武钢3×450m2烧结环冷机低温烟气余热的开发应用

武钢3×450m2烧结环冷机低温烟气余热的开发应用

1前言

随着能源的日趋紧张，节能成为烧结工序的又一主题，烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的10%，仅次于炼铁而居第二位，冷却机废气带走的显热约占总能耗20%～28%。可见，回收利用冷却机废气带走的余热成为降低烧结工序能耗的一个重要环节。

武钢炼铁总厂共有5台烧结机，分别为一烧（450m2）、二烧（280m2）、三烧（360m2）、四烧（450m2）、五烧（450m2）。总所周知，在烧结矿的生产过程中，烧结机结尾下料温度为700～800℃，鼓风环冷机冷却过程中会排出大量温度为280～400℃的低温烟气，该部分低温烟气带走的热量不能回收，不仅浪费了宝贵的能源，而且也污染了环境。因此，对烧结环冷机废气余热进行有效回收利用，对武钢推行节能降耗、改善环境、拓展循环经济、实现可持续发展具有十分重要的现实意义。

从能源利用的有效性和经济性来看，将余热用来发电或作为动力直接拖动机械是最为有效的利用方式，因此武钢选择了余热发电方式来回收3台450m2烧结环冷机低温烟气余热。该工程由中国设备公司总承包，于2007年9月9日正式开工，2008年11月28日热负荷试车成功。

2低温烟气余热发电的可行性研究

2.1武钢烧结低温烟气余热利用情况

国内烧结低温余热回收利用从产气原理上可归纳为两大类：一类是热管式蒸汽发生器装置，另一类是翅片管式蒸汽发生器装置。两者相比，翅片管式余热锅炉较之热管，其换热效率、产气量等都大大胜

出。

武钢集团非常重视节能降耗，早在1993年就在老一烧车间（现已拆除，原址上建起了炼铁总厂8#高炉）3#带冷机上安装了热管式蒸汽发生器；2003年5月，又在三烧“四改一”工程396m2环冷机的高温段上安装了翅片管式余热锅炉，投产至今已6年有余，运行良好，产生了巨大的经济和环境效益。

2.2余热发电情况调研

随着近年来低温烟气余热锅炉技术和低参数补气式汽轮发电机组技术参数不断发展和日益完善，使低温烟气余热回收发电成为可能，为此我们分别考察了马钢300m2（2005年9月投产，年发电量约6100万KWh）烧结带冷机余热发电系统和海螺集团宁国水泥厂回转窑余热发电设施（98年投产，年发电量约5500万KWh），通过与上述两家的烟气情况进行对比，武钢烧结环冷机所产生的烟气温度及烟气量完全具备发电条件，而且一烧、四烧和五烧三个车间的现有场地，能够满足余热发电工艺设施及管道布置需要。经过多方论证和技术分析，武钢集团公司决定在烧结三台450m2烧结机，即一烧（450m2）、四烧（450m2）、五烧（450m2）的鼓风式环冷机上建设利用日本川崎成套设备公司的技术制造的低温烟气余热锅炉，并非标设计一台额定功率为33MW的抽汽补汽凝气式汽轮发电机组，且抽汽提供25t/h（0.8MPa）的生产、生活用汽供烧结所用，以最大限度地利用烧结环冷机排放的低温烟气的热能，达到大幅度降低烧结工序能耗目的。

3设计方案和工艺介绍

3.1环冷烟气参数的确定

烧结机尾卸出的成品矿，直接进入环式冷却机，通过鼓风进行冷

却，冷却产生的废气主要经两座烟囱直接排入大气。为准确掌握废气品质情况，对环冷机前端相对高温的1#、2#烟囱及2#风机后段排出的废气进行了多次现场测试（见表1）。

表1 一烧、四烧和五烧环冷机高温段废气温度、流量等测试数据

测试点

一烧 四烧 五烧

烟气温度℃

390 388 394

烟气标况Nm3/h

530000 523000 539000

含尘浓度g/Nm3

2 2 2

一烧、四烧、五烧烧结矿采用的是鼓风式环冷机进行冷却，测得3#～12#间环冷机排出的废气温度的平均值约330～400℃，为了充分回收热能，余热锅炉到烧结环冷机之间的烟气采用闭环再循环方式，这样设计能使余热锅炉进口烟气温度提高50～80℃，烧结矿温度比正常情况略有提高（10℃左右），不影响烧结矿的冷却质量。结合一烧、四烧和五烧车间环冷机废气温度及流量测试报告，最终确定如下设计参数：烟气温度388～390℃（按余热锅炉进口废气温度提高50℃设计考虑）；烟气流量523000m3/h～000m3/h；锅炉出口排烟温度为165℃。

3.2工艺设计与技术参数的设定

根据检测数据对各车间生产情况的调研，我们总结出： （1）每台烧结环冷机温度波动大（在310～450℃之间）； （2）生产稳定性受来料和高炉的生产情况影响较重； （3）烧结系统每个环节的设备和设施的故障的影响； （4）到换班班组人员操作习惯的影响。

基于以上条件，决定采用三炉一机的配置方式，合理调度三个烧结车间的生产，保证至少有两台烧结机在连续生产，这样就能避免因烧结停机或温度不正常而使汽轮发电机组频繁起停。

按照三炉一机的设计方式和普通电站配置的要求，该电站包括：烟气回收系统、余热锅炉系统、除盐水系统，汽轮发电机系统、循环冷却水系统、电力并网系统、蒸汽系统等；即在现有三条烧结环冷机旁就近露天各布置一台余热锅炉，锅炉主蒸汽压力2.05MPa，温度3～367℃，锅炉能力44.5～47.1t/h。三台锅炉所产蒸汽并入蒸汽母管（压力1.95MPa，温度3～367℃，蒸汽量137.6t/h）冲动一台汽轮发电机。系统设计充分考虑余热的充分利用和节约能源，最大程度的减少排放；其工艺系统见图1。

3.2.1余热锅炉系统设计

余热锅炉系统主要包括余热锅炉本体、锅炉汽水系统、烟风回收系统等，见图2。

3.2.1.1余热锅炉本体及选型

余热锅炉采用立式自然循环锅炉，带上汽包，烟气自上而下通过锅炉。为增大换热面积，强化换热效果，余热锅炉受热面使用螺旋翅片管，同时采用特殊设计使烟气在炉膛内具有稳定均匀的分布和流速，从而使锅炉达到很高的效率；余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器和汽包组成主要循环回路。具体选型见表2

表2 余热锅炉设计参数

项目 型式

蒸汽压力（过热器出口） 蒸汽温度（过热器出口） 蒸发量

给水温度（汽包进口处）

1烧换冷机余热锅炉 BLW自然循环锅炉

4烧换冷机余热锅炉 BLW自然循环锅炉

5烧换冷机余热锅炉 BLW自然循环锅炉

2.05MPa(A) 365℃ 45.5t/h 210℃

2.05MPa(A) 3℃ 44.5t/h 210℃

2.05MPa(A) 367℃ 45.5t/h 210℃

烟气流量

烟气温度（锅炉进口处） 烟气温度（锅炉出口处） 通过锅炉的压力损失

530000Nm3/h 390℃ 165℃ ＜100mmH2O

523000Nm3/h 388℃ 165℃ ＜100mmH2O

539439Nm3/h 394℃ 166℃ ＜100mmH2O

3.2.1.2汽水系统

为了充分进行余热回收，保证锅炉烟气出口温度为165℃左右，本汽包给水，另外一路进入闪蒸器。采用闪蒸技术后使余热锅炉省煤器出口水温可达210℃，因单台余热锅炉扩容闪蒸出的饱和蒸汽压力较低，不足以合理利用，故三台余热锅炉设置一台闪蒸器，闪蒸出的饱和蒸汽直接进入汽轮机低压级进行补汽做功，增加发电量；而闪蒸器的出水又重新经锅炉给水泵送至余热锅炉省煤器形成一个水路循环。余热锅炉省煤器段的工质流量比锅炉后段增大数倍，冷热流体热容量相当大，这样便可防止出现局部温差过大，影响传热效果，从而保证了烟气余热的充分利用，出炉烟气温度可降至165℃左右。

进入汽包的锅炉给水，通过下降管进入蒸发器，炉水被加热后变为汽水混合物，返回到汽包进行汽水分离，分离后的饱和蒸汽进入过热器，产出的过热蒸汽通过蒸汽送至汽机间。本余热锅炉采用自然循环，即汽包、下降管、蒸发器、上升管、汽包形成一个闭路循环。

余热锅炉汽包的连续排污、事故放水、省煤器进口安全阀排水以及蒸汽管道的疏放水，通过管道接至疏水扩容器，进入疏水箱内，经过疏水泵加压后，经送汽机间。这样可以节约除盐水的消耗量，并节约能源。

余热锅炉汽包的定期排污通过管道接至定期排污扩容期，扩容后的水排入下水管道。

余热锅炉汽包设置有磷酸三钠加药装置。磷酸三钠溶液通过加药泵注入汽包。余热锅炉设有炉水取样、过热蒸汽取样，从连续排污管

道上抽出一根管道接至取样冷却器，进行炉水检验。在过热蒸汽管道上抽出一根管道接至取样冷却器，进行过热蒸汽检验。 3.2.2烟气系统

从烧结环冷机高温段烟囱及密封罩引出的烟气通过烟气母管送入余热锅炉顶部，经过炉膛，从余热锅炉下部排出，通过管道接至循环风机，加压后，将烟气管道分别接至环冷风机的风箱及1#鼓风机的出口风管道上。为有效调节烟气流量，在循环风机入口和回送烟气支管上设有调节翻板阀。在烟气系统设计过程中我们确保主线生产和尽可能提高产汽量等问题进行了计算核实。锅炉烟气循环示意图见图3。

3.2.2.1首先考虑余热回收不能影响环冷机的正常生产，即：保证原环冷机1#风机停机后，下料温度保持在允许范围之内。

经计算，采用闭环循环系统，高温段的温度与过去相比有一定的（50～80℃）的提高，但对整体的下料温度影响不大，根据环式冷却机资料，对相关条件进行核算如下：

A 环式冷却机原始参数 有效冷却面积： 460m2 料层厚度： 1400mm 正常处理能力： 880t/h 最大处理能力： 1150t/h 鼓风机： 台数 5台

风量 552000m3/h 风压 4116Pa

B 环式冷却机计算

1）鼓风环式冷却机面积选择 A效=（Q·t）/（60·h·γ）

式中：A效——冷却机有效冷却面积，m2; Q——冷却机处理能力，t/h； t——冷却时间，min; h——冷却机料层高度，m； γ——烧结矿堆积密度，t/m3。

A效=（1150×57）/（60×1.40×1.7）=459m2 现有冷却机有效冷却面积为460m2 2）核算最少冷却时间 t=（A·h·γ·60）/Q 式中：

t——冷却时间，min; A——冷却机冷却面积，m2; h——冷却机料层高度，m； γ——烧结矿堆积密度，t/m3。

Q——冷却机处理能力，t/h；

t=（460×1.4×1.7×60）/1150=57.12min 实际最少冷却时间为57.12min。 C 配套冷却风机的选择

冷却机处理烧结矿量：1150t/h。 冷却风量：Q风=q×Q

式中：q——冷却每吨烧结矿耗风量，2000m3/t·s； Q——冷却机处理能力，t/h。 Q风=2000×1150=2300000m3/h 单位冷却面积风量：

Qsc=Q风/（F×60）=2300000/（460×60）=83.33m3/（m2·min） 冷却机在无热筛时料层阻力： P=1275·h·（Qsc/60）1.67

式中：h——冷却机料层高度，m；

Qsc——单位冷却面积的风量，m3/（m2·min）。 P=1275×1.4×（83.33/60）1.67=30Pa

现有风机参数如下：离心通风机5台，每台风机全压4116Pa，流量552000m3/h，配用电机：N=1000Kw。

D 结论分析

环冷机最大处理量（1150t/h）的情况下，风机富余系数1.2；环冷机处理量（880t/h）的情况下，风机富余系数1.568；环冷机处理量（880t/h）的情况下，风机富余系数1.586；（注：按入炉矿400万吨/年计算）原有风机不变，在环冷机最大处理量的情况下，第一台风机仅需要发挥16.67%的作用，即可满足冷却效果。若将原有风机工况调整，将风机全压降低，风量即升高，则第一台风机的冷却作用

可忽略。据此，余热利用的循环风不会影响烧结矿的冷却效果。 3.2.2.2必须保证烟气混合后的温度在390～420℃之间

A 取气口：经反复计算核实，确定烟气的取出位置；

B 环境变化：充分考虑环境温度（夏天≤40℃，冬天≥-4℃）的影响；

C 来料变化：参考每台烧结环冷机正常运行时的温度变化范围； 经过对各参数的综合考虑，环冷机三个取气口的具体位置如下：一烧、五烧高温段下料口（2～3）风箱的环冷机罩和原有的两个烟囱上；四烧（9～11）号风箱机罩和原有的两个烟囱上。每台锅炉循环的两个回风口位置为：环冷机风箱和1#鼓风机的出风口管道上。为有效调节烟气温度和流量，在风箱取出口管道上设置调节翻板阀，在烟囱上设有钟罩阀，在循环风机入口和回送烟气支管上设有调节翻板阀。

3.2.2.3烟气管道设计需满足工艺条件

设计时主要考虑了以下因数：

A 材质：为满足温度波动较大的特点，抽风管道及内部支撑采用Q345钢板焊接，耐温可达470℃，送风管道采用Q235B钢板；

B 防磨：由于管道介质是高温矿石烟气，管道尤其是弯头部位的磨损会非常严重，设计时需考虑在弯头处增加高温耐磨涂料；

C 阻力：按流速、阻力优化设计，管道布置应尽量短，弯头平滑，使阻力最小。

3.2.3汽轮发电机组系统

该系统含汽水系统、油系统和循环冷却水系统，机组采用多级抽汽补汽式汽轮机。依据三台锅炉产汽的蒸汽参数（压力1.95MPa、温度366～396℃、蒸汽量137.1t/h）进行非标设计，设计为33MW的

发电机组，补汽即可以提高品位的电能，抽汽又能满足烧结生产和生活用汽需求，结合炼铁总厂的实际情况，采用抽汽补汽冷凝式汽轮机是合理的。该工程以发电为主，少量供热，在保证厂区低压蒸汽用户需求的同时，尽可能的多发电，满足了武钢能源发展的需要。 3.2.3.1汽水系统

汽水系统是汽轮发电机组的重要组成部分，主要包括：主蒸汽管道（管径φ630×12，经过电动主汽阀后分成两路φ426×10管道，接至汽轮机的自动主汽阀和调速汽门后进入汽机）、主冷凝水系统（冷凝水量162.6t/h）、闪蒸蒸汽系统、高低压旁路系统、抽真空系统（含启动抽汽器、运行抽汽器、抽真空管路）、轴封蒸汽系统、疏放水系统（机组本体和余热锅炉的疏放水均引至疏水箱）、抽汽系统（满足厂区低压蒸汽用户需求，抽汽压力0.8MPa、温度200～250℃、抽汽量25t/h）。 3.2.3.2油系统

机组润滑油控制系统主要用于机组的润滑、调节和保护。系统设备为主油泵（设在汽机机头上）、电动辅助油泵、直流事故油泵及油箱、润滑油过滤器、速关油过滤器、油冷却器和蓄能器等设备。路设有就地测量油压、油温装置，并有自控检测和报警系统。

机组运行时，油箱内的油经吸油喷射管供给机组润滑使用；二路经速关油过滤器进入速关组合装置，作为速关阀、调节阀和抽汽速关逆止阀动作的动力油；三路上设有蓄能器，经电液转换器转换成二次油压的控制信号、引入油动机作为动力开启节汽阀和开关速关阀，以实现对机组的调节。 3.2.4循环冷却水系统

汽机冷凝器、电机空冷器、润滑油站等冷却用水采用净环水，净

环水量11000m3/h，工作压力≥0.25MPa，供水温度26～35℃，回水温度40～43℃，有循环水泵站的φ1200mm管道接出，冷却水进出口管经均为DN800，回水利用余压上冷却塔，冷却降温后自流入泵站给水井，再经过泵加压后通过管道过滤器送往用户循环使用。

同时，汽机间外还设有一根净化水管（DN200），作为冷却设备夏季的补充水源。 3.2.5除盐水系统

原水（量为80m3/h）自留入原水储罐经原水泵加压进入全自动过滤器、活性炭过滤器、板式换热器、保安过滤器后进入反渗透（RO）装置，处理后的纯水经过除氧器、加压泵、余热锅炉后产生的过热蒸汽进入汽轮机组发电，乏汽经冷凝器和凝结水泵返回纯水箱。 3.2.6发电机组供配电及并网接入系统

本方案安装一台33MW汽轮发电机组，在额定工况下运行时，在零抽汽工况下，机组发电能力为31.2MW，扣除厂用电负荷1.5MW后，外供电量为29.7MW；在25t/h抽汽工况下，机组发电能力为25.4MW，扣除厂用电负荷1.3MW后，外供电量为24.1KW。发电机组并网在武钢110KV变电站的10KV系统，发电机的同期点设在发电机出口断路器。

3.2.7仪表及自动控制系统

汽轮发电机组和3台余热锅炉采用分散控制系统，DCS完成对整体工艺系统的检测和主要设备的控制，建立以分散控制系统，CRT操作员为监控中心，使运行人员在集中控制室内通过DCS实现机组的启动、停止、正常运行和事故处理。

4工程建设及运行状况

4.1工程建设

武钢烧结环冷机低温烟气余热发电工程，是国内第二家在烧结系统实施的余热利用项目，在方案制定、参数设计、设备选型、施工管理等方面都借鉴了兄弟厂家的宝贵经验，该项目最终确定由中钢设备有限公司承包，武钢规划部、技改部、能源处、能动公司、烧结厂、监理公司等相关部门全力配合，并成立了项目部，来强化管理，落实责任，在克服无数困难后，经过一年多的建设，2008年11月28日整个工程热负荷试车成功。

4.2运行状况

4.2.1运行中存在的主要问题

（1）烧结生产过程中受到来料和炼铁制约、本体设备稳定性较差，生产任务变化较大，致使机组运行以来波动性很大。

（2）余热锅炉及回收系统设计耐温为≤470℃（注：武钢提供的烟温为296～420℃），（由于料线的变化）实际运行过程中一烧、五烧烟温均出现过≥500℃的现象，而高温进汽管道上没有设置冷风阀，不能调节烟温，易使炉膛结构受影响。

（3）烟气系统设计中，由于位置缺陷将低温回风管接至环冷机的风箱及1#鼓风机的出口管上，其中接至风箱的烟气管道上的调节翻板阀安装位置距离风箱太近，风箱漏斗堆积的料经常涌进烟气管道，致使翻板阀打不开或不能全开，从而影响热风循环。

（4）3台锅炉烟气管道上的电动翻板阀和烟囱上的钟罩阀除一烧区域能在主控室远程操作外，四烧和五烧均只能现场操作，不便于生产组织和事故处理。

（5）除盐水系统中，主体设备（反渗透装置、给水泵等）若发

生故障而不能及时修复，则纯水箱的储量有可能满足不了锅炉用水量的要求（注：除盐水最大用量33m3/h，而纯水箱的储量为120m3）,且系统中一、二级反渗透装置及进口锅炉给水泵均没考虑备用，有造成锅炉断水的隐患。

（6）烧结原、燃料变化及烧结终点温度控制等对烟气温度影响非常大，且直接导致机组出力起伏大。

（7）余热发电系统所需的压缩空气，既流量和压力均要求是稳定的，不能低于设定值，而烧结所提供的压气量和压力波动很大，没有相对稳定的气源，从而影响机组的正常运行。

（8）烧结生产过程中由烧结厂实施，余热发电系统由能动公司负责日常运行，两单位投产初期缺乏沟通，没有形成信息互通机制，也给运行造成了麻烦。 4.2.2正在实施的改进措施

（1）加强管理，努力提高烧结系统生产的稳定性和设备运行的可靠性，降低工艺参数波动及非正常停机对烟气品质的影响，从而保证烧结矿热源的稳定。

（2）在保证烧结矿质量的前提下，烧结应控制烧结机的下料温度，使环冷机烟气温度在可控范围之内，从而保证低温烟气的温度在设计范围之内，以提高生产的稳定性和生产效率。

（3）摸索余热发电系统最佳运行方式。烧结余热发电系统受烧结工况影响较大，在烟温不高的情况下，需调节烟气流量来确保烟气热量以满足发电需要（在烟气温度较低时关小风门降低锅炉负荷，避免甩炉；在烟气温度较高时，全开风门提高发电量）

（4）拟将在3台锅炉的高温烟气进口增加冷风阀，以调节烟温，保护设备。

（5）拟新加1台空压机单独供应余热发电系统，以保证压气的稳定性。

（6）改善烟气系统的保温性，对烟罩、风管、锅炉、蒸汽管路、锅炉给水管等加强保温措施。

（7）采取措施减少环冷机上的漏风。指定专人加大对漏风部分的点检力度；请检测单位定期对三台环冷机进行漏风率测定；在烧结机年修、定修、大中小修前对漏风检修项目进行汇总，以确保各漏风部分的检修到位。发现环冷机密封板异常立即更换等。

（8）炼铁总厂与能动公司要加强沟通，分清责任，生产运行纳入日常调度管理，同时加大对双方的考核力度。

（9）强化设备维护，及时发现问题，不断完善设备性能，减少非检修时间，提高设备作业率。

5效益

5.1经济效益分析

烧结余热发电工程自投产以来，运行稳定，基本达到设计能力。现测算如下：

经济效益=（发电量-自用电量）×销售电价 其中：设计发电量：33MW/h=33000kWh 自用电量：10.5MW/h=10500 kWh 销售电价：0.5元/ kWh

则年经济效益=（33000-10500）×365×85%×24×0.5=8376.75万元

5.2社会与环境效益分析

从节约能源角度考虑，武钢3×450m2烧结余热利用发电后可节约标准煤8万吨/年。从保护环境角度考虑，节约标准煤8万吨/年，

意味着每年减少排放CO2约17.8万吨，SO2约800吨。

5.3场地环境明显改善

该项目没实施前，烧结矿鼓风冷却后，大量含尘铁粉通过烟气直接排入大气，既造成现场环境污染，又浪费了资源。工程投产后，由于烟气实现了闭路循环，含铁粉尘通过余热锅炉的收灰系统收集，再返回烧结系统实现循环利用，大大改善了现场环境，经测算每月可收回含铁粉尘12吨左右。

6结语

（1）武钢烧结余热发电工程的建成，有效的降低了武钢烧结工序能耗，为企业降本增效、节能减排做出来巨大贡献。

（2）是国内首家采用烧结环冷余热发电的项目，设计规模大、设备性能好，配套设施完善，效益显著，为钢铁行业的节能环保及循环经济开辟了一条新途径。

（3）由于该项目投产不久，设计和实际生产中都还存在一些问题，需要我们在生产实践中摸索经验，领会技术要领，去伪存真，不断改进。

（4）以实现余热回收和烧结生产的完美结合为目的，推动我国烧结余热利用技术迈上一个新台阶。