汪磐石，張永忠
(寶山鋼鐵股份有限公司)
摘要：根據(jù)測(cè)算，寶鋼大院燒結(jié)原余熱利用率僅為22%，近年來通過燒結(jié)機(jī)更新改造，實(shí)現(xiàn)了余熱利用的多途徑、梯級(jí)化，主要有常規(guī)雙壓余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，直聯(lián)罩式余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽，環(huán)冷機(jī)3 號(hào)排氣筒增設(shè)的余熱回收裝置與鍋爐次低壓蒸汽組合利用產(chǎn)熱水，低溫余熱OＲC 發(fā)電。一系列的余熱利用途徑使得燒結(jié)區(qū)域的余熱資源利用越發(fā)充分，促進(jìn)了寶鋼燒結(jié)工序的深度節(jié)能減排。
關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；ORC； 熱水
鋼鐵企業(yè)有著豐富的余熱資源，回收利用各生產(chǎn)工序的余熱余能已成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排最有效的途徑之一，見表1。燒結(jié)工序作為長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)的重要一環(huán)，能耗約占鋼鐵企業(yè)能源消耗的9% ～ 12% ，僅次于煉鐵工序位居第二，燒結(jié)工序節(jié)能是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)之一［1］。寶鋼大院余熱總量約450 萬tce，扣除極難利用的80℃以下冷卻水余熱及過程耗散熱量約100 萬tce，剩余余熱資源約350 萬tce，其中回收近200 萬tce，余熱資源回收率57% 左右。改造前燒結(jié)工序的余熱利用率約為22%，主要利用中溫?zé)煔庥酂徨仩t產(chǎn)生蒸汽，鍋爐效率較低，而且有大量的低溫余熱未被利用。
梯級(jí)利用是能源科學(xué)利用的有效方法，余熱、資源也應(yīng)該考慮按品位逐級(jí)加以利用，遵循“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)高、中、低不同品位能量的耦合與轉(zhuǎn)換利用，在熱量供求方面最大程度地實(shí)現(xiàn)“量”與“質(zhì)”的匹配，力求能級(jí)差最小，火用效率最高［2］。在寶鋼踐行一個(gè)中心，四個(gè)層級(jí)的余熱利用指導(dǎo)思路。
一個(gè)中心即“因地制宜、分配得當(dāng)、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”，四個(gè)層級(jí)為回用、替代、提質(zhì)、轉(zhuǎn)換。近年來，寶鋼燒結(jié)機(jī)陸續(xù)進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)于寶鋼燒結(jié)區(qū)域余熱利用，通過因地制宜、分配得當(dāng)、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)冷機(jī)中低溫?zé)釓U氣及雙壓鍋爐低壓富余蒸汽回收利用，產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽、次低壓蒸汽、熱水、電等二次能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
1 燒結(jié)區(qū)域余熱梯級(jí)利用
寶鋼燒結(jié)工序能耗約占總能耗的10%，見表2，每年消耗能源近100 萬tce。近些年，燒結(jié)機(jī)更新改造采取厚料層燒結(jié)，雙斜帶式節(jié)能型點(diǎn)火保溫爐，液密封環(huán)冷機(jī)，以及余熱多級(jí)回收技術(shù)，達(dá)到了“低耗、高效”燒結(jié)生產(chǎn)的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了余熱利用的多途徑、梯級(jí)化。目前余熱回收方式主要有常規(guī)雙壓余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，直聯(lián)罩式余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽，環(huán)冷機(jī)3 號(hào)排氣筒增設(shè)的余熱回收裝置與鍋爐次低壓蒸汽組合利用產(chǎn)熱水，三燒結(jié)低溫?zé)煔馀c鍋爐次低壓蒸汽進(jìn)行發(fā)電。
1. 1 燒結(jié)余熱鍋爐
燒結(jié)區(qū)域現(xiàn)有三燒結(jié)余熱鍋爐和四燒結(jié)余熱鍋爐。寶鋼四期600m2 燒結(jié)機(jī)于2013 年11 月投入使用，四燒結(jié)采用液密封環(huán)冷機(jī)，以環(huán)冷機(jī)第一段與第二段收集的廢氣為熱源，經(jīng)由余熱回收鍋爐系統(tǒng)設(shè)備來生產(chǎn)低壓蒸汽，并入公司蒸汽管網(wǎng)。四燒結(jié)余熱回收流程如圖1 所示。
根據(jù)工藝裝置特點(diǎn)和環(huán)冷機(jī)各段排氣溫度，可以供余熱鍋爐利用的廢氣為環(huán)冷機(jī)高、低溫段的余熱廢氣。煙氣循環(huán)的設(shè)計(jì)流程為: 來自環(huán)冷機(jī)的余熱廢氣合并后經(jīng)多管除塵器除塵，然后進(jìn)入余熱鍋爐系統(tǒng)，最后由鍋爐引風(fēng)機(jī)引出并送入環(huán)冷機(jī)循環(huán)使用。
余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽( ≥ 55t /h，1. 7MPa (表壓)，270℃) 并入公司內(nèi)蒸汽管網(wǎng)，鍋爐熱力除氧用蒸汽由系統(tǒng)內(nèi)部解決。另產(chǎn)生0. 5MPa、180℃的流量5t /h 以上的低壓蒸汽供燒結(jié)區(qū)域內(nèi)部使用，四燒結(jié)鍋爐基本參數(shù)見表3。
寶鋼三燒結(jié)余熱鍋爐于2017 年并網(wǎng)運(yùn)行，其布置與四燒結(jié)有所不同。三燒結(jié)鍋爐配置為直聯(lián)爐罩式，雙壓立式無補(bǔ)燃自然循環(huán)鍋爐，高參數(shù)段鍋爐在環(huán)冷機(jī)上布置。余熱鍋爐采用立式半露天布置，帶自除氧、水－ 汽自然循環(huán)余熱水管鍋爐。三燒余熱回收流程如圖2 所示。
三燒結(jié)余熱鍋爐取風(fēng)系統(tǒng)分三段取風(fēng)，一段高溫廢氣直接從風(fēng)罩進(jìn)入直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐高參數(shù)1 段，經(jīng)過高參數(shù)過熱器、1 號(hào)高參數(shù)蒸發(fā)器后送出; 二段中溫廢氣直接從風(fēng)罩進(jìn)入直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐高參數(shù)2 段，經(jīng)過2 號(hào)高參數(shù)蒸發(fā)器后送出; 三段中溫廢氣直接從風(fēng)罩進(jìn)入直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐高參數(shù)3 段，經(jīng)過3 號(hào)高參數(shù)蒸發(fā)器后送出。鍋爐高參數(shù)1 段排氣經(jīng)慣性除塵器后和鍋爐高參2 段排氣匯合，再與鍋爐高參數(shù)3 段排氣分別進(jìn)入直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐低壓部分，依次經(jīng)過低壓部分的省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、水加熱器和除氧蒸發(fā)器，鍋爐排氣溫度約135℃。機(jī)外布置余熱鍋爐低壓部分從上往下依次是: 高參數(shù)省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、水加熱器、除氧蒸發(fā)器和灰斗。余熱鍋爐高參數(shù)段采用機(jī)上布置，高參數(shù)1 段、2 段和3 段各設(shè)置一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，煙氣自下而上流動(dòng); 高溫風(fēng)從鍋爐底部進(jìn)入，排風(fēng)從高參數(shù)1 段、2 段及3段的頂部經(jīng)各自的風(fēng)管引出，1 段、2 段排風(fēng)合并后和3 段排氣分別進(jìn)入低參數(shù)段。
將三燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽(60 ～80t /h，1. 8MPa (表壓)，270℃) 并入公司內(nèi)蒸汽管網(wǎng)，鍋爐自帶除氧器。另產(chǎn)生0. 5MPa、180℃的流量15 ～ 20t /h 以上的低壓蒸汽。余熱鍋爐主要回收蒸汽參數(shù)如表4 所示。
對(duì)比表3、表4 基本參數(shù)表可看出，三燒結(jié)由于采用環(huán)冷機(jī)高溫段直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐技術(shù)，蒸汽回收水平較四燒結(jié)明顯提升。
1. 2 三燒結(jié)ORC 發(fā)電
燒結(jié)ORC 發(fā)電是三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用上的新技術(shù)和重大突破。三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用主要有以下途徑:
環(huán)冷機(jī)受料點(diǎn)附近的高溫?zé)釓U氣用于點(diǎn)火助燃及熱風(fēng)保溫;
環(huán)冷機(jī)高溫段(1 號(hào)、2 號(hào)煙囪附近) 熱廢氣的熱量采用直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐回收產(chǎn)生蒸汽;
環(huán)冷機(jī)中低溫段(3 號(hào)煙囪附近) 熱廢氣的熱量采用低溫余熱OＲC 發(fā)電技術(shù)回收，余熱回收后的廢氣匯合環(huán)冷機(jī)低溫段(4 號(hào)煙囪附近)熱廢氣通過風(fēng)機(jī)送到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車面上的煙氣罩內(nèi)。
三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱利用流程如圖3。
三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)中低溫段煙氣的熱量采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)(ORC) 回收。環(huán)冷機(jī)廢氣溫度在150 ～ 220℃之間，設(shè)計(jì)流量約為60 萬m3 /h，屬低溫段余熱資源，將其通過熱交換用于低溫發(fā)電，可進(jìn)一步提高余熱資源利用效率。三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)低溫余熱ORC 發(fā)電示范項(xiàng)目，利用3 號(hào)排氣筒廢氣( 設(shè)計(jì)流量60 萬m3 /h，設(shè)計(jì)溫度180℃) 及雙壓余熱鍋爐富裕的次低壓蒸汽( 設(shè)計(jì)流量10t /h，設(shè)計(jì)壓力0. 3 ～ 0. 5MPa) 進(jìn)行低溫余熱發(fā)電。
三燒結(jié)低溫余熱發(fā)電是以有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC) 為理論基礎(chǔ)，以低溫余熱為熱源，以有機(jī)工質(zhì)為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電工藝。利用三燒結(jié)機(jī)末端3 號(hào)排氣筒180℃低溫廢氣和三燒結(jié)余熱鍋爐次低壓蒸汽為低溫?zé)嵩?，以五氟丙烷為循環(huán)工質(zhì)，來驅(qū)動(dòng)透平機(jī)發(fā)電。由于國(guó)內(nèi)制造的機(jī)組裝機(jī)容量較小，三燒結(jié)引進(jìn)的是國(guó)外比較成熟的機(jī)組。
三燒結(jié)ORC 發(fā)電設(shè)計(jì)發(fā)電量2. 8MW，能有效利用環(huán)冷機(jī)低溫余熱，設(shè)計(jì)參數(shù)如表5。
1. 3 四燒結(jié)熱水回收系統(tǒng)
寶鋼四期600m2 燒結(jié)機(jī)于2013 年11 月投入使用。四燒結(jié)工程中，在環(huán)冷機(jī)3 號(hào)排氣筒處增設(shè)了余熱回收裝置，利用環(huán)冷機(jī)中溫?zé)釓U氣制備生產(chǎn)熱水，作為一、二次混合機(jī)的添加水。
余熱回收裝置的進(jìn)風(fēng)為3 號(hào)排氣筒(Ф4000) 處中溫?zé)釓U氣。為便于設(shè)備檢修和故障時(shí)對(duì)熱廢氣進(jìn)行切換，在3 號(hào)排氣筒和進(jìn)風(fēng)口(3200 × 1800) 處設(shè)置了電動(dòng)開關(guān)閥。
余熱回收裝置本體設(shè)備的設(shè)置情況如下:
位置: 3 號(hào)排氣筒側(cè)，余熱回收裝置支架單獨(dú)設(shè)置;參數(shù): 熱廢氣性質(zhì)為環(huán)冷機(jī)熱廢氣; 溫度150 ～ 200℃，最高250℃; 含塵量5g /m3; 煙氣側(cè)允許阻力值≤250Pa。
原設(shè)計(jì)熱水為一、二次混合機(jī)的添加水，后由于目前生產(chǎn)工藝的要求發(fā)生變化基本不再使用熱水。3 號(hào)排氣筒余熱回收裝置處于階段性閑置廢棄狀態(tài)，一定程度上造成了余熱資源的浪費(fèi)。
此外，四燒結(jié)余熱鍋爐可生產(chǎn)低壓蒸汽約4t /h，壓力約0. 3 ～ 0. 4MPa，而燒結(jié)生產(chǎn)的低壓蒸汽使用量約2t /h。這樣，尚有2t /h 的低壓蒸汽富裕，處于放散狀態(tài)。
為充分利用環(huán)冷機(jī)中溫?zé)釓U氣的余熱和余熱鍋爐生產(chǎn)的低壓蒸汽，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，寶鋼通過合同能源項(xiàng)目方式對(duì)原有中溫余熱回收設(shè)施進(jìn)行改造。改造項(xiàng)目主要是利用現(xiàn)有余熱回收裝置，將供水水源由工業(yè)水改為生活水，從而制備80m3 /h 、80℃的生活熱水供浴室使用。其中余熱回收裝置利用原有裝置，僅對(duì)相關(guān)閥門與損壞的換熱器進(jìn)行更換。從四燒結(jié)余熱鍋爐低壓蒸汽出口處接一路次低壓蒸汽管道(DN100) 送至圓形立式儲(chǔ)熱水箱處的次低壓分氣缸，再從次低壓分氣缸接四路次低壓蒸汽至兩個(gè)熱水箱。余熱回收裝置規(guī)格見表6。
當(dāng)四燒結(jié)余熱鍋爐檢修，低壓蒸汽將停止供給; 余熱回收裝置檢修時(shí)，余熱回收裝置將會(huì)停止生產(chǎn)熱水。但在該項(xiàng)目完成后，4DL 環(huán)冷機(jī)中溫?zé)釓U氣生產(chǎn)的生活熱水將作為寶鋼股份廠區(qū)浴室用熱水的主要來源之一，此處熱水供應(yīng)不能停止。因此，項(xiàng)目方案對(duì)于主線停運(yùn)時(shí)余熱回收及鍋爐低壓富余蒸汽均無法利用時(shí)，從廠區(qū)蒸汽管道上原接一路DN100 的低壓蒸汽管道減壓后(0. 5MPa ，DN150) 送至圓形立式儲(chǔ)熱水箱處的低壓分氣缸，再從低壓分氣缸接四路次低壓蒸汽至兩個(gè)熱水箱保證熱水供應(yīng)不間斷。
改造方案熱水制備流程如圖4。
熱水制備要滿足以下四種情況:
(1) 余熱鍋爐生產(chǎn)、余熱回收裝置生產(chǎn)余熱回收裝置生產(chǎn)的熱水量為80t /h，溫度為80℃，余熱鍋爐生產(chǎn)的富裕次低壓蒸汽(0. 5MPa ，2t /h) 負(fù)責(zé)將熱水加熱至90℃。
(2) 余熱鍋爐檢修、余熱回收裝置生產(chǎn)余熱回收裝置生產(chǎn)的熱水量為80t /h，溫度為80℃，由廠區(qū)蒸汽負(fù)責(zé)將熱水加熱至90℃。
(3) 余熱鍋爐生產(chǎn)、余熱回收裝置檢修圓形立式儲(chǔ)熱水箱(容積340m3，二臺(tái)) 內(nèi)的冷水(4℃) 由余熱鍋爐生產(chǎn)的富裕次低壓蒸汽(0. 5MPa ，2t /h) 和廠區(qū)低壓蒸汽加熱至90℃。
(4) 余熱鍋爐檢修、余熱回收裝置檢修圓形立式儲(chǔ)熱水箱(容積340m3，二臺(tái)) 內(nèi)的冷水(4℃) 全由廠區(qū)低壓蒸汽負(fù)責(zé)加熱至90℃。廠區(qū)的低壓蒸汽(DN100) 接入低壓蒸汽分氣缸前設(shè)置渦街流量計(jì)對(duì)蒸汽用量進(jìn)行計(jì)量。
2 燒結(jié)區(qū)域余熱利用效果
三、四燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)生的高品質(zhì)蒸汽并網(wǎng)運(yùn)行，是寶鋼廠區(qū)僅次于煉焦CDQ 的蒸汽氣源。
四號(hào)燒結(jié)機(jī)部分實(shí)際可生產(chǎn)高參數(shù)蒸汽40 t /h左右。三燒結(jié)目前高參數(shù)蒸汽實(shí)際產(chǎn)量為60 ～65 t /h，低參數(shù)蒸汽實(shí)際產(chǎn)量為15 t /h 左右。
2017 年全年四燒結(jié)并網(wǎng)蒸汽32. 03 萬t，三燒結(jié)并網(wǎng)蒸汽54. 32 萬t。
三燒結(jié)ORC 發(fā)電裝置2017 年12 月投運(yùn)，目前發(fā)電量為1600kWh /h，有效利用了三燒結(jié)環(huán)冷機(jī)低溫余熱，發(fā)電為燒結(jié)自用，減少了燒結(jié)使用的電網(wǎng)電量。
四燒結(jié)熱水系統(tǒng)能連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行，生產(chǎn)熱水全部利用。余熱鍋爐富裕的低壓蒸汽全部利用，避免放散造成能源浪費(fèi)。4DL 環(huán)冷機(jī)中溫?zé)釓U氣生產(chǎn)的生活熱水將作為寶鋼股份廠區(qū)浴室用熱水的主要來源，每天生產(chǎn)90℃ 的生活熱水量約1600t。當(dāng)余熱回收裝置檢修或余熱鍋爐檢修時(shí)，熱水制備由廠區(qū)低壓蒸汽在圓形立式儲(chǔ)熱水箱(容積340m3，二臺(tái)) 內(nèi)加熱完成。熱水?dāng)M采用運(yùn)輸能力為25t /臺(tái)專用車輛運(yùn)輸，每天50 ～70 車。2017 年，四燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收產(chǎn)生了數(shù)量可觀的熱水，全年共供應(yīng)熱水27. 04 萬t，對(duì)全廠節(jié)約使用管網(wǎng)蒸汽有極其顯著的意義。
燒結(jié)余熱梯級(jí)利用顯著提高了燒結(jié)節(jié)能水平，近幾年來，燒結(jié)工序雖然增加了脫硫脫硝等大型煙氣治理設(shè)施，燒結(jié)工序能耗還是實(shí)現(xiàn)了逐年下降，這與燒結(jié)區(qū)域余熱利用水平的提升是分不開的。
3 寶鋼燒結(jié)余熱利用未來展望
目前一、二燒結(jié)正在進(jìn)行整合改造，對(duì)寶山基地全廠蒸汽系統(tǒng)的現(xiàn)狀、平衡趨勢(shì)和優(yōu)化方向做了評(píng)估。寶鋼煉鐵二燒結(jié)余熱鍋爐投運(yùn)后蒸汽系統(tǒng)平衡總體傾向富余，尤其夏季蒸汽需求量減少時(shí)，將出現(xiàn)蒸汽大量放散情況。為提高寶山基地蒸汽利用效率，同時(shí)緩解電力缺口，利用二燒結(jié)大修機(jī)會(huì)在燒結(jié)區(qū)域新建余熱發(fā)電機(jī)組。按消納二燒結(jié)全部蒸汽及三燒結(jié)部分蒸汽，高參數(shù)蒸汽97. 5t /h，低參數(shù)蒸汽10t /h 設(shè)計(jì)，新建1 套25MW 雙壓補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。
對(duì)比目前四燒結(jié)鍋爐與三燒結(jié)鍋爐情況，四燒結(jié)余熱回收效率明顯不足，未來視情況改為與三燒結(jié)一樣的直聯(lián)罩式機(jī)上鍋爐，可大幅提升四燒結(jié)燒結(jié)區(qū)域余熱利用效率。
燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝通過將燒結(jié)產(chǎn)生的部分熱煙氣再次引入燒結(jié)過程，進(jìn)行循環(huán)使用，不僅可以提高燒結(jié)礦質(zhì)量，優(yōu)化高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還可以回收一部分煙氣顯熱，減少燒結(jié)煙氣排放量，降低燒結(jié)固體燃料消耗。在寶鋼煉鐵二燒結(jié)大修改造中，采用燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)，將燒結(jié)機(jī)頭尾兩段抽出的燒結(jié)煙氣除塵后與環(huán)冷機(jī)低溫余熱回收的廢煙氣混合，送入燒結(jié)機(jī)臺(tái)車循環(huán)煙氣罩內(nèi)，再次參與燒結(jié)過程。充分利用燒結(jié)煙氣中的顯熱和潛熱(即循環(huán)氣體中CO 燃燒釋放的熱量)，可有效降低固體燃料的消耗量，該工藝目前正在二燒結(jié)實(shí)施，未來也可視情況在四燒結(jié)進(jìn)行改造，將大幅提升燒結(jié)余熱利用水平。
4 結(jié)論
余熱資源回收無消耗、無排放，屬“清潔能源”，是未來鋼鐵企業(yè)技術(shù)節(jié)能的重點(diǎn)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域。余熱回收要遵循“一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”梯級(jí)利用、逐級(jí)規(guī)劃方法，結(jié)合實(shí)際、效益優(yōu)先、先易后難的逐步實(shí)施。
燒結(jié)區(qū)域余熱利用實(shí)現(xiàn)了:
(1) 中高溫余熱回收高品質(zhì)蒸汽管網(wǎng)使用。
(2) 環(huán)冷機(jī)中溫段余熱回收系統(tǒng)能連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行生產(chǎn)電或熱水。雙壓余熱鍋爐富裕低壓蒸汽全部利用，避免放散造成能源浪費(fèi)。
(3) 熱水供浴室使用，替代了官網(wǎng)高品質(zhì)蒸汽，余熱發(fā)電減少了電網(wǎng)用電。
(4) 寶鋼燒結(jié)環(huán)冷低溫?zé)煔庥酂峄厥諢崴cORC 發(fā)電應(yīng)用案例，對(duì)于鋼鐵行業(yè)余熱回收應(yīng)用示范及系統(tǒng)深度節(jié)能減排有極好的示范意義。
(5) 未來，通過增加燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組、余熱回收工藝改進(jìn)以及對(duì)燒結(jié)煙氣循環(huán)新工藝的應(yīng)用，寶鋼燒結(jié)區(qū)域余熱利用的深度和廣度將不斷加深，利用方式也將結(jié)合寶鋼實(shí)際，更趨科學(xué)、合理，寶鋼燒結(jié)節(jié)能減排將更上一個(gè)新臺(tái)階。
參考文獻(xiàn)
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