劉杰1，張風(fēng)坡2
（1. 北京鋼研新冶工程設(shè)計有限公司，北京100081；2. 中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）
摘要： 深入探究了A鋼廠1×180 m2燒結(jié)環(huán)冷機煙氣余熱回收利用項目，總結(jié)歸納了燒結(jié)余熱利用技術(shù)的利用情況、應(yīng)用現(xiàn)狀及其影響因素，并在實際應(yīng)用項目中詳細闡述了燒結(jié)余熱利用技術(shù)的具體工藝流程、設(shè)備運行和密封改造等方面的內(nèi)容。同時，開創(chuàng)性地將燒結(jié)機尾煙氣余熱納入余熱回收范圍，此舉進一步降低了燒結(jié)生產(chǎn)成本，希望為燒結(jié)環(huán)冷機余熱回收的工藝流程設(shè)計及其運行提供指導(dǎo)和參考。
關(guān)鍵詞： 燒結(jié)環(huán)冷機；余熱回收；密封改造；節(jié)能
0 引言
中國2016 年度的粗鋼產(chǎn)量為8.08×1012 t，占世界總產(chǎn)量約50%，是世界第一鋼鐵生產(chǎn)大國，消費量也名列世界之首。鋼鐵行業(yè)對國家經(jīng)濟增長起著至關(guān)重要的作用，是中國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。眾所周知，鋼鐵行業(yè)也是耗能大戶，對資源的依賴度較高。隨著中國經(jīng)濟的快速增長，資源能源消費的供求矛盾日益突出，而鋼鐵生產(chǎn)所需要的能源消耗約占中國生產(chǎn)總能耗的15%[1]，因此，如何減少鋼鐵行業(yè)的能耗是十分迫切的任務(wù)之一。
在整個鋼鐵生產(chǎn)流程中，燒結(jié)工序的能耗是比較大的，約占整個鋼鐵流程總能耗的12%左右，僅次于煉鐵工序，位居流程第二。燒結(jié)工序作為煉鐵前的重要工序，燒結(jié)機煙氣和環(huán)冷機排放的煙氣中含有大量的能源，擁有近50%的熱能[1- 2]。據(jù)統(tǒng)計，目前，中國燒結(jié)工序的廢氣余熱回收利用率為20%～30%，中國燒結(jié)工序的能源利用率與國際先進水平還有較大的差距，每噸燒結(jié)礦的平均能耗要≥20 kg 標準煤，節(jié)能潛力很大[3]。因此，節(jié)能減排已定為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要目標之一。
1 燒結(jié)余熱利用技術(shù)
1.1 燒結(jié)余熱利用概況
多年來，國內(nèi)外技術(shù)人員對燒結(jié)工序可利用余熱的回收進行了較多的研究，普遍認為燒結(jié)工藝可利用的余熱主要包含兩大部分：a) 燒結(jié)礦的顯熱占燒結(jié)過程總帶入熱量的40%多，環(huán)冷機煙氣溫度在100 ℃～420 ℃之間變化[4]，高溫段的煙氣溫度普遍比較高，各單位操作水平不同，煙氣溫度也有所不同，但均可達到350 ℃～420 ℃；b) 煙氣顯熱占燒結(jié)過程總帶入熱量約20%以上，隨著物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的進行，燒結(jié)末端煙氣溫度明顯上升，在機尾末端的煙氣溫度最高，可達400 ℃以上，綜合機尾幾個風(fēng)箱高溫段排出的廢氣溫度平均值也達300 ℃～380 ℃[2， 5]。
本文將重點對燒結(jié)機尾余熱部分和環(huán)冷機煙氣顯熱利用部分如何利用進行探討。通過工程的具體實際應(yīng)用，為后續(xù)燒結(jié)機尾、環(huán)冷機余熱回收的設(shè)計、運行提供指導(dǎo)。
1.2 燒結(jié)余熱利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
a) 熱風(fēng)燒結(jié)是另一種余熱利用和節(jié)能的有效方式。根據(jù)工藝需要，許多燒結(jié)廠將部分燒結(jié)煙氣供給到燒結(jié)點火器和保溫爐作為助燃空氣，也有的被用于預(yù)熱混和料[2， 6]；b) 德國蒂森鋼鐵公司施韋爾根廠將燒結(jié)機的卸礦處和冷卻機煙氣收集罩裝上三級循環(huán)冷卻器，出口與電除塵相連，還與煙氣脫硫裝置相連。該系統(tǒng)每噸燒結(jié)礦可回收的總熱量為40 GJ，相當于一臺燒結(jié)機輸入總熱量的6%左右[7]；c) 對有熱水需求的客戶，也可以將燒結(jié)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣加熱水產(chǎn)出熱水或者低壓蒸汽，為企業(yè)生活用；d) 目前，更多的是利用燒結(jié)煙氣余熱產(chǎn)生溫度較高的蒸汽來推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。市場上有較多的飽和蒸汽汽輪機組和低過熱度汽輪機組，它們已經(jīng)很成熟了，就是將煙氣余熱轉(zhuǎn)換成電能，這也是余熱利用較常見的一種。
1.3 影響燒結(jié)余熱的幾個因素
1.3.1 工況波動
燒結(jié)余熱熱源主要為煙氣余熱，由于燒結(jié)運行不穩(wěn)定，其煙氣也具有煙氣溫度波動大等特點。據(jù)實際運行中的監(jiān)測，余熱回收段溫度一般在300 ℃～450 ℃之間，最低時只有260 ℃左右[2]。另外，如何有效地提高系統(tǒng)的熱回收效率，盡可能多地提高噸礦產(chǎn)汽量也是所有余熱回收工作人員關(guān)心的問題。
1.3.2 機尾煙氣余熱
燒結(jié)機尾幾個風(fēng)箱溫度比較高，達到300 ℃以上。目前，這部分余熱的利用不合理，一般方案未回收此部分余熱，也有的方案對此部分余熱進行了回收，不過取熱方式和取熱量不合理，導(dǎo)致落塵管大煙道煙氣溫度過低，發(fā)生露點腐蝕。如何適度取熱，保證換熱方式的合理性，是這部分余熱回收的關(guān)鍵。
1.3.3 漏風(fēng)
環(huán)冷機煙氣系統(tǒng)為全密閉式循環(huán)系統(tǒng)，所以，系統(tǒng)的密閉性是非常重要的。密閉性好的余熱回收系統(tǒng)，循環(huán)風(fēng)機可以降低負荷運行，節(jié)省電費；密閉性不好的余熱回收系統(tǒng)，比如環(huán)冷機臺車與下風(fēng)箱、環(huán)冷機臺車與煙氣收集罩等處均會出現(xiàn)較大的漏風(fēng)量，這樣不僅會增大循環(huán)風(fēng)機的運行負荷，還會在收集罩處產(chǎn)生較大負壓，吸入大量冷風(fēng)，降低高溫煙氣溫度，減弱煙氣余熱回收效果。同時，煙氣外溢還會導(dǎo)致灰塵過大，造成環(huán)境污染，甚至影響相關(guān)崗位工人的正常操作及其身體健康[2]。
1.3.4 灰塵磨損
為了提高余熱利用率，燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)一般會設(shè)計成全密閉式的煙氣循環(huán)，熱煙氣透過熱料層把燒結(jié)礦料冷卻下來，同時，熱煙氣變?yōu)楦邷責煔?。高溫煙氣具有利用價值，經(jīng)環(huán)冷機上方的煙氣收集罩和管道導(dǎo)入余熱鍋爐換熱。為了增強換熱效果，整個過程煙氣必須在一定速度范圍內(nèi)沖刷鍋爐受熱面，煙氣中夾帶的灰塵和顆粒等會對鍋爐受熱面產(chǎn)生一定的沖擊，經(jīng)過余熱鍋爐后進入循環(huán)風(fēng)機，再由循環(huán)風(fēng)機送入環(huán)冷機下風(fēng)箱。因此，余熱鍋爐系統(tǒng)運行一段時間后，要檢查鍋爐管束和風(fēng)機葉輪、機殼等部位，因為這些位置都會有不同程度的磨損。
2 本工程實際技術(shù)應(yīng)用
2.1 工藝流程
為了更好地回收燒結(jié)余熱，本工程首先對環(huán)冷機煙氣收集罩進行了密封和保溫改造，以期為提高煙氣溫度打好基礎(chǔ)。然后，根據(jù)燒結(jié)礦料的冷卻過程，將煙氣收集罩分為兩段，即一段（高溫段） 收集罩和二段（低溫段） 收集罩；同時，對環(huán)冷機原有煙囪進行密封處理，保留原有的一、二段煙囪，在原一、二段煙囪上各接出一路煙風(fēng)管道，這樣每段煙囪既可以實現(xiàn)放空功能，又可以實現(xiàn)余熱回收功能。之后由循環(huán)風(fēng)機將利用過的低溫煙氣送回環(huán)冷機下風(fēng)箱，組成煙氣密閉式循環(huán)，新增的循環(huán)風(fēng)機在一定程度上可以替代原有的環(huán)冷鼓風(fēng)機，降低了電耗。工藝流程如圖1 所示。
2.2 燒結(jié)余熱鍋爐
本工程采用余熱鍋爐外置＋內(nèi)置相結(jié)合的方式進行余熱回收，如圖2 所示。環(huán)冷機余熱鍋爐采用外置的方式，將原有環(huán)冷機收集罩通過取風(fēng)管送至余熱鍋爐進風(fēng)口，在鍋爐內(nèi)進行換熱，經(jīng)余熱鍋爐換熱后的高溫煙氣溫度降低變?yōu)槔錈煔?，通過循環(huán)風(fēng)機再回到環(huán)冷機下風(fēng)箱內(nèi)，冷卻環(huán)冷機的礦料，冷煙氣與高溫礦料換熱又會成為高溫煙氣進入鍋爐，如此循環(huán)，形成煙氣密閉循環(huán)。燒結(jié)機尾鍋爐分為1#、2# 換熱器，分別內(nèi)置在落塵管大煙道上，這樣布置可以減少煙氣漏風(fēng)，提高煙氣余熱利用率。1#、2# 換熱器作為整體余熱鍋爐系統(tǒng)的2 個換熱模塊。
余熱鍋爐采用雙壓密閉循環(huán)（立式雙進氣），將機尾余熱換熱器與燒結(jié)余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)合并，公用一套汽水系統(tǒng)，這樣可以簡化系統(tǒng)，同時回收了機尾余熱。環(huán)冷機余熱鍋爐運用模塊化設(shè)計原則，分為5個換熱模塊，其中，1#、2# 換熱器只作為蒸發(fā)器，產(chǎn)生的蒸汽匯入環(huán)冷機余熱系統(tǒng)汽包，回收了落塵管中煙氣余熱，又不會將煙氣溫度降得過低。由于機尾煙氣和燒結(jié)高溫煙氣中均有不同含量的灰塵顆粒，在1#、2#換熱器及環(huán)冷余熱鍋爐下部均設(shè)置簡易灰斗和卸灰閥。
經(jīng)過一段時間后，要及時卸灰，以確保鍋爐（換熱器）能正常換熱。余熱鍋爐主要參數(shù)如表1 所示。
煙氣與水的換熱過程是：取自收集罩一段的高溫煙氣經(jīng)過高參數(shù)過熱器，此時將飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽，過熱蒸汽送出鍋爐。當煙氣溫度有所降低，與取自收集罩二段的煙氣匯合后，依次進入余熱鍋爐后部的各個換熱單元（高參數(shù)蒸發(fā)器、省煤器等）。同時，在機尾煙道上設(shè)置兩臺換熱器，產(chǎn)生的蒸汽回到環(huán)冷鍋爐中壓汽包中，中壓汽包汽水循環(huán)產(chǎn)生參數(shù)為1.6 MPa、20 t/h～25 t/h 的飽和蒸汽，然后進入中壓過熱器過熱到350 ℃。為了降低排煙溫度，設(shè)置了低壓蒸汽系統(tǒng)，低壓汽包一般兼做除氧器，產(chǎn)生低壓蒸汽參數(shù)約為0.4 MPa 的飽和蒸汽，本工程蒸汽量為3 t/h～6 t/h，這兩種參數(shù)的蒸汽均送至不同用戶使用。上述煙氣余熱采用分級回收和梯級利用技術(shù)，產(chǎn)生兩種壓力等級的蒸汽，最大限度地實現(xiàn)了燒結(jié)環(huán)冷機煙氣余熱和機尾煙氣余熱的高效回收。
2.3 小結(jié)
本系統(tǒng)為180 m2 燒結(jié)機余熱回收系統(tǒng)，已經(jīng)投產(chǎn)。增加余熱回收系統(tǒng)與未設(shè)余熱回收系統(tǒng)相比，一段收集罩取風(fēng)溫度從改造前360 ℃左右提高到400 ℃以上；二段收集罩取風(fēng)溫度從改造前300 ℃左右提高到320℃以上，最重要的是熱煙氣溫度較為穩(wěn)定，這是鍋爐產(chǎn)汽的基礎(chǔ)。余熱鍋爐進口煙氣溫度的提高基本達到了余熱鍋爐的設(shè)計條件，既回收了環(huán)冷機的煙氣余熱，也回收了燒結(jié)機尾煙氣余熱，同時，大煙道未出現(xiàn)露點腐蝕現(xiàn)象，最大程度地回收了燒結(jié)余熱。本系統(tǒng)為鋼研新冶工程設(shè)計有限公司（以下簡稱“新冶公司”）最新研發(fā)的熱能利用技術(shù)，與其他余熱回收公司設(shè)計的系統(tǒng)相比，增加了機尾余熱回收部分。這部分熱能由于種種原因一直未被有效利用，此部分熱量回收后可增加熱能利用20%左右。經(jīng)過近一年時間的運行實踐，蒸汽產(chǎn)量確有明顯增加，有力證明了燒結(jié)機尾余熱的利用價值。
本工程順利投產(chǎn)驗證了環(huán)冷機煙氣余熱與機尾煙氣余熱同時回收的可行性，同時，也為燒結(jié)系統(tǒng)降低了風(fēng)機電耗、能耗，減少了二次揚塵，對周圍環(huán)境的改善起了很大的作用。
3 結(jié)語
該工程應(yīng)用了多項新冶公司的專利技術(shù)和產(chǎn)品，不僅繼承了傳統(tǒng)燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的優(yōu)點，還開創(chuàng)性地將燒結(jié)機尾煙氣余熱納入余熱回收范圍。此舉降低了燒結(jié)生產(chǎn)成本，同時，也為國內(nèi)同類企業(yè)提供了可參考的實例。工程1×180 m2 燒結(jié)＋環(huán)冷機總的余熱利用產(chǎn)汽量為：噸礦回收中壓過熱蒸汽79.3 kg，低壓飽和蒸汽12.3 kg。這個數(shù)值為實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
近年來，新冶公司的余熱回收技術(shù)在燒結(jié)余熱回收方面取得了較好的應(yīng)用。隨著公司余熱技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗的積累，燒結(jié)余熱利用技術(shù)會進一步提高，余熱潛能將被進一步挖掘，這需要成千上百余熱回收工作者堅持不懈的努力。2017 年以來，全國各地對PM2.5 的排放控制越來越嚴格，企業(yè)的節(jié)能減排意識也在逐步提高，這就對余熱回收技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。新冶公司致力于開發(fā)節(jié)能環(huán)保型的余熱回收新技術(shù)，為現(xiàn)代化的綠色工廠建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。
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