鄧有勝，吳丹偉，譚奇兵
摘要 ：統(tǒng)計顯示，在冶金總能耗中，10% ～ 12% 的消耗都出自于燒結(jié)工序，在總能耗熱能中，接近一半都是其排放的余熱，越來越多的企業(yè)開始注意到高效回收與借助燒結(jié)排放的低溫?zé)煔庥酂帷Ｔ谶M(jìn)行燒結(jié)礦生產(chǎn)時，尤其是燒結(jié)礦由鼓風(fēng)式環(huán)冷機(jī)進(jìn)行冷卻時，會有溫度在 250℃～ 380℃左右的低溫?zé)煔馀欧懦鰜恚跓Y(jié)礦熱耗量中，其熱能量占到了 30%。針對產(chǎn)生于燒結(jié)礦冷卻過程中的大量低溫?zé)煔庹归_余熱回收，勢必能夠把燒結(jié)礦生產(chǎn)過程的能源利用率大幅提高，讓工序能耗顯著降低，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時，控制排放煙氣熱、塵，盡可能的避免破壞大氣環(huán)境。本文從防城港鋼鐵基地 500m2 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱資源特點(diǎn)及項(xiàng)目實(shí)際供汽需求出發(fā)，通過對比雙煙氣進(jìn)氣單壓系統(tǒng)、單煙氣進(jìn)氣單壓系統(tǒng)下環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐的額定蒸發(fā)量和熱效率，選定了本項(xiàng)目環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐的最優(yōu)熱力系統(tǒng)，同時對余熱鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計過程中的取風(fēng)、回風(fēng)方式，煙風(fēng)道保溫形式等進(jìn)行了論述，并提出了相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞 ：燒結(jié)余熱回收 ；環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐 ；燒結(jié)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)
燒結(jié)工序能耗約占整個鋼鐵企業(yè)總能耗的 9% ～ 12%，在燒結(jié)生產(chǎn)過程中有 50%左右的熱能以燒結(jié)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前我國燒結(jié)工序余熱回收利用率尚不足 30%，另外我國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)工序能耗平均值為 64.83kgce/t，與國外先進(jìn)水平相比，能耗高 7.2%，差距相當(dāng)大。
因此，廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司在規(guī)劃防城港鋼鐵基地一期一步建設(shè) 2臺 500m2 燒結(jié)機(jī)的同時，為了節(jié)能降耗擬對燒結(jié)工序的環(huán)冷機(jī)、大煙道等余熱進(jìn)行回收利用，并采用 2 臺燒結(jié)機(jī)大煙道余熱鍋爐 +2 臺環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐建設(shè)模式。其中，環(huán)冷余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽優(yōu)先通過降壓或直接用于燒結(jié)機(jī)及燒結(jié)煙氣凈化工程蒸汽利用設(shè)施，其余蒸汽送至廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)。
對于傳統(tǒng)燒結(jié)余熱回收項(xiàng)目，環(huán)冷機(jī)鍋爐一般采用雙進(jìn)氣雙壓系統(tǒng)并配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，而根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際需要，僅需環(huán)冷鍋爐連續(xù)產(chǎn)出一種參數(shù)的過熱蒸汽供給管網(wǎng)，另外需考慮外送間斷用蒸汽的設(shè)計。而本項(xiàng)目 500m2 環(huán)冷機(jī)屬于大型環(huán)冷機(jī)，且采用水密封的方式，因此煙溫、煙氣量較一般燒結(jié)環(huán)冷生產(chǎn)線稍高，其中環(huán)冷機(jī) 1 段、2 段的設(shè)計煙溫能夠達(dá)到550℃和 450℃。針對以上總體規(guī)劃，如何合理的設(shè)計環(huán)冷余熱鍋爐熱力系統(tǒng)，使余熱鍋爐及其附屬設(shè)施安全高效運(yùn)行，并能夠適應(yīng)燒結(jié)主線生產(chǎn)和蒸汽外網(wǎng)負(fù)荷的波動是決定余熱工程成功與否的重要因素。
1 燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的分析方法
如今，節(jié)能減排工作已在大范圍內(nèi)開展，如果還是以基于熱力學(xué)第一定律的焓分析法來對能量的利用情況做出評價，勢必?zé)o法讓人們的要求得到滿足，該方法僅可站在能的量的層面上給予用能指導(dǎo)，不能將能的質(zhì)的改變體現(xiàn)出來，在此情況下便出現(xiàn)了?分析法。
半世紀(jì)以來，全球范圍內(nèi)的一項(xiàng)熱門課題便是?分析的發(fā)展，而之所以會這樣同人們不斷增長的能源短缺與節(jié)能意識有很大關(guān)系。1956 年，Rant 以“exergie”一詞來對?參數(shù)進(jìn)行描述，獲得大部分人的認(rèn)可。一年后，?概念正式傳入到我國，夏彥儒和王守泰教授以“?”對其命名，得到了學(xué)術(shù)界同仁們的一致認(rèn)可?，F(xiàn)階段，在各類問題的研究中，?分析法的應(yīng)用也非常普遍。
陳莉?qū)σ慌_ 410t/h的電站鍋爐展開了?分析，其發(fā)現(xiàn)排煙?損失與機(jī)械不完全燃燒?損失是電站鍋爐的最大外部?損失，在此基礎(chǔ)上其研發(fā)出了計算電站鍋爐熱力以及用于?分析的軟件。王建寧利用兩種方法（能量平衡分析、?分析）評價了柴油機(jī)的用能情況，了解了內(nèi)燃機(jī)的熱量分布情況，也將?分布隨負(fù)荷的變化規(guī)律掌握。
王倩通過結(jié)合 LUENT數(shù)值模擬軟件和?的相關(guān)理論，對燃煤鍋爐爐膛內(nèi)部的煙氣?分布特性有了充分了解。
張向輝借助?分析法研究了純低溫閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)，在評價系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性把?回收率當(dāng)做主要指標(biāo)，著重優(yōu)化設(shè)計了閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)的幾個熱力參數(shù)。
Noam Lior 等人針對一定條件下，大氣溫度、壓力及相對濕度的變化對氣體燃料和這一條件下氣體化學(xué)?的影響展開了深入研究，研究結(jié)果表明 ：當(dāng)氣候較為寒冷時，空氣中氣體分離效率更高，在溫暖的氣候條件下適合進(jìn)行水電離制氫，在寒冷條件下往往具有更高的效率。
Koosuke Nishida等人針對燃燒過程中嫡產(chǎn)和?損失的原因展開了進(jìn)一步分析，并發(fā)現(xiàn)粘性耗散、導(dǎo)熱、質(zhì)量擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致燃燒過程中出現(xiàn)不可逆損失的主要原因，而化學(xué)反應(yīng)更是引發(fā)預(yù)混合火焰中?損失的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;，熱傳導(dǎo)則是擴(kuò)散火焰中造成?損失的主要原因。
A.DATTA 分析了粉末在燃燒器中燃燒的不可逆性，得到了這樣的結(jié)論，即通過將入口預(yù)熱空氣的溫度及壓力提高，可促進(jìn)?效率的明顯提高
除此之外，還有很多專家學(xué)者借助?分析法研究了各類能量問題，且獲得的經(jīng)濟(jì)效益都非常好。
2 工藝簡介
燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，分別是煙氣回收系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)。其原理在于經(jīng)環(huán)冷機(jī)排出的高溫?zé)煔庠诒换旌虾?，利用配置的高效余熱蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，會有 At/h 的飽和蒸汽與 Bt/h 的低壓蒸汽出現(xiàn)。借助能量轉(zhuǎn)換把降低燒結(jié)礦外排煙氣的平均溫度，即由 350℃變?yōu)?150℃，再利用引風(fēng)機(jī)向煙囪回送余熱鍋爐排出的煙氣，將其排空。
煙氣余熱回收主要是對環(huán)冷一段、二段進(jìn)行回收，設(shè)置封閉式煙罩，在其內(nèi)部上方安裝內(nèi)絕熱煙罩，并分割為兩段，分別是高溫?zé)煔舛巍⒌蜏責(zé)煔舛?。兩個區(qū)段內(nèi)均要設(shè)置一座煙囪，同時將三通管道安裝于煙囪上，配置電動切換蝶閥。正常工作時，切換閥會向鍋爐煙道內(nèi)導(dǎo)入煙氣，而當(dāng)余熱鍋爐處于停止運(yùn)行的狀態(tài)是，把煙氣進(jìn)入余熱鍋爐的通道關(guān)閉，利用機(jī)上煙囪向大氣排入環(huán)冷機(jī)煙氣（如圖 1）。
3 設(shè)計方案比選優(yōu)化
3.1 鍋爐熱力系統(tǒng)
根據(jù)防鋼基地一期項(xiàng)目總體規(guī)劃，需要環(huán)冷機(jī)鍋爐產(chǎn)出1.3MPa，300℃的過熱蒸汽送至廠區(qū)管網(wǎng)作為全廠工業(yè)用汽 ；此外環(huán)冷鍋爐還需要考慮產(chǎn)出 1.3MPa，350℃的過熱蒸汽作為燒結(jié)氨法脫硫工程的吹掃用汽，此用汽為間斷用汽，平均 8h 吹掃一次，一次吹掃約 40min。
對于常規(guī)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐來說，為了達(dá)到能源梯級利用的目的，一般采用雙壓雙進(jìn)氣系統(tǒng)，即根據(jù)環(huán)冷機(jī) 1段、2段不同的煙氣溫度，設(shè)置 2套不同壓力的受熱面，分別產(chǎn)出中壓蒸汽和低壓蒸汽，送至補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)做功，這樣做的目的是由于環(huán)冷機(jī)余熱煙氣屬于中低溫余熱資源，煙氣量大但煙溫較低，為了充分地回收燒結(jié)煙氣顯熱，有效降低排煙溫度，在余熱鍋爐熱力系統(tǒng)設(shè)計時通過增加鍋爐尾部換熱面以便實(shí)現(xiàn)鍋爐熱回收效率的最大化。但本項(xiàng)目無低壓蒸汽用汽需求，有兩種熱力系統(tǒng)可供選擇 ：①將環(huán)冷機(jī) 1段、2段煙氣在進(jìn)入鍋爐前提前混合后再送入鍋爐 ；②仍然采用雙壓系統(tǒng)，但低壓段不設(shè)置過熱器，低壓蒸發(fā)器僅作為環(huán)冷機(jī)鍋爐的自除氧汽包的熱源使用。根據(jù)本項(xiàng)目燒結(jié)設(shè)計固體燃耗及密封型式，確定煙風(fēng)參數(shù)如下表 1所示。
進(jìn)環(huán)冷機(jī)鍋爐的煙氣成分按照含塵空氣考慮，含塵量為2g/Nm3。經(jīng)計算分析，當(dāng)余熱鍋爐高壓段蒸發(fā)器的窄點(diǎn)溫度和省煤器接近點(diǎn)溫度均為 15℃時，單進(jìn)氣單壓鍋爐的設(shè)計產(chǎn)汽量為85.1t/h，排煙溫度為 152.1℃，而雙進(jìn)氣單壓鍋爐的額定產(chǎn)汽量為 87.9t/h，排煙溫度為 145.3℃，詳見表 2。
可以看出，對于僅產(chǎn)出一種參數(shù)蒸汽的本工程來說，雙進(jìn)氣系統(tǒng)從鍋爐產(chǎn)汽量，鍋爐熱效率方面均優(yōu)于單進(jìn)氣系統(tǒng)，由熱力學(xué)第二定律可知，能量在利用過程中會貶值，其能級降低，因此在對本工程余熱回收熱力系統(tǒng)選定時，應(yīng)遵循兩個原則 ：匹配用能和能量梯級利用，以及最大限度地減少用戶和供能方的能級降，而將煙氣提前混合的方式本身就降低了能量的品味及?值，另一方面，將 1 段和 2 段煙氣混合后，煙溫也將被平均，對于鍋爐受熱面來說，換熱溫壓減小，為了達(dá)到同樣的換熱功率，換熱面積勢必增大，造成鍋爐投資增加。
對于本項(xiàng)目鍋爐低壓段熱力系統(tǒng)，因未設(shè)計產(chǎn)汽，當(dāng)燒結(jié)主線生產(chǎn)波動造成煙氣量增大或煙溫降低時，會致使熱量向鍋爐的尾部受熱面偏移，而低壓蒸發(fā)器僅作為自除氧汽包的熱源，因此在設(shè)計時要考慮除氧器排氧門的排放能力及調(diào)節(jié)能力。
本項(xiàng)目還需要考慮去燒結(jié)生產(chǎn)及脫硫系統(tǒng)硫銨結(jié)晶的一路蒸汽的設(shè)計，考慮其間斷使用的特性，為其單獨(dú)設(shè)置一組過熱器顯然不合理，因此考慮在鍋爐主蒸汽出口設(shè)置一處供汽旁路，而減溫系統(tǒng)與主蒸汽減溫水系統(tǒng)獨(dú)立，以免造成汽溫調(diào)節(jié)時的互相干涉，對兩路蒸汽的汽溫精準(zhǔn)操控，這不僅有利于燒結(jié)混料預(yù)熱的工藝調(diào)節(jié)，對于后期可能新建的燒結(jié)汽輪發(fā)電機(jī)組來說也是必須的。
3.2 煙風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)
環(huán)冷余熱鍋爐的熱力系統(tǒng)選定后，需要對煙風(fēng)道做針對性的設(shè)計，因 500m2 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)為大型環(huán)冷機(jī)，環(huán)冷機(jī)的回轉(zhuǎn)中徑為 58m，臺車寬度 3.5m，1 段和 2 段的取風(fēng)、回風(fēng)方式是否合理，直接影響到進(jìn)入鍋爐煙氣顯熱能量的多少和品質(zhì)。
綜合考慮含塵煙氣磨損、管道積灰因素以及煙風(fēng)阻力的影響，以及臺車煙罩寬度受限，考慮 1 段、2 段主煙道的通流內(nèi)徑設(shè)計為 DN4400 和 DN4000，此外為了保證在設(shè)計溫度下的進(jìn)鍋爐的工況煙氣量，每段煙罩分別選定 3 段支煙管取煙，通流內(nèi)徑為 DN3700。對于燒結(jié)環(huán)冷余熱鍋爐的產(chǎn)汽出力，同樣的煙氣熱焓，煙溫的影響因素遠(yuǎn)大于煙氣量，因此為了盡可能的實(shí)現(xiàn)高溫取煙，在不影響原有燒結(jié)除塵管道及熱風(fēng)點(diǎn)火管道的布置前提下，將各段取煙點(diǎn)盡可能的靠前，選定環(huán)冷 1 段取煙口分別開在3#，4#（1 段煙囪口）及 5# 風(fēng)箱上部正對的煙罩處，環(huán)冷 2 段取煙口開在 3#，4#（2 段煙囪口）及 5# 風(fēng)箱上部正對的煙罩處，同時在 4# 軸、9# 軸、14# 軸處設(shè)置煙罩隔斷板，明確區(qū)分 1 段、2 段不同品味的煙氣熱源。
對于鍋爐回風(fēng)系統(tǒng)，采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，可使得鍋爐入口熱廢氣的溫度提高約 50℃，風(fēng)機(jī)采用變頻方式調(diào)節(jié)，同時充分考慮風(fēng)機(jī)葉輪及機(jī)殼的耐磨，選用 10mm 厚以上碳化鉻堆焊層作為耐磨板，同時在機(jī)殼內(nèi)側(cè)內(nèi)襯耐磨陶瓷 ；采用 4 段回風(fēng)的方式，每段回風(fēng)管道上設(shè)置有電動調(diào)節(jié)閥，優(yōu)先保證環(huán)冷 1 段可以得到充分的熱風(fēng)再循環(huán)，使實(shí)際運(yùn)行過程 1段煙溫盡可能的提高，進(jìn)而產(chǎn)出更多的蒸汽，同時避免低壓段除氧加熱蒸汽富裕被迫放散。在回風(fēng)母管上還需設(shè)置煙氣對空排系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)冷機(jī)輸灰裝置故障時及時將鍋爐排煙排向大氣，此段考慮緊湊布置和節(jié)約投資，將對空排煙道接至環(huán)冷 2 段煙囪對空排電動閥后。在鍋爐 1 段、2 段煙氣主管上設(shè)置重力式除塵器，減少鍋爐及循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)備的磨損，同時在每段主管上設(shè)置摻冷風(fēng)管，防止煙道超溫。
環(huán)冷鍋爐煙氣系統(tǒng)詳見圖 2。
3.3 煙風(fēng)道保溫方式選定
由于本項(xiàng)目 1 段，2 段設(shè)計煙溫分別為 450℃和 350℃，而尖峰溫度分別可以達(dá)到 550℃和 450℃，這已經(jīng)超過了常用低合金結(jié)構(gòu)鋼 Q345的極限耐受溫度，為了解決這一問題，有兩種方案：①采用更高規(guī)格的鋼材（耐溫等級在 15CrMo以上），②選擇內(nèi)保溫的方式 ；因鍋爐煙風(fēng)道的管徑大，煙風(fēng)路由較長，若采用高規(guī)格鋼材作為煙風(fēng)道材質(zhì)，會造成投資的大幅增加，代價巨大，因此選用煙道內(nèi)保溫的方式，在管道內(nèi)側(cè)敷設(shè) 150mm 厚的莫來石耐磨澆筑料，并用 Y、V 型錨固溝澆筑固定，同時在管道外壁采用硅酸鋁制品作為保溫，考慮到燒結(jié)礦粉塵及煙氣的酸腐蝕及海邊潮濕多鹽的特征，煙道外保溫外護(hù)板采用 304 不銹鋼薄板，使煙道外保溫的使用壽命更長。煙道保溫型式詳見下圖 3。
4 其他優(yōu)化方向
對于本項(xiàng)目 500m2 大型燒結(jié)生產(chǎn)線，采用 5 段式環(huán)冷機(jī)工藝，除了將常規(guī)的環(huán)冷 1 段、2 段冷卻廢氣用于余熱鍋爐產(chǎn)汽或發(fā)電外，還可將溫度居中的環(huán)冷機(jī) 3 段廢煙氣用于熱風(fēng)燒結(jié)、點(diǎn)火助燃等工序。在此基礎(chǔ)上，還可以將直接余熱回收價值不大的煙溫在 200℃～ 250℃的環(huán)冷 4段廢煙氣作為溴化鋰制冷的補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)小型的熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù) ；也可將環(huán)冷機(jī) 4 段廢氣熱量作為有機(jī)朗肯循環(huán)的補(bǔ)充能量，新建小型 ORC 發(fā)電機(jī)組，作為燒結(jié)余熱電站的輸出電力補(bǔ)充，共同供給燒結(jié)生產(chǎn)使用。
5 結(jié)論
（1）針對本項(xiàng)目單參數(shù)蒸汽的規(guī)劃需求，根據(jù)“溫度對口，按質(zhì)用能”的原則，通過比選計算，為本工程選定了雙進(jìn)氣單壓的熱力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)余熱回收端與利用段“量”與“質(zhì)”的匹配，對環(huán)冷機(jī)余熱進(jìn)行了最大限度的回收。
（2）為了保證既定熱力系統(tǒng)的預(yù)期回收效果能夠在實(shí)際運(yùn)行中得以實(shí)現(xiàn)，通過采取熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，恰當(dāng)選定取風(fēng)回風(fēng)口及煙罩隔板位置，并考慮除塵措施及與燒結(jié)主線配合調(diào)整等問題，對煙風(fēng)道工程設(shè)計的諸多要點(diǎn)等進(jìn)行了針對性的優(yōu)化。
（3）選用內(nèi)保溫加外保溫的型式，解決了常用鋼材煙道在本工程大型燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線可能存在的壁溫超限及管壁磨損的問題，采用較高規(guī)格的 304 外保溫護(hù)板可以提高煙道及鍋爐系統(tǒng)保溫使用壽命，減少散熱損失和保溫工程維護(hù)工作量。
（4）本文還提出了針對大型環(huán)冷機(jī) 3 段，4 段低品位煙氣顯熱可行的余熱回收技術(shù)路線，對大型燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱資源的全面回收工藝有一定的推廣意義。