王華山¹ ，邱萬民²

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2.中冶天工集團有限公司，天津 300308）

[摘 要] 燒結(jié)礦生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生許多高溫煙氣，而利用這部分熱量進行發(fā)電已經(jīng)列入國家重點節(jié)能技術(shù)推廣項目，這是鋼鐵企業(yè)節(jié)能、降本、增效的一條有效途徑。某鋼鐵企業(yè)建有 152m² 步進式燒結(jié)機，為了充分回收利用燒結(jié)余熱、降低燒結(jié)工序能耗，決定開展燒結(jié)余熱發(fā)電工程建設(shè)項目。本文介紹了該企業(yè) 152m² 步進式燒結(jié)機的概況，以及余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備組成和工藝流程，著重分析了燒結(jié)余熱發(fā)電設(shè)施在設(shè)計、施工、運行中值得注意的關(guān)鍵技術(shù)，并對步進式燒結(jié)機余熱發(fā)電的發(fā)展作了前瞻性的探討。

[關(guān)鍵詞] 步進式燒結(jié)機；余熱發(fā)電；工藝流程；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

日前工信部公布了《鋼鐵企業(yè)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)推廣實施方案》，計劃在重點大中型鋼鐵企業(yè)中有針對性地推廣燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)，為鋼鐵企業(yè)在日益激烈的市場競爭中進一步降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)節(jié)能降耗發(fā)揮積極作用^[1-2] 。某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有一臺152m² 步進式燒結(jié)機，燒結(jié)冷卻機與燒結(jié)機一字布置在燒結(jié)機后部。燒結(jié)機風箱溫度從 1#出口風箱到19#出口風箱平均溫度值從70℃到370℃，燒結(jié)冷卻機風箱溫度從 20# 出口風箱到 41# 出口風箱平均溫度從400℃到70℃左右。為充分回收利用燒結(jié)冷卻段余熱、降低燒結(jié)工序能耗，該公司決定聯(lián)合設(shè)計單位開展152m² 步進式燒結(jié)機余熱發(fā)電項目。該項目以 152m² 步進式燒結(jié)機冷卻段高溫煙氣為熱源，采用余熱鍋爐產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，用凝汽式螺桿膨脹機組進行發(fā)電。

該項目自投運以來，經(jīng)過調(diào)試消缺，運行基本正常。但由于步進式燒結(jié)機間歇產(chǎn)熱，導(dǎo)致余熱蒸汽的產(chǎn)生量波動太大，僅能維持螺桿膨脹機組的勉強運行，在引進保壓汽源后，發(fā)電量達到設(shè)計指標。由于步進式燒結(jié)機冷卻段余熱發(fā)電項目在國內(nèi)成功開發(fā)的案例很少^[3] ，因而本文著重分析了步進式燒結(jié)機余熱利用發(fā)電項目在設(shè)計、施工、運行中值得注意的關(guān)鍵技術(shù)。

1 步進式燒結(jié)機余熱發(fā)電工藝

1.1 步進式燒結(jié)機概況

該企業(yè)步進式燒結(jié)機有效面積 152m² ，燒結(jié)臺車規(guī)格為 4m×2m，欄板高度為 850mm，料層厚度為800mm，燒結(jié)機利用系數(shù) 1.35t/m2 ·h，年產(chǎn)燒結(jié)礦150 萬噸。燒結(jié)機冷卻方式為帶冷機冷卻，帶冷機對應(yīng)的冷卻風箱為20#～41#，燒結(jié)機冷卻段煙氣溫度為 400℃～700℃。燒結(jié)機冷卻主抽風機為1 臺， 風量為 520000Nm³ /h，風機工作溫度為 200℃（短時 300℃），風機風壓為-10000Pa。

1.2 發(fā)電工藝流程

該該發(fā)電項目是在燒結(jié)機旁建設(shè)一座余熱鍋爐，利用燒結(jié)冷卻段高溫煙氣生產(chǎn)低壓飽和蒸汽，然后輸送至燒結(jié)主抽風機房后的螺桿及凝汽式螺桿發(fā)電站進行發(fā)電^[4]。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.3 發(fā)電設(shè)備主要構(gòu)成

1.3.1 余熱鍋爐

燒結(jié)余熱鍋爐采用單壓自然循環(huán)余熱鍋爐。余熱鍋爐設(shè)計經(jīng)濟出汽量為15t/h，最大出汽量18t/h；蒸汽壓力1.1MPa，溫度184.07℃；設(shè)計煙氣量為23萬Nm³/h，鍋爐進口煙氣溫度300℃，出口煙氣溫度160℃；鍋爐給水溫度45℃。余熱鍋爐配套設(shè)施有軟水制備系統(tǒng)、吹灰卸灰裝置、儀電系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等。

1.3.2 發(fā)電站

燒結(jié)余熱發(fā)電驅(qū)動采用蒸汽型螺桿膨脹機組，發(fā)電機采用高效異步發(fā)電機，整個燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)分為兩極。第一級為背壓式螺桿膨脹發(fā)電機組，型號為 KSGe745150/550-V，螺桿膨脹機進汽壓力為 0.8MPa，出 汽 壓 力 0.15MPa，發(fā)電機功率1400kW；第二級為凝汽式螺桿膨脹發(fā)電機組，型號為 KSGe366143G2 / 245，螺桿膨脹機進汽壓力為0.15MPa，凝汽端壓力 0.015MPa，發(fā)電機功率800kW。整個發(fā)電系統(tǒng)膨脹機組配套設(shè)施有稀油系統(tǒng)、進汽過濾和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、安全放散系統(tǒng)、儀電系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等。

2 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 燒結(jié)機冷卻段中間隔離的設(shè)計

該燒結(jié)機原有冷卻段風箱 21 個，風箱之間在上部是貫通的，未有隔層，其冷卻段的高溫部分與低溫部分不能區(qū)分開，使得高溫部分與低溫部分的阻力在整個燒結(jié)冷卻段風箱間自成平衡^[5] 。

經(jīng)過嚴格的計算后，為爭取回收更多的熱量，結(jié)合燒結(jié)本體現(xiàn)場實際構(gòu)造情況，決定選取該燒結(jié)機冷卻段前 11個風箱的高溫煙氣作為燒結(jié)余熱鍋 爐的熱源。因此在冷卻段 31# 與 32# 風箱間增加一套隔離裝置，將冷卻段高溫煙氣部分與低溫煙氣部分隔離開來。在后期的調(diào)試運行中，此技術(shù)非常關(guān)鍵，成為項目成功的必要條件之一。

2.2 余熱鍋爐的選型設(shè)計

燒結(jié)冷卻段高溫余熱蒸汽鍋爐的選型是整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定的關(guān)鍵，要充分考慮燒結(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)的波動性，做到滿產(chǎn)高溫下鍋爐汽包額定出力含的住，確保發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定性^[3] 。

為此，該項目充分考慮燒結(jié)滿產(chǎn)的最大風量及最高溫度，并結(jié)合鍋爐投資的經(jīng)濟性，選擇 15t/h蒸汽量作為鍋爐的額定出汽量，鍋爐最大出汽量可達18t/h。在夏季燒結(jié)機達產(chǎn)情況下，中午時分鍋爐出汽量要達至 20t/h，但在冬季時，燒結(jié)煙氣溫度一直徘徊在 200℃～270℃之間，鍋爐出汽量很小，僅能為系統(tǒng)的采暖提供熱源。

2.3 螺桿發(fā)電站的選型設(shè)計

考慮到燒結(jié)生產(chǎn)的波動性，以及產(chǎn)量隨市場的波動變化，在發(fā)電機設(shè)備選型上，著重考慮工作范圍寬，抗波動強，適應(yīng)低壓飽和蒸汽的要求，對蒸汽水質(zhì)要求不高，皮實耐用的發(fā)電機組。針對以上要求，特選擇螺桿發(fā)電站。為適應(yīng)余熱蒸汽的變化，同時充分回收利用余熱蒸汽，螺桿發(fā)電站建設(shè)有兩極發(fā)電機組 ，第一級螺桿膨脹機進汽壓力為 0.8MPa，出汽壓力為0.15MPa；第一級螺桿膨脹機出汽作為第二級螺桿膨脹機進汽，第二級螺桿膨脹機出口壓力為 0.015MPa，兩套螺桿膨脹機竄極發(fā)電。

該項目實施后, 合計可以達到凈發(fā)電量1648kW（已扣除機組自耗電和凝汽器耗功）。但在實際運行中，由于燒結(jié)生產(chǎn)的波動，第一級發(fā)電機組長期處于停滯狀態(tài)，直至引入了保安汽源，使得整個發(fā)電系統(tǒng)機組得以穩(wěn)定運行。

2.4 是否采用有機工質(zhì)（ORC）

有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, 簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由換熱器、螺桿膨脹機、冷凝器和工質(zhì)循環(huán)泵四部分組成。有機工質(zhì)在換熱器中從余熱介質(zhì)中吸收熱量，生成具一定壓力的蒸汽，蒸汽再推動螺桿膨脹機轉(zhuǎn)動做功，從而帶動發(fā)電機進行發(fā)電。從螺桿膨脹機排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱，凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新回到換熱器，如此不斷地循環(huán)下去。一般在低溫余熱發(fā)電中采用的有機工質(zhì)包括：R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在使用過程中，有機工質(zhì)會因系統(tǒng)管路及設(shè)備的跑冒滴漏而需經(jīng)常補充，導(dǎo)致ORC運行成本增加，而 ORC 的使用，又能將熱源吃干榨凈，盡可能地利用有限的熱能做功發(fā)電。因此如何衡量 ORC 的投資成本、運營成本及 ORC 所產(chǎn)生的發(fā)電收益，是決定是否選擇有機工質(zhì)的關(guān)鍵。另外，是否選擇有機工質(zhì)用于溫度波動性很強的步進 式燒結(jié)余熱利用是值得進一步探討的問題。

3 發(fā)電系統(tǒng)存在的問題

（1）燒結(jié)配料的變動對燒結(jié)煙氣溫度影響較大。一般燒結(jié)主抽進氣溫度控制在 90℃～110℃之間，正常是穩(wěn)定在 105℃，抽風機風門開啟 85%，由此再決定冷卻段抽風機風門的開度。而臺車行走得快慢，料層的厚薄，混合料的成分都直接影響到燒結(jié)的料溫。而在料溫低的情況下，往往通過限制推料速度來保證燒結(jié)主抽風機進口風溫，這直接導(dǎo)致冷卻段料溫急劇下降，影響了鍋爐的產(chǎn)汽量。而每天兩次的燒結(jié)換料，更使得上料出現(xiàn)間斷，常常導(dǎo)致余熱鍋爐無以為繼。因該項目為合同能源管理項目，燒結(jié)廠為降低自身單耗，通常對冷卻風機進行限流，這也影響了鍋爐的產(chǎn)汽量。

（2）該項目選用的凝汽抽汽型螺桿膨脹機組運行不穩(wěn)定，振動過大，還有待時間的檢驗。

（3）從項目實際運行情況來看，為降低投資成本，未采用有機工質(zhì) ORC，而直接采用凝汽抽汽型螺桿膨脹機組。與其他企業(yè)在利用波動性較大的低溫低壓飽和蒸汽發(fā)電項目上采用有機工質(zhì) ORC螺桿膨脹發(fā)電機組相比，明顯采用有機工質(zhì)ORC螺桿膨脹發(fā)電機組的運行更穩(wěn)定，發(fā)電效益更好。

（4）而采用機力冷卻器對螺桿膨脹機組排出的蒸汽進行冷凝，這對冷卻水的要求較高。普通水質(zhì)容易產(chǎn)生沉淀，堵塞機力冷卻器，影響系統(tǒng)的運行，同時，因蒸發(fā)、噴濺、揮發(fā)、排污等因素導(dǎo)致水的消耗過大，應(yīng)有充足的冷卻水源進行及時補充。而機力冷卻器的電能消耗也是螺桿膨脹發(fā)電機組自身耗能的大用戶。

4 結(jié)語

該項目在步進燒結(jié)機余熱利用發(fā)電上做了成功的嘗試，由于螺桿膨脹發(fā)電機組本身的特性，對燒結(jié)余熱利用的整體設(shè)施提出了很高的要求。同時，也倒逼燒結(jié)生產(chǎn)整體穩(wěn)定性的提升，這為燒結(jié)降低能耗提供了一個可行的途徑。 但從實際運行經(jīng)驗來看，單臺步進式燒結(jié)機進行余熱發(fā)電的盈利還是蠻難的，在沒有外部有效的保壓汽源情況下，還是建議不上余熱發(fā)電項目。若采用有機工質(zhì)ORC發(fā)電技術(shù)，雖然能確保螺桿膨脹發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性，保證機組的連續(xù)運轉(zhuǎn)，卻很難做到盈利^[6] 。因此對于單臺步進式燒結(jié)機余熱利用來說，僅是提供余熱蒸汽還是可行的，將余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽通過單向閥進入蒸汽管網(wǎng)，也是可行的。

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