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钢铁企业烧结余热利用与发电技术

水泥 2009-03-19

　　钢铁企业烧结工序的能耗仅次于炼铁工序，一般为钢铁企业总能耗的10％～20％。我国烧结工序的能耗与先进国家相比有较大差距，每吨烧结矿的平均能耗要高20kgce。在烧结工序总能耗中，有近50％的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气，即浪费了热能又污染了环境。据日本某钢铁厂热平衡测试数据表明，烧结机的热收入中烧结矿显热占28.2%、废气显热占31.8%。可见，烧结厂余热回收的重点为烧结废(烟)气余热和烧结矿(产品)显热回收。烧结余热也是目前我国低温余热资源应用的重点。

　　一、烧结余热利用方式与现状

　　烧结余热主要利用方式有（1）在点火前对烧结料层进行预热；（2）送到点火器，进行热风点火；（3）实行热风烧结，回收烧结过程的热量和成品矿显热，降低烧结能耗；（4）利用余热锅炉回收烧结或冷却热废风，所产蒸汽用于预热烧结混合料或生活取暖等，或者进行蒸汽升值发电。

　　目前，我国大型烧结厂普遍采用了余热回收利用装置，但多数中、小烧结厂的余热仍未得到有效利用。国内重点大中型企业，钢铁协会会员单位在2006年钢铁协会调研时，只有不到三分之一的烧结机配备了烧结余热利用设备，大部分是蒸汽回收并入全厂动力蒸汽管网，很少利用余热发电的。近年来，随着低温烟气余热锅炉技术和低参数补汽式汽轮机技术的发展，使低温烟气余热发电成为可能。

　　二、烧结余热利用与发电技术

　　目前我国烧结余热利用的重点和难点在于：由于存在漏风率高导致废气温度降低，又要保证进入除尘器前废气温度在露点以上等原因，回收利用烧结余热较困难。因此，如何降低漏风率以提高烧结机烟气温度，以及在保证烧结废气除尘所需温度条件下，实现烧结机尾部高温段废气显热回收？烧结余热蒸汽发电核心技术的消化吸收和本土化，是烧结余热回收的重点。如开发此技术将烧结矿余热充分利用，则钢铁行业年可节约能源约900万吨标准煤。烧结余热发电是利用低温余热的一个有效途径，但目前来说应用很少，且存在一些问题，在运行过程中，由于烧结机和环冷机工况发生变化时，余热回收系统的工作参数也将随之变动，输出的蒸汽压力、温度、流量也将发生变化，从而影响发电机组的运行效率。所以在烧结机冷却机废气显热回收总体方案设计与系统集成技术中，重点是开发余热发电系统的稳定运行调控技术。带冷机余热回收方案见下表：

名称	高温段	中温段	低温段
温度/℃	450-300	300-200	200-150
回收方式	热交换	直接利用	直接利用
用途	余热发电	热风烧结，热风点火	料矿预热，原料

　　从烧结机尾部风箱排出的废气,温度可达300度左右,从烧结机卸下的热烧结矿温度一般在600—750度之间,当热烧结矿在在冷却机的前段用空气冷却时,也可产生300度以上的热废气,这两部分热废气所含的热量大约相当于每吨烧结矿0.4—0.5GJ,占整个烧结矿热能消耗的23--28%,是烧结工艺中一项较大的余热资源,在日本已经对这部分余热资源通过安装粗除尘器和余热锅炉发生蒸汽进行了较充分的利用, ,日本有8台烧结机回收这部分余热,回收热量达每吨烧结矿105MJ,相当于3.6公斤标准煤。和歌山等厂回收的蒸汽为每吨烧结矿约20公斤。见下表：日本烧结废气余热回收设备操作指标。

厂名		和歌山NO.5	小仓NO.3	鹿岛NO.2
投产年月		1981.9	1981.10	1981.12
烧结矿产量	T/D	3648	4916	10013
烧结矿焦耗	KG/T	49.9	42.7	44.7
锅炉入口废气温度		296	328	186
锅炉出口废气温度		207	216	162
回收蒸汽	T/H	3.5	4.2	1.5
回收蒸汽	T/吨	21.4	18.7	3.6

　　日本采用鼓风环冷方式冷却烧结矿,冷却机料层厚度800--1600MM,环冷机出来的废气温度为250--450度,各大钢铁公司都有烧结矿余热利用技术:

　　(1)新日铁,1979年在入幡厂建成世界上第一台烧结矿低温余热透平,发电能力5700千瓦该装置是利用鼓风环冷机的300--400度的废气(35万标立米/时)获得250度的热水(约140吨/时),用它驱动透平发电。排出的蒸汽经汽水分离后,蒸汽(压力0.596MPA,25.6吨/时)进入闪蒸透平的第一级,热水经逐段闪蒸(降压蒸发)后,顺序进入透平的后三段,透平共有6级。

　　热水透平的效率虽然比蒸汽透平低，但是热水的回收率高，回此这种热水发电方式对大量的中低温余热源来说，还是很有前途的。另外，该系统是用水作工质，其成本比有机工质便宜得多，为了进一步提高效率，可采用蒸汽－－热水混合喷射透平，也可考虑与热水供应系统结合，组成复合系统。

　　(2)新日铁君津厂1981年在3号烧结机的冷却机上,建成一套利用低沸点有机工质F--85循环的余热发电装置,简称ORCS,功率为12500千瓦,设备费25亿日元,三年收回投资。

　　烧结矿冷却机废气(69万标立米/时,温度345度)送入锅炉,废气余热使低沸点介质变为蒸汽,带动蒸汽透平发电。

　　使用后的低沸点介质在冷凝器内冷凝后返回锅炉循环使用。由于这种媒体的沸点比水低,蒸发潜热小,加之其比容仅为水的五分之一,所以发电效率高,在同一条件下,其发电效率比蒸汽高10--15%,且不自燃,无毒,无腐蚀性,是理想的工质,缺点是价格较高。

　　(3)日本住友金属工业公司和歌山厂,采用二道冷却方式回收烧结矿的显热,该厂冷却机的料层厚度较薄(700)MM,所以,排气温度只有200度。回收这种低温余热,在技术上有一定困难,经济合理性较差。为了提高余热回收效率,该公司研究成功二道冷却方式余热回收技术,并于1979年3月在和哥山厂建成一台这种装置,运转情况一直很好,取得了显著的节能效果,并在5号烧结机上建成一台。

　　冷却机排热回收方法中,一般采用直接交流方式,又称为一道冷却方式,为了提高排气温度,将冷却机罩分段,使低温段的冷却空气空气通过高温段以后再排出,日本人把这种方式称作二道冷却方式,二道方式虽比一道方式的设备复杂一些,但对于同同样的传热容积,其气体流速为一道方式的二倍,回收的热量比一道方式增加40--50%,即使在在冷却料层比较薄的情况下,也可以得到高温废气,大大提高了余热回收率及回收效果。和哥山厂采用这种技术后,回收每吨烧结矿的显热可以产生6.37MPA蒸汽,换算为热量,相当于16.75*10000KJ/吨矿,也就是说,采用这种方式回收的余热,相当于生产一吨烧结矿所消耗热量的10%。该厂实践证明,二道冷却方式对烧结矿的质量没有什么不良影响。

　　而在我国才刚刚起步，宝钢、鞍钢等单位均安装了冷却机热废气余热锅炉。梅山在烧结机尾至环冷机前段安装了利用烧结矿辐射热的余热锅炉，每小时可产生蒸汽1.1—2.1吨,鞍钢东烧厂将热返矿槽上的串水横梁的冷却水,通过串联提高热水温度,用于生活。如果使用生石灰的烧结厂,也可将热水用消化生石灰,可取得节约蒸汽并改善生石灰消化条件的双重效果。

宝钢烧结余热锅炉投运以来，年发生蒸汽31万吨，每年还可以从废气中回收铁矿粉末约1万吨返回烧结利用。见下表：宝钢烧结余热回收参数。

项目	回收率	回收总量	折合标煤	降低吨钢综合能耗 kgce/t-s
烧结余热锅炉	68.20kg/t	31.22万吨	3.5	2.95

　　三、烧结余热蒸汽锅炉

　　烧结矿冷却机的热废气属低温废气,因此给锅炉的设计和制造带来很多问题,为了获得较好的技术经济指标,必须采用热废气循环或串联的方法来提高热废气的温度，并且由于高温废气只能采用粗除尘的方法,进入锅炉的热废气粉尘含较高,锅炉必须具备耐磨损和良好的除尘功能。

　　为提高锅炉的能力必须提高进水的温度,可以将软化水通往烧结机尾部高温段的换热器进行予热。

　　锅炉所生产的蒸汽可用于混合料予热,还用于发电,日本部分厂利用热废气进行余热发电,回收烧结矿总热耗的16—20%,生产的蒸汽量为每吨烧结70—80公斤,产生的电能为每吨烧结矿2.1度。日本住友鹿岛3号烧结机的废热回收系统,将余热锅炉排出的140—170度的热废气,鼓入带式冷却机的前段,加热至388度,再返回余热锅炉,废气量为500000立米/时,可产生蒸汽量59吨/时,蒸汽压力0.9MPA,蒸汽用于发电。日本有29台烧结机回收烧结矿余热,回收热达0.366GJ/T,相当于12.5公斤标准煤/T,鞍钢新三烧每台280平米鼓风环式冷却机配置一台热废气余热锅炉,设计烟气流量为214000立米/H,烟气温度300--400度,排烟温度180度,蒸汽量为14.5T/H,相当于每吨烧结矿回收蒸汽量45.6公斤,实际运行结果,烟气温度达340度,蒸汽压力达1.3MPA,为有效地利用250度以下的低温废热,1985年3月,日本福山5号机设置了温水锅炉,所产生的温度为80度,流量为70吨/时的温水用于一次混合,可节省蒸汽5吨/时,锅炉排出的150度的废气吹入烧结机卸矿端,增加烧结矿显热,可增加蒸汽回收量4吨/时。

　　水钢机上冷却式烧结机14--23号风箱废气平均温度为229--232度,流量为42万立米/时,在降尘管内壁悬挂直径60MM无缝钢管作为热交换管,每台烧结机可产生温度为87度的热水6.34吨/时,用于浴室和冬季采暧,烧结蒸汽单耗从0.128降至0.030GJ,年节煤量为6299吨标准煤,直接经济效益26万元。

　　四、朗肯循环

　　钢铁企业产生的余热蒸汽，一般的利用方式有两种：一为热利用，二为动力利用。余热的能级越高，采用动力回收的方式越有利。但由于中低温热源动力回收的最大热效率比较低；同时，存在不可逆因素造成火用损失，使实际所能转换的有效功小于其值，所以效率小于1，因此，要使装置有实际使用价值，对装置的完善性有更高的要求。要尽量减少不可逆火用损失，提高装置的效率，使热效率保持在较高的数值。提高蒸汽动力装置的总效率，关键是要提高余热锅炉的效率，因此要设法提高蒸汽吸热平均温度。而提高朗肯循环热效率的措施有两个：一是提高蒸汽的过热温度；二是提高蒸汽的压力。

　　(一)提高蒸汽的过热温度

　　过热蒸汽与中低压饱和蒸汽相比，具有更高的温度、更高的热量和更大的比容。根据Camot和Rankine气体循环原理，在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时, 可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，避免了水滴溢出而冲蚀叶轮，使透平机的相对内部效率也可提高。蒸汽通过喷嘴推动叶轮转动，同时带动发动机转子旋转，这一过程消耗大量能量。如果是饱和蒸汽，能量的降低会导致部分蒸汽凝结成水。这不仅会造成水锤，同时水滴还会冲蚀叶轮。据统计，在一定范围内，初温每提高10℃，机组热耗可下降约0.25~0.3％。另外，过热蒸汽能以更高的流速输送，通过管道和喷嘴，因而对同样尺寸的汽轮机可以提高它的性能。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超600℃为宜，常用的碳素钢，其温度上限是565℃，实际允许最高温度为550℃。

　　(二)提高蒸汽的压力

　　当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度将下降，即湿含量增加，因而会引起透平机相对内部效率的降低．还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上升。

　　比较上面两种方式，从技术可行性、安全性、经济性等方面考虑，用过热蒸汽取代饱和蒸汽，可提高高品位能源的有效利用率，减少蒸汽节流损失，增加汽轮机组发电量，同时可发挥供汽潜力，所以供热蒸汽系统改用过热蒸汽很有必要。因此，建议现在钢铁企业余热蒸汽发电技术应采用过热蒸汽发电。

　　五、余热蒸汽发电采用的方式

　　余热蒸汽发电的方式有两种：集中发电和就地发电。集中发电可以节约空间、节省一次性投资，有利于集中管理。但是，钢铁企业产生的余热蒸汽并不适合于集中发电，原因如下：

　　(一)因为品位不一样，如果实行并网后集中发电，根据热力学第二定律，蒸汽品质将有很大的贬值，不符合蒸汽合理利用的原则。

　　(二)因为余热蒸汽大多是饱和蒸汽，在输送过程中压降和温降变化很大，并且有凝结水损失。按照目前的运行水平，汽网的压降为每公里0.1~0.15MPa，温降为每公里10℃左右。

　　(三)由于汽网靠蒸汽自身的压力降来输送，且压降损失较大，如果供热距离太远，为了补偿蒸汽在管网中的压损，就需要提高热化汽轮机的抽汽压力，使发电的热化发电效率降低。

　　因此，建议余热蒸汽实施就地使用的原则。

　　六、国内低温余热发电项目

　　余热锅炉产生的蒸汽可以并入蒸汽管网，代替供热锅炉，节约锅炉的燃料消耗。当蒸汽的热用户有限，余热锅炉产生的蒸汽有富余时，可以考虑将蒸汽用来发电，或供给抽汽冷凝式或背压式汽轮机，在发电的同时进行供热。中低压余热蒸汽发电技术已在国内外许多钢铁企业中得到推广和应用，国外应用较为广泛的是日本、德国、俄罗斯等。而国内应用的有宝钢、首钢、马钢等。其中，技术较为成熟的是烧结、焦化的余热回收技术，其节能效果十分显著。

　　（一）马鞍山钢铁集团烧结低温余热利用发电工程

　　该工程是国内钢铁行业为数不多的将烧结余热用于发电的项目，由马钢设计研究院有限责任公司设计、马钢建安分公司施工。该工程计划投资1.4486亿元，引进日本设备费用为998.553万美元，将现有两台300平方米烧结机余热进行利用，发电机装机容量为17.兆瓦，年发电量为1.4亿千瓦时。该项目采用先进成熟的日本技术，通过对带冷机产生的高温废气余热回收利用，不仅能有效降低烧结工序能耗，产生巨大的经济效益，缓解目前用电紧张局面，同时由于工艺延伸，环保效果显著。烧结带冷废气余热利用工程于2004年9月1日正式开工， 2005年9月6日顺利并网发电。余热发电项目投运年发电量约为0.7亿kWh，经济效益为4000万元以上；带动烧结生产操作水平和设备维护水平全面提升。设备作业率大幅提升，产量显著提高，生产更趋稳定，固体燃耗同比降低2 kg/t，不考虑增产因素，仅计算固体燃耗一项，年节约燃耗1.2万吨，价值600万元，经济效益良好。

　　从节约能源角度考虑，马钢两台300 m2烧结机余热利用发电后可节约3万吨标煤/年。从环境保护角度考虑，节约3万吨标煤/年，意味着每年减少排放CO2约8万吨，SO2约300吨。从现场环境角度考虑，该项目没有实施前，烧结矿鼓风冷却后，大量含铁粉尘通过烟气直接排入大气，即造成现场环境污染，又浪费了资源。项目实施后，由于烟气实现了闭路循环，含铁粉尘通过余热锅炉的集灰系统闭路收集，返回烧结系统实现了循环利用，大大改善了现场环境，还实现回收含铁粉尘10吨/月。马钢技术在2008年在日本由中国钢铁工业协会和日本铁钢连盟联合召开的中日钢铁业环保节能技术交流会上进行了交流。

　　（二）唐钢低温余热蒸汽发电项目

　　根据唐钢蒸汽平衡，非采暖期放散余热蒸汽35t/h，考虑到生产的不均衡性及余热生产能力的提高，按富余50t/h余热蒸汽考虑，建一台6MW凝汽式汽轮发电机组。将0.5MPa饱和蒸汽送入汽轮机，蒸汽在汽轮机内膨胀作功，最终在冷凝器内凝结为水，冷凝水泵将冷凝水从冷凝器内抽出，进行再循环。随着国内低参数、多级进汽和饱和进汽式汽轮机的开发成功，国产化装备的中、低温余热电站也进入了成熟阶段，采用中、低品位余热动力转换机械的中、低温余热发电技术具有更显著的节能效果，此项技术必将成为钢铁工业节能降耗的有效途径之一。饱和蒸汽发电系统简单，不污染大气,消除了排放富余蒸汽时产生的噪声，符合国家保护环境、节约能源的基本国策。经济效益和社会效益显著。预计投资3900万元，年发电量3137万kwh，年效益1586.25万元，投资回收期2.46年。

　　（三）武钢能源烧结环冷机低温烟气余热发电项目

　　2009年2月20日9时，武钢能源总厂热力厂烧结环冷机低温烟气余热发电机组正式并网发电，标志着烧结环冷机余热发电技术在武钢成功运用。该工程总投资2.14亿元，总装机容量3.3万千瓦，年设计发电量达2.8亿千瓦时。采用在3台烧结机的鼓风式环冷机上建设低温烟气余热锅炉，利用烧结环冷机冷却后排出的大量280℃～400℃低温烟气进行发电。在提高武钢自供电率的同时，还可满足武钢部分新建项目的蒸汽需求。

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