公斤。見下表：日本燒結廢氣余熱回收設備操作指標。
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廠 名 |
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和歌山NO.5 |
小倉NO.3 |
鹿島NO.2 |
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投產年月 |
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1981.9 |
1981.10 |
1981.12 |
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燒結礦產量 |
T/D |
3648 |
4916 |
10013 |
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燒結礦焦耗 |
KG/T |
49.9 |
42.7 |
44.7 |
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鍋爐入口廢氣溫度 |
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296 |
328 |
186 |
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鍋爐出口廢氣溫度 |
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207 |
216 |
162 |
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回收蒸汽 |
T/H |
3.5 |
4.2 |
1.5 |
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回收蒸汽 |
T/噸 |
21.4 |
18.7 |
3.6 |
日本采用鼓風環冷方式冷卻燒結礦,冷卻機料層厚度800--1600MM,環冷機出來的廢氣溫度為250--450度,各大鋼鐵公司都有燒結礦余熱利用技術:
(1)新日鐵,1979年在入幡廠建成世界上第一臺燒結礦低溫余熱透平,發電能力5700千瓦該裝置是利用鼓風環冷機的300--400度的廢氣(35萬標立米/時)獲得250度的熱水(約140噸/時),用它驅動透平發電。排出的蒸汽經汽水分離后,蒸汽(壓力0.596MPA,25.6噸/時)進入閃蒸透平的第一級,熱水經逐段閃蒸(降壓蒸發)后,順序進入透平的后三段,透平共有6級。
熱水透平的效率雖然比蒸汽透平低，但是熱水的回收率高，回此這種熱水發電方式對大量的中低溫余熱源來說，還是很有前途的。另外，該系統是用水作工質，其成本比有機工質便宜得多，為了進一步提高效率，可采用蒸汽－－熱水混合噴射透平，也可考慮與熱水供應系統結合，組成復合系統。
(2)新日鐵君津廠1981年在3號燒結機的冷卻機上,建成一套利用低沸點有機工質F--85循環的余熱發電裝置,簡稱ORCS,功率為12500千瓦,設備費25億日元,三年收回投資。
燒結礦冷卻機廢氣(69萬標立米/時,溫度345度)送入鍋爐,廢氣余熱使低沸點介質變為蒸汽,帶動蒸汽透平發電。
使用后的低沸點介質在冷凝器內冷凝后返回鍋爐循環使用。由于這種媒體的沸點比水低,蒸發潛熱小,加之其比容僅為水的五分之一,所以發電效率高,在同一條件下,其發電效率比蒸汽高10--15%,且不自燃,無毒,無腐蝕性,是理想的工質,缺點是價格較高。
(3)日本住友金屬工業公司和歌山廠,采用二道冷卻方式回收燒結礦的顯熱,該廠冷卻 機的料層厚度較薄(700)MM,所以,排氣溫度只有200度?；厥者@種低溫余熱,在技術上有一定困難,經濟合理性較差。為了提高余熱回收效率,該公司研究成功二道冷卻方式余熱回收技術,并于1979年3月在和哥山廠建成一臺這種裝置,運轉情況一直很好,取得了顯著的節能效果,并在5號燒結機上建成一臺。
冷卻機排熱回收方法中,一般采用直接交流方式,又稱為一道冷卻方式,為了提高排氣溫度,將冷卻機罩分段,使低溫段的冷卻空氣空氣通過高溫段以后再排出,日本人把這種方式稱作二道冷卻方式,二道方式雖比一道方式的設備復雜一些,但對于同同樣的傳熱容積,其氣體流速為一道方式的二倍,回收的熱量比一道方式增加40--50%,即使在在冷卻料層比較薄的情況下,也可以得到高溫廢氣,大大提高了余熱回收率及回收效果。和哥山廠采用這種技術后,回收每噸燒結礦的顯熱可以產生6.37MPA蒸汽,換算為熱量,相當于16.75*10000KJ/噸礦,也就是說,采用這種方式回收的余熱,相當于生產一噸燒結礦所消耗熱量的10%。 該廠實踐證明,二道冷卻方式對燒結礦的質量沒有什么不良影響。
而在我國才剛剛起步，寶鋼、鞍鋼等單位均安裝了冷卻機熱廢氣余熱鍋爐。梅山在燒結機尾至環冷機前段安裝了利用燒結礦輻射熱的余熱鍋爐，每小時可產生蒸汽1.1—2.1噸,鞍鋼東燒廠將熱返礦槽上的串水橫梁的冷卻水,通過串聯提高熱水溫度,用于生活。如果使用生石灰的燒結廠,也可將熱水用消化生石灰,可取得節約蒸汽并改善生石灰消化條件的雙重效果。
寶鋼燒結余熱鍋爐投運以來，年發生蒸汽31萬噸，每年還可以從廢氣中回收鐵礦粉末約1萬噸返回燒結利用。見下表：寶鋼燒結余熱回收參數。
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項目 |
回收率 |
回收總量 |
折合標煤 |
降低噸鋼綜合能耗 kgce/t-s |
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燒結余熱鍋爐 |
68.20kg/t |
31.22萬噸 |
3.5 |
2.95 |
三、燒結余熱蒸汽鍋爐
燒結礦冷卻機的熱廢氣屬低溫廢氣,因此給鍋爐的設計和制造帶來很多問題,為了獲得較好的技術經濟指標,必須采用熱廢氣循環或串聯的方法來提高熱廢氣的溫度，并且由于高溫廢氣只能采用粗除塵的方法,進入鍋爐的熱廢氣粉塵含較高,鍋爐必須具備耐磨損和良好的除塵功能。
為提高鍋爐的能力必須提高進水的溫度,可以將軟化水通往燒結機尾部高溫段的換熱器進行予熱。
鍋爐所生產的蒸汽可用于混合料予熱,還用于發電,日本部分廠利用熱廢氣進行余熱發電,回收燒結礦總熱耗的16—20%,生產的蒸汽量為每噸燒結70—80公斤,產生的電能為每噸燒結礦2.1度。日本住友鹿島3號燒結機的廢熱回收系統,將余熱鍋爐排出的140—170度的熱廢氣,鼓入帶式冷卻機的前段,加熱至388度,再返回余熱鍋爐,廢氣量為500000立米/時,可產生蒸汽量59噸/時,蒸汽壓力0.9MPA,蒸汽用于發電。日本有29臺燒結機回收燒結礦余熱,回收熱達0.366GJ/T,相當于12.5公斤標準煤/T,鞍鋼新三燒每臺280平米鼓風環式冷卻機配置一臺熱廢氣余熱鍋爐,設計煙氣流量為214000立米/H,煙氣溫度300--400度,排煙溫度180度,蒸汽量為14.5T/H,相當于每噸燒結礦回收蒸汽量45.6公斤,實際運行結果,煙氣溫度達340度,蒸汽壓力達1.3MPA,為有效地利用250度以下的低溫廢熱,1985年3月,日本福山5號機設置了溫水鍋爐,所產生的溫度為80度,流量為70噸/時的溫水用于一次混合,可節省蒸汽5噸/時,鍋爐排出的150度的廢氣吹入燒結機卸礦端,增加燒結礦顯熱,可增加蒸汽回收量4噸/時。
水鋼機上冷卻式燒結機14--23號風箱廢氣平均溫度為229--232度,流量為42萬立米/時,在降塵管內壁懸掛直徑60MM無縫鋼管作為熱交換管,每臺燒結機可產生溫度為87度的熱水6.34噸/時,用于浴室和冬季采曖,燒結蒸汽單耗從0.128降至0.030GJ,年節煤量為6299噸標準煤,直接經濟效益26萬元。
四、朗肯循環
鋼鐵企業產生的余熱蒸汽，一般的利用方式有兩種：一為熱利用，二為動力利用。余熱的能級越高，采用動力回收的方式越有利。但由于中低溫熱源動力回收的最大熱效率比較低；同時，存在不可逆因素造成火用損失，使實際所能轉換的有效功小于其 值，所以 效率小于1，因此，要使裝置有實際使用價值，對裝置的完善性有更高的要求。要盡量減少不可逆火用損失，提高裝置的 效率，使熱效率保持在較高的數值。提高蒸汽動力裝置的總 效率，關鍵是要提高余熱鍋爐的 效率，因此要設法提高蒸汽吸熱平均溫度。而提高朗肯循環熱效率的措施有兩個：一是提高蒸汽的過熱溫度；二是提高蒸汽的壓力。
(一)提高蒸汽的過熱溫度
過熱蒸汽與中低壓飽和蒸汽相比，具有更高的溫度、更高的熱量和更大的比容。根據Camot和Rankine氣體循環原理，在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時, 可提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環的熱效率，并且可以降低汽耗率。同時乏氣的干度增加，避免了水滴溢出而沖蝕葉輪，使透平機的相對內部效率也可提高。蒸汽通過噴嘴推動葉輪轉動，同時帶動發動機轉子旋轉，這一過程消耗大量能量。如果是飽和蒸汽，能量的降低會導致部分蒸汽凝結成水。這不僅會造成水錘，同時水滴還會沖蝕葉輪。據統計，在一定范圍內，初溫每提高10℃，機組熱耗可下降約0.25~0.3％。另外，過熱蒸汽能以更高的流速輸送，通過管道和噴嘴，因而對同樣尺寸的汽輪機可以提高它的性能。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超600℃為宜，常用的碳素鋼，其溫度上限是565℃，實際允許最高溫度為550℃。
(二)提高蒸汽的壓力
當蒸汽壓力提高時，熱效率提高、而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度將下降，即濕含量增加，因而會引起透平機相對內部效率的降低．還會使透平中最后幾級的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力，而且設備制造費用也會大幅上升。
比較上面兩種方式，從技術可行性、安全性、經濟性等方面考慮，用過熱蒸汽取代飽和蒸汽，可提高高品位能源的有效利用率，減少蒸汽節流損失，增加汽輪機組發電量，同時可發揮供汽潛力，所以供熱蒸汽系統改用過熱蒸汽很有必要。因此，建議現在鋼鐵企業余熱蒸汽發電技術應采用過熱蒸汽發電。
五、 余熱蒸汽發電采用的方式
余熱蒸汽發電的方式有兩種：集中發電和就地發電。集中發電可以節約空間、節省一次性投資，有利于集中管理。但是，鋼鐵企業產生的余熱蒸汽并不適合于集中發電，原因如下：
(一)因為品位不一樣，如果實行并網后集中發電，根據熱力學第二定律，蒸汽品質將有很大的貶值，不符合蒸汽合理利用的原則。
(二)因為余熱蒸汽大多是飽和蒸汽，在輸送過程中壓降和溫降變化很大，并且有凝結水損失。按照目前的運行水平，汽網的壓降為每公里0.1~0.15MPa，溫降為每公里10℃左右。
(三)由于汽網靠蒸汽自身的壓力降來輸送，且壓降損失較大，如果供熱距離太遠，為了補償蒸汽在管網中的壓損，就需要提高熱化汽輪機的抽汽壓力，使發電的熱化發電效率降低。
因此，建議余熱蒸汽實施就地使用的原則。
六、國內低溫余熱發電項目
余熱鍋爐產生的蒸汽可以并入蒸汽管網，代替供熱鍋爐，節約鍋爐的燃料消耗。當蒸汽的熱用戶有限，余熱鍋爐產生的蒸汽有富余時，可以考慮將蒸汽用來發電，或供給抽汽冷凝式或背壓式汽輪機，在發電的同時進行供熱。中低壓余熱蒸汽發電技術已在國內外許多鋼鐵企業中得到推廣和應用，國外應用較為廣泛的是日本、德國、俄羅斯等。而國內應用的有寶鋼、首鋼、馬鋼等。其中，技術較為成熟的是燒結、焦化的余熱回收技術，其節能效果十分顯著。
?。ㄒ唬R鞍山鋼鐵集團燒結低溫余熱利用發電工程
該工程是國內鋼鐵行業為數不多的將燒結余熱用于發電的項目，由馬鋼設計研究院有限責任公司設計、馬鋼建安分公司施工。該工程計劃投資1.4486億元，引進日本設備費用為998.553萬美元，將現有兩臺300平方米燒結機余熱進行利用，發電機裝機容量為17.兆瓦，年發電量為1.4億千瓦時。該項目采用先進成熟的日本技術，通過對帶冷機產生的高溫廢氣余熱回收利用，不僅能有效降低燒結工序能耗，產生巨大的經濟效益，緩解目前用電緊張局面，同時由于工藝延伸，環保效果顯著。燒結帶冷廢氣余熱利用工程于2004年9月1日正式開工， 2005年9月6日順利并網發電。余熱發電項目投運年發電量約為0.7億kWh，經濟效益為4000萬元以上；帶動燒結生產操作水平和設備維護水平全面提升。設備作業率大幅提升，產量顯著提高，生產更趨穩定，固體燃耗同比降低2 kg/t，不考慮增產因素，僅計算固體燃耗一項，年節約燃耗1.2萬噸，價值600萬元，經濟效益良好。
從節約能源角度考慮，馬鋼兩臺300 m2燒結機余熱利用發電后可節約3萬噸標煤/年。從環境保護角度考慮，節約3萬噸標煤/年，意味著每年減少排放CO2約8萬噸，SO2約300噸。從現場環境角度考慮，該項目沒有實施前，燒結礦鼓風冷卻后，大量含鐵粉塵通過煙氣直接排入大氣，即造成現場環境污染，又浪費了資源。項目實施后，由于煙氣實現了閉路循環，含鐵粉塵通過余熱鍋爐的集灰系統閉路收集，返回燒結系統實現了循環利用，大大改善了現場環境，還實現回收含鐵粉塵10噸/月。馬鋼技術在2008年在日本由中國鋼鐵工業協會和日本鐵鋼連盟聯合召開的中日鋼鐵業環保節能技術交流會上進行了交流。
?。ǘ┨其摰蜏赜酂嵴羝l電項目
根據唐鋼蒸汽平衡，非采暖期放散余熱蒸汽35t/h，考慮到生產的不均衡性及余熱生產能力的提高，按富余50t/h余熱蒸汽考慮，建一臺6MW凝汽式汽輪發電機組。將0.5MPa飽和蒸汽送入汽輪機，蒸汽在汽輪機內膨脹作功，最終在冷凝器內凝結為水，冷凝水泵將冷凝水從冷凝器內抽出，進行再循環。隨著國內低參數、多級進汽和飽和進汽式汽輪機的開發成功，國產化裝備的中、低溫余熱電站也進入了成熟階段，采用中、低品位余熱動力轉換機械的中、低溫余熱發電技術具有更顯著的節能效果，此項技術必將成為鋼鐵工業節能降耗的有效途徑之一。飽和蒸汽發電系統簡單，不污染大氣,消除了排放富余蒸汽時產生的噪聲，符合國家保護環境、節約能源的基本國策。經濟效益和社會效益顯著。預計投資3900萬元，年發電量3137萬kwh，年效益1586.25萬元，投資回收期2.46年。
?。ㄈ┪滗撃茉礋Y環冷機低溫煙氣余熱發電項目
2009年2月20日9時，武鋼能源總廠熱力廠燒結環冷機低溫煙氣余熱發電機組正式并網發電，標志著燒結環冷機余熱發電技術在武鋼成功運用。該工程總投資2.14億元，總裝機容量3.3萬千瓦，年設計發電量達2.8億千瓦時。采用在3臺燒結機的鼓風式環冷機上建設低溫煙氣余熱鍋爐，利用燒結環冷機冷卻后排出的大量280℃～400℃低溫煙氣進行發電。在提高武鋼自供電率的同時，還可滿足武鋼部分新建項目的蒸汽需求。
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