鋼鐵企業(yè)燒結(jié)余熱利用與發(fā)電技術(shù)

名稱	高溫段	中溫段	低溫段
溫度/℃	450-300	300-200	200-150
回收方式	熱交換	直接利用	直接利用
用途	余熱發(fā)電	熱風(fēng)燒結(jié)，熱風(fēng)點(diǎn)火	料礦預(yù)熱，原料

　　從燒結(jié)機(jī)尾部風(fēng)箱排出的廢氣,溫度可達(dá)300度左右,從燒結(jié)機(jī)卸下的熱燒結(jié)礦溫度一般在600—750度之間,當(dāng)熱燒結(jié)礦在在冷卻機(jī)的前段用空氣冷卻時(shí),也可產(chǎn)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(dāng)于每噸燒結(jié)礦0.4—0.5GJ,占整個(gè)燒結(jié)礦熱能消耗的23--28%,是燒結(jié)工藝中一項(xiàng)較大的余熱資源,在日本已經(jīng)對(duì)這部分余熱資源通過安裝粗除塵器和余熱鍋爐發(fā)生蒸汽進(jìn)行了較充分的利用, ,日本有8臺(tái)燒結(jié)機(jī)回收這部分余熱,回收熱量達(dá)每噸燒結(jié)礦105MJ,相當(dāng)于3.6公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。和歌山等廠回收的蒸汽為每噸燒結(jié)礦約20公斤。見下表：日本燒結(jié)廢氣余熱回收設(shè)備操作指標(biāo)。

 

廠    名		和歌山NO.5	小倉(cāng)NO.3	鹿島NO.2
投產(chǎn)年月		1981.9	1981.10	1981.12
燒結(jié)礦產(chǎn)量	T/D	3648	4916	10013
燒結(jié)礦焦耗	KG/T	49.9	42.7	44.7
鍋爐入口廢氣溫度		296	328	186
鍋爐出口廢氣溫度		207	216	162
回收蒸汽	T/H	3.5	4.2	1.5
回收蒸汽	T/噸	21.4	18.7	3.6

　　日本采用鼓風(fēng)環(huán)冷方式冷卻燒結(jié)礦,冷卻機(jī)料層厚度800--1600MM,環(huán)冷機(jī)出來(lái)的廢氣溫度為250--450度,各大鋼鐵公司都有燒結(jié)礦余熱利用技術(shù):

 

　　(1)新日鐵,1979年在入幡廠建成世界上第一臺(tái)燒結(jié)礦低溫余熱透平,發(fā)電能力5700千瓦該裝置是利用鼓風(fēng)環(huán)冷機(jī)的300--400度的廢氣(35萬(wàn)標(biāo)立米/時(shí))獲得250度的熱水(約140噸/時(shí)),用它驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。排出的蒸汽經(jīng)汽水分離后,蒸汽(壓力0.596MPA,25.6噸/時(shí))進(jìn)入閃蒸透平的第一級(jí),熱水經(jīng)逐段閃蒸(降壓蒸發(fā))后,順序進(jìn)入透平的后三段,透平共有6級(jí)。

 

　　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(fā)電方式對(duì)大量的中低溫余熱源來(lái)說，還是很有前途的。另外，該系統(tǒng)是用水作工質(zhì)，其成本比有機(jī)工質(zhì)便宜得多，為了進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)結(jié)合，組成復(fù)合系統(tǒng)。

 

　　(2)新日鐵君津廠1981年在3號(hào)燒結(jié)機(jī)的冷卻機(jī)上,建成一套利用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)F--85循環(huán)的余熱發(fā)電裝置,簡(jiǎn)稱ORCS,功率為12500千瓦,設(shè)備費(fèi)25億日元,三年收回投資。

 

　　燒結(jié)礦冷卻機(jī)廢氣(69萬(wàn)標(biāo)立米/時(shí),溫度345度)送入鍋爐,廢氣余熱使低沸點(diǎn)介質(zhì)變?yōu)檎羝?帶動(dòng)蒸汽透平發(fā)電。

　　使用后的低沸點(diǎn)介質(zhì)在冷凝器內(nèi)冷凝后返回鍋爐循環(huán)使用。由于這種媒體的沸點(diǎn)比水低,蒸發(fā)潛熱小,加之其比容僅為水的五分之一,所以發(fā)電效率高,在同一條件下,其發(fā)電效率比蒸汽高10--15%,且不自燃,無(wú)毒,無(wú)腐蝕性,是理想的工質(zhì),缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

 

　　(3)日本住友金屬工業(yè)公司和歌山廠,采用二道冷卻方式回收燒結(jié)礦的顯熱,該廠冷卻 機(jī)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(shù)上有一定困難,經(jīng)濟(jì)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(shù),并于1979年3月在和哥山廠建成一臺(tái)這種裝置,運(yùn)轉(zhuǎn)情況一直很好,取得了顯著的節(jié)能效果,并在5號(hào)燒結(jié)機(jī)上建成一臺(tái)。

 

　　冷卻機(jī)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(jī)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(shè)備復(fù)雜一些,但對(duì)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(shù)后,回收每噸燒結(jié)礦的顯熱可以產(chǎn)生6.37MPA蒸汽,換算為熱量,相當(dāng)于16.75*10000KJ/噸礦,也就是說,采用這種方式回收的余熱,相當(dāng)于生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦所消耗熱量的10%。 該廠實(shí)踐證明,二道冷卻方式對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量沒有什么不良影響。

 

　　而在我國(guó)才剛剛起步，寶鋼、鞍鋼等單位均安裝了冷卻機(jī)熱廢氣余熱鍋爐。梅山在燒結(jié)機(jī)尾至環(huán)冷機(jī)前段安裝了利用燒結(jié)礦輻射熱的余熱鍋爐，每小時(shí)可產(chǎn)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(lián)提高熱水溫度,用于生活。如果使用生石灰的燒結(jié)廠,也可將熱水用消化生石灰,可取得節(jié)約蒸汽并改善生石灰消化條件的雙重效果。

寶鋼燒結(jié)余熱鍋爐投運(yùn)以來(lái)，年發(fā)生蒸汽31萬(wàn)噸，每年還可以從廢氣中回收鐵礦粉末約1萬(wàn)噸返回?zé)Y(jié)利用。見下表：寶鋼燒結(jié)余熱回收參數(shù)。

項(xiàng)目	回收率	回收總量	折合標(biāo)煤	降低噸鋼綜合能耗 kgce/t-s
燒結(jié)余熱鍋爐	68.20kg/t	31.22萬(wàn)噸	3.5	2.95

 

　　三、燒結(jié)余熱蒸汽鍋爐

 

　　燒結(jié)礦冷卻機(jī)的熱廢氣屬低溫廢氣,因此給鍋爐的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很多問題,為了獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),必須采用熱廢氣循環(huán)或串聯(lián)的方法來(lái)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(jìn)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(jìn)水的溫度,可以將軟化水通往燒結(jié)機(jī)尾部高溫段的換熱器進(jìn)行予熱。

　　鍋爐所生產(chǎn)的蒸汽可用于混合料予熱,還用于發(fā)電,日本部分廠利用熱廢氣進(jìn)行余熱發(fā)電,回收燒結(jié)礦總熱耗的16—20%,生產(chǎn)的蒸汽量為每噸燒結(jié)70—80公斤,產(chǎn)生的電能為每噸燒結(jié)礦2.1度。日本住友鹿島3號(hào)燒結(jié)機(jī)的廢熱回收系統(tǒng),將余熱鍋爐排出的140—170度的熱廢氣,鼓入帶式冷卻機(jī)的前段,加熱至388度,再返回余熱鍋爐,廢氣量為500000立米/時(shí),可產(chǎn)生蒸汽量59噸/時(shí),蒸汽壓力0.9MPA,蒸汽用于發(fā)電。日本有29臺(tái)燒結(jié)機(jī)回收燒結(jié)礦余熱,回收熱達(dá)0.366GJ/T,相當(dāng)于12.5公斤標(biāo)準(zhǔn)煤/T,鞍鋼新三燒每臺(tái)280平米鼓風(fēng)環(huán)式冷卻機(jī)配置一臺(tái)熱廢氣余熱鍋爐,設(shè)計(jì)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(dāng)于每噸燒結(jié)礦回收蒸汽量45.6公斤,實(shí)際運(yùn)行結(jié)果,煙氣溫度達(dá)340度,蒸汽壓力達(dá)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(hào)機(jī)設(shè)置了溫水鍋爐,所產(chǎn)生的溫度為80度,流量為70噸/時(shí)的溫水用于一次混合,可節(jié)省蒸汽5噸/時(shí),鍋爐排出的150度的廢氣吹入燒結(jié)機(jī)卸礦端,增加燒結(jié)礦顯熱,可增加蒸汽回收量4噸/時(shí)。

 

　　水鋼機(jī)上冷卻式燒結(jié)機(jī)14--23號(hào)風(fēng)箱廢氣平均溫度為229--232度,流量為42萬(wàn)立米/時(shí),在降塵管內(nèi)壁懸掛直徑60MM無(wú)縫鋼管作為熱交換管,每臺(tái)燒結(jié)機(jī)可產(chǎn)生溫度為87度的熱水6.34噸/時(shí),用于浴室和冬季采曖,燒結(jié)蒸汽單耗從0.128降至0.030GJ,年節(jié)煤量為6299噸標(biāo)準(zhǔn)煤,直接經(jīng)濟(jì)效益26萬(wàn)元。

 

　　四、朗肯循環(huán)

　　鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的余熱蒸汽，一般的利用方式有兩種：一為熱利用，二為動(dòng)力利用。余熱的能級(jí)越高，采用動(dòng)力回收的方式越有利。但由于中低溫?zé)嵩磩?dòng)力回收的最大熱效率比較低；同時(shí)，存在不可逆因素造成火用損失，使實(shí)際所能轉(zhuǎn)換的有效功小于其 值，所以 效率小于1，因此，要使裝置有實(shí)際使用價(jià)值，對(duì)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(shù)值。提高蒸汽動(dòng)力裝置的總 效率，關(guān)鍵是要提高余熱鍋爐的 效率，因此要設(shè)法提高蒸汽吸熱平均溫度。而提高朗肯循環(huán)熱效率的措施有兩個(gè)：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(jù)Camot和Rankine氣體循環(huán)原理，在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時(shí), 可提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環(huán)的熱效率，并且可以降低汽耗率。同時(shí)乏氣的干度增加，避免了水滴溢出而沖蝕葉輪，使透平機(jī)的相對(duì)內(nèi)部效率也可提高。蒸汽通過噴嘴推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這一過程消耗大量能量。如果是飽和蒸汽，能量的降低會(huì)導(dǎo)致部分蒸汽凝結(jié)成水。這不僅會(huì)造成水錘，同時(shí)水滴還會(huì)沖蝕葉輪。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一定范圍內(nèi)，初溫每提高10℃，機(jī)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(duì)同樣尺寸的汽輪機(jī)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(wú)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(shí)際允許最高溫度為550℃。

 

　　(二)提高蒸汽的壓力

　　當(dāng)蒸汽壓力提高時(shí)，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(huì)引起透平機(jī)相對(duì)內(nèi)部效率的降低．還會(huì)使透平中最后幾級(jí)的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)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(shè)備制造費(fèi)用也會(huì)大幅上升。

 

　　比較上面兩種方式，從技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)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(jié)流損失，增加汽輪機(jī)組發(fā)電量，同時(shí)可發(fā)揮供汽潛力，所以供熱蒸汽系統(tǒng)改用過熱蒸汽很有必要。因此，建議現(xiàn)在鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)應(yīng)采用過熱蒸汽發(fā)電。

 

　　五、 余熱蒸汽發(fā)電采用的方式

　　余熱蒸汽發(fā)電的方式有兩種：集中發(fā)電和就地發(fā)電。集中發(fā)電可以節(jié)約空間、節(jié)省一次性投資，有利于集中管理。但是，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的余熱蒸汽并不適合于集中發(fā)電，原因如下：

 

　　(一)因?yàn)槠肺徊灰粯?，如果?shí)行并網(wǎng)后集中發(fā)電，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，蒸汽品質(zhì)將有很大的貶值，不符合蒸汽合理利用的原則。

 

　　(二)因?yàn)橛酂嵴羝蠖嗍秋柡驼羝谳斔瓦^程中壓降和溫降變化很大，并且有凝結(jié)水損失。按照目前的運(yùn)行水平，汽網(wǎng)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(wǎng)靠蒸汽自身的壓力降來(lái)輸送，且壓降損失較大，如果供熱距離太遠(yuǎn)，為了補(bǔ)償蒸汽在管網(wǎng)中的壓損，就需要提高熱化汽輪機(jī)的抽汽壓力，使發(fā)電的熱化發(fā)電效率降低。

　　因此，建議余熱蒸汽實(shí)施就地使用的原則。

 

　　六、國(guó)內(nèi)低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目

　　余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可以并入蒸汽管網(wǎng)，代替供熱鍋爐，節(jié)約鍋爐的燃料消耗。當(dāng)蒸汽的熱用戶有限，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽有富余時(shí)，可以考慮將蒸汽用來(lái)發(fā)電，或供給抽汽冷凝式或背壓式汽輪機(jī)，在發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行供熱。中低壓余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外許多鋼鐵企業(yè)中得到推廣和應(yīng)用，國(guó)外應(yīng)用較為廣泛的是日本、德國(guó)、俄羅斯等。而國(guó)內(nèi)應(yīng)用的有寶鋼、首鋼、馬鋼等。其中，技術(shù)較為成熟的是燒結(jié)、焦化的余熱回收技術(shù)，其節(jié)能效果十分顯著。

 

　?。ㄒ唬R鞍山鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)低溫余熱利用發(fā)電工程

　　該工程是國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)為數(shù)不多的將燒結(jié)余熱用于發(fā)電的項(xiàng)目，由馬鋼設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)、馬鋼建安分公司施工。該工程計(jì)劃投資1.4486億元，引進(jìn)日本設(shè)備費(fèi)用為998.553萬(wàn)美元，將現(xiàn)有兩臺(tái)300平方米燒結(jié)機(jī)余熱進(jìn)行利用，發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為17.兆瓦，年發(fā)電量為1.4億千瓦時(shí)。該項(xiàng)目采用先進(jìn)成熟的日本技術(shù)，通過對(duì)帶冷機(jī)產(chǎn)生的高溫廢氣余熱回收利用，不僅能有效降低燒結(jié)工序能耗，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，緩解目前用電緊張局面，同時(shí)由于工藝延伸，環(huán)保效果顯著。燒結(jié)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(wǎng)發(fā)電。余熱發(fā)電項(xiàng)目投運(yùn)年發(fā)電量約為0.7億kWh，經(jīng)濟(jì)效益為4000萬(wàn)元以上；帶動(dòng)燒結(jié)生產(chǎn)操作水平和設(shè)備維護(hù)水平全面提升。設(shè)備作業(yè)率大幅提升，產(chǎn)量顯著提高，生產(chǎn)更趨穩(wěn)定，固體燃耗同比降低2 kg/t，不考慮增產(chǎn)因素，僅計(jì)算固體燃耗一項(xiàng)，年節(jié)約燃耗1.2萬(wàn)噸，價(jià)值600萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益良好。

 

　　從節(jié)約能源角度考慮，馬鋼兩臺(tái)300 m2燒結(jié)機(jī)余熱利用發(fā)電后可節(jié)約3萬(wàn)噸標(biāo)煤/年。從環(huán)境保護(hù)角度考慮，節(jié)約3萬(wàn)噸標(biāo)煤/年，意味著每年減少排放CO2約8萬(wàn)噸，SO2約300噸。從現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境角度考慮，該項(xiàng)目沒有實(shí)施前，燒結(jié)礦鼓風(fēng)冷卻后，大量含鐵粉塵通過煙氣直接排入大氣，即造成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染，又浪費(fèi)了資源。項(xiàng)目實(shí)施后，由于煙氣實(shí)現(xiàn)了閉路循環(huán)，含鐵粉塵通過余熱鍋爐的集灰系統(tǒng)閉路收集，返回?zé)Y(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用，大大改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，還實(shí)現(xiàn)回收含鐵粉塵10噸/月。馬鋼技術(shù)在2008年在日本由中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)和日本鐵鋼連盟聯(lián)合召開的中日鋼鐵業(yè)環(huán)保節(jié)能技術(shù)交流會(huì)上進(jìn)行了交流。

 

　?。ǘ┨其摰蜏赜酂嵴羝l(fā)電項(xiàng)目

　　根據(jù)唐鋼蒸汽平衡，非采暖期放散余熱蒸汽35t/h，考慮到生產(chǎn)的不均衡性及余熱生產(chǎn)能力的提高，按富余50t/h余熱蒸汽考慮，建一臺(tái)6MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。將0.5MPa飽和蒸汽送入汽輪機(jī)，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹作功，最終在冷凝器內(nèi)凝結(jié)為水，冷凝水泵將冷凝水從冷凝器內(nèi)抽出­，進(jìn)行再循環(huán)。隨著國(guó)內(nèi)低參數(shù)、多級(jí)進(jìn)汽和飽和進(jìn)汽式汽輪機(jī)的開發(fā)成功，國(guó)產(chǎn)化裝備的中、低溫余熱電站也進(jìn)入了成熟階段，采用中、低品位余熱動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械的中、低溫余熱發(fā)電技術(shù)具有更顯著的節(jié)能效果，此項(xiàng)技術(shù)必將成為鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的有效途徑之一。飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不污染大氣,消除了排放富余蒸汽時(shí)產(chǎn)生的噪聲，符合國(guó)家保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的基本國(guó)策。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。預(yù)計(jì)投資3900萬(wàn)元，年發(fā)電量3137萬(wàn)kwh，年效益1586.25萬(wàn)元，投資回收期2.46年。

 

　?。ㄈ┪滗撃茉礋Y(jié)環(huán)冷機(jī)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電項(xiàng)目

　　2009年2月20日9時(shí)，武鋼能源總廠熱力廠燒結(jié)環(huán)冷機(jī)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)在武鋼成功運(yùn)用。該工程總投資2.14億元，總裝機(jī)容量3.3萬(wàn)千瓦，年設(shè)計(jì)發(fā)電量達(dá)2.8億千瓦時(shí)。采用在3臺(tái)燒結(jié)機(jī)的鼓風(fēng)式環(huán)冷機(jī)上建設(shè)低溫?zé)煔庥酂徨仩t，利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)冷卻后排出的大量280℃～400℃低溫?zé)煔膺M(jìn)行發(fā)電。在提高武鋼自供電率的同時(shí)，還可滿足武鋼部分新建項(xiàng)目的蒸汽需求。