鋼鐵企業(yè)燒結余熱利用與發(fā)電技術
2009-03-19 00:00
鋼鐵企業(yè)燒結工序的能耗僅次于煉鐵工序，一般為鋼鐵企業(yè)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(huán)境。據(jù)日本某鋼鐵廠熱平衡測試數(shù)據(jù)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%?？梢?，燒結廠余熱回收的重點為燒結廢(煙)氣余熱和燒結礦(產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)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(shù)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(yè)，鋼鐵協(xié)會會員單位在2006年鋼鐵協(xié)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(wǎng)，很少利用余熱發(fā)電的。近年來，隨著低溫煙氣余熱鍋爐技術和低參數(shù)補汽式汽輪機技術的發(fā)展，使低溫煙氣余熱發(fā)電成為可能。
二、燒結余熱利用與發(fā)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(xiàn)燒結機尾部高溫段廢氣顯熱回收？燒結余熱蒸汽發(fā)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(fā)此技術將燒結礦余熱充分利用，則鋼鐵行業(yè)年可節(jié)約能源約900萬噸標準煤。燒結余熱發(fā)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(huán)冷機工況發(fā)生變化時，余熱回收系統(tǒng)的工作參數(shù)也將隨之變動，輸出的蒸汽壓力、溫度、流量也將發(fā)生變化，從而影響發(fā)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(tǒng)集成技術中，重點是開發(fā)余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)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(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(jīng)對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(chǎn)年月 |
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1981.9 |
1981.10 |
1981.12 |
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燒結礦產(chǎn)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(huán)冷方式冷卻燒結礦,冷卻機料層厚度800--1600MM,環(huán)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(fā)電能力5700千瓦該裝置是利用鼓風環(huán)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(fā)電。排出的蒸汽經(jīng)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(jīng)逐段閃蒸(降壓蒸發(fā))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(fā)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(tǒng)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(tǒng)結合，組成復合系統(tǒng)。
(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(huán)的余熱發(fā)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?yōu)檎羝?帶動蒸汽透平發(fā)電。
使用后的低沸點介質在冷凝器內冷凝后返回鍋爐循環(huán)使用。由于這種媒體的沸點比水低,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(yè)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。回收這種低溫余熱,在技術上有一定困難,經(jīng)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)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(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。
寶鋼燒結余熱鍋爐投運以來，年發(fā)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(shù)。
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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(jīng)濟指標,必須采用熱廢氣循環(huán)或串聯(lián)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(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行余熱發(fā)電,回收燒結礦總熱耗的16—20%,生產(chǎn)的蒸汽量為每噸燒結70—80公斤,產(chǎn)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(tǒng),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(chǎn)生蒸汽量59噸/時,蒸汽壓力0.9MPA,蒸汽用于發(fā)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(huán)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(chǎn)生的溫度為80度,流量為70噸/時的溫水用于一次混合,可節(jié)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(chǎn)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(jié)煤量為6299噸標準煤,直接經(jīng)濟效益26萬元。
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(shù)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(huán)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(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, 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(fā)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(jù)統(tǒng)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(jīng)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(jié)流損失，增加汽輪機組發(fā)電量，同時可發(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)電技術應采用過熱蒸汽發(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)因為品位不一樣，如果實行并網(wǎng)后集中發(fā)電，根據(jù)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(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(wǎng)中的壓損，就需要提高熱化汽輪機的抽汽壓力，使發(fā)電的熱化發(fā)電效率降低。
因此，建議余熱蒸汽實施就地使用的原則。
六、國內低溫余熱發(fā)電項目
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。當蒸汽的熱用戶有限，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽有富余時，可以考慮將蒸汽用來發(fā)電，或供給抽汽冷凝式或背壓式汽輪機，在發(fā)電的同時進行供熱。中低壓余熱蒸汽發(fā)電技術已在國內外許多鋼鐵企業(yè)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(jié)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(fā)電工程
該工程是國內鋼鐵行業(yè)為數(shù)不多的將燒結余熱用于發(fā)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(xiàn)有兩臺300平方米燒結機余熱進行利用，發(fā)電機裝機容量為17.兆瓦，年發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，緩解目前用電緊張局面，同時由于工藝延伸，環(huán)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(wǎng)發(fā)電。余熱發(fā)電項目投運年發(fā)電量約為0.7億kWh，經(jīng)濟效益為4000萬元以上；帶動燒結生產(chǎn)操作水平和設備維護水平全面提升。設備作業(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，僅計算固體燃耗一項，年節(jié)約燃耗1.2萬噸，價值600萬元，經(jīng)濟效益良好。
從節(jié)約能源角度考慮，馬鋼兩臺300 m2燒結機余熱利用發(fā)電后可節(jié)約3萬噸標煤/年。從環(huán)境保護角度考慮，節(jié)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(xiàn)場環(huán)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(xiàn)場環(huán)境污染，又浪費了資源。項目實施后，由于煙氣實現(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，返回燒結系統(tǒng)實現(xiàn)了循環(huán)利用，大大改善了現(xiàn)場環(huán)境，還實現(xiàn)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(yè)協(xié)會和日本鐵鋼連盟聯(lián)合召開的中日鋼鐵業(yè)環(huán)保節(jié)能技術交流會上進行了交流。
?。ǘ┨其摰蜏赜酂嵴羝l(fā)電項目
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6MW凝汽式汽輪發(fā)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(huán)。隨著國內低參數(shù)、多級進汽和飽和進汽式汽輪機的開發(fā)成功，國產(chǎn)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(fā)電技術具有更顯著的節(jié)能效果，此項技術必將成為鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的有效途徑之一。飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)簡單，不污染大氣,消除了排放富余蒸汽時產(chǎn)生的噪聲，符合國家保護環(huán)境、節(jié)約能源的基本國策。經(jīng)濟效益和社會效益顯著。預計投資3900萬元，年發(fā)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(huán)冷機低溫煙氣余熱發(fā)電項目
2009年2月20日9時，武鋼能源總廠熱力廠燒結環(huán)冷機低溫煙氣余熱發(fā)電機組正式并網(wǎng)發(fā)電，標志著燒結環(huán)冷機余熱發(fā)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(fā)電量達2.8億千瓦時。采用在3臺燒結機的鼓風式環(huán)冷機上建設低溫煙氣余熱鍋爐，利用燒結環(huán)冷機冷卻后排出的大量280℃～400℃低溫煙氣進行發(fā)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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