張靈君

（北京首鋼股份有限公司，北京）

摘 要：鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序中,環(huán)冷機(jī)冷卻燒結(jié)礦的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量高品位余熱余能，其中約 30%燒結(jié)工序總能耗在冷卻系統(tǒng)散失，利用好這部分能耗是燒結(jié)工序節(jié)能降耗的重點(diǎn)。本文通過改造首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部二燒結(jié) 415m² 環(huán)冷機(jī)減少環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)，提升煙氣溫度，增加鍋爐產(chǎn)汽量，并針對(duì)余熱煙氣超溫等問題進(jìn)行了研究分析，采取了相應(yīng)措施，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：環(huán)冷機(jī)；余熱；超溫；改造

緒論

首鋼股份有限公司燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)投入運(yùn)行 10余年，系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重，發(fā)電負(fù)荷與設(shè)計(jì)額定值差距較大，2020 年首鋼股份煉鐵作業(yè)部在經(jīng)過一系列調(diào)研后決定將原有密封形式由機(jī)械密封改為水密封，徹底解決系統(tǒng)漏風(fēng)問題，提升能源利用效率，取得經(jīng)濟(jì)效益，但煙氣溫度超溫的問題也影響了鍋爐使用壽命，威脅安全生產(chǎn)。

1 基本情況

首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部二燒燒結(jié)使用的 415 m² 環(huán)冷機(jī)，作用是冷卻燒結(jié)礦。環(huán)冷機(jī)本體及運(yùn)行設(shè)備、設(shè)施均為 2008 年投產(chǎn)，下部為傳統(tǒng)膠皮密封，上部為魚鱗片密封，整體密封效果差，漏風(fēng)嚴(yán)重，2017 年對(duì)下部密封進(jìn)行了改造，由膠皮密封改為機(jī)械密封，初期取得一定效果，漏風(fēng)有一定好轉(zhuǎn)，余熱鍋爐產(chǎn)汽量提高了 10%左右。目前環(huán)冷機(jī)主體設(shè)備趨于老化，機(jī)械密封未解決漏風(fēng)的根本問題，用于冷卻燒結(jié)礦的能耗依然居高不下，日均運(yùn)行 5 臺(tái)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)用于燒結(jié)礦冷卻。

燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)配有 6 臺(tái)蒸汽流量 9.5 t/h，壓力2.1 MPa，溫度 265 ℃的余熱鍋爐；360 m² 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)配有 1 臺(tái)蒸汽流量 51.4 t/h，壓力 2.1 MPa，溫度 348 ℃的余熱鍋爐^[1]。燒結(jié)余熱發(fā)電站裝機(jī)規(guī)模為 1×26 MW。由于系統(tǒng)漏風(fēng)較嚴(yán)重，并且因受生產(chǎn)及環(huán)保各項(xiàng)因素影響，余熱發(fā)電的效率一直很低，平均小時(shí)發(fā)電量約 8000~9000 kwh，作業(yè)率低，全年作業(yè)率約 62%。

2 環(huán)冷機(jī)節(jié)能改造

環(huán)冷機(jī)有效冷卻面積 415 m² ，最大處理能力為 900t/h，設(shè)備總重 1 435.63 T，配套 5 臺(tái)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)。將機(jī)械密封改為上下水密封，將原環(huán)冷機(jī)灰斗以上部分全部拆除，安裝水密封專用上部煙罩、上部水密封、環(huán)冷機(jī)回轉(zhuǎn)框架、環(huán)冷機(jī)臺(tái)車、托輥、擋棍、相應(yīng)配套軌道設(shè)備、下部水密封、傳動(dòng)摩擦系統(tǒng)、板式給礦機(jī)等。環(huán)冷機(jī)由扇形臺(tái)車分別通過兩根軸連結(jié)在臺(tái)車框架上，跟隨臺(tái)車框架同速回轉(zhuǎn)。內(nèi)、外環(huán)的焊接結(jié)構(gòu)臺(tái)車欄板安裝在臺(tái)車框架內(nèi)、外環(huán)框架上，形成環(huán)形容料裝置，其上側(cè)采用環(huán)形水槽密封^[2]。臺(tái)車欄板采用隔熱夾心結(jié)構(gòu)。外側(cè)加強(qiáng)筋之間留有伸縮空間，避免設(shè)備運(yùn)行過程中由于熱脹冷縮造成的欄板開焊、開裂現(xiàn)象。

為便于調(diào)整臺(tái)車位置，滾輪處采用偏心結(jié)構(gòu)，供安裝時(shí)調(diào)整滾輪與壓軌之間距離，保證臺(tái)車復(fù)位準(zhǔn)確。

環(huán)冷機(jī)及環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)布局如圖 1 所示，環(huán)冷機(jī)改造如圖 2 所示。

3 環(huán)冷機(jī)改造后出現(xiàn)的問題及分析研究

3.1 環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐煙氣超溫，影響鍋爐使用壽命

2020 年 8 月完成改造并投入生產(chǎn)，余熱鍋爐煙氣溫度隨之出現(xiàn)了較大提升。改造完成后，漏風(fēng)問題得到了有效改善，余熱利用效率也得到了提高，同時(shí)出現(xiàn)了余熱鍋爐煙氣溫度過高的問題。余熱鍋爐的煙氣溫度由原來的 360~370 ℃左右增加到 450 ℃以上，500 ℃以上的高溫也時(shí)而出現(xiàn)。余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)是 366 ℃，設(shè)計(jì)要求控制在 450 ℃以下。余熱鍋爐的材質(zhì)是 20# 鋼，在鍋爐設(shè)計(jì)規(guī)范中要求 20# 鋼無縫管材質(zhì)余熱鍋爐正常運(yùn)行溫度不超過 420 ℃，在極限狀態(tài)下不能超過 450℃。為了不影響鍋爐使用壽命，消除鍋爐安全隱患，不得不主動(dòng)采取措施將余熱鍋爐煙氣溫度降到 450 ℃以下來運(yùn)行^[3]。

原因分析：一是產(chǎn)量提升，燒結(jié)礦總熱焓值提高。在改造的同時(shí)，還對(duì)燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了全面改造，系統(tǒng)漏風(fēng)率全面下降，燒結(jié)礦產(chǎn)量大幅上升，由改造前 430 t/h 增加至約 500 t/h，增加約 16.3%。二是環(huán)冷機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)率大幅下降，煙氣余熱利用效率提升。

解決措施：（1） 打開環(huán)冷機(jī)頂部煙氣排放閥，該閥門的主要作用是在余熱鍋爐故障或檢修狀態(tài)下利用環(huán)冷機(jī)配套的環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)將環(huán)冷機(jī)臺(tái)車上的燒結(jié)熱礦冷卻。但是效果并不明顯，溫度下降很有限，從最高的510 ℃左右下降至 480 ℃左右。（2） 逐步降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由原 690 r/min 降至 500 r/min，效果逐步顯現(xiàn)，基本達(dá)到 450 ℃以下的運(yùn)行狀態(tài)。（3） 因循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，環(huán)冷機(jī)臺(tái)車的熱礦冷卻效果降低，導(dǎo)致環(huán)冷機(jī)下料處溫度過高，存在燙傷皮帶的風(fēng)險(xiǎn)，將 2# 環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)開啟，增加對(duì)燒結(jié)礦的冷卻能力。（4） 合理調(diào)整環(huán)冷機(jī)與燒結(jié)機(jī)速比，冷燒速比由原來的 0.75 降至 0.7。

3.2 煙氣管道膨脹節(jié)出現(xiàn)裂縫

環(huán)冷機(jī)改造并投入運(yùn)行后，設(shè)備巡檢中發(fā)現(xiàn)一段煙氣進(jìn)氣管道上膨脹節(jié)出現(xiàn)約 100 mm 裂縫，出現(xiàn)裂縫的膨脹節(jié)在距離地面 20 m 高左右的豎直管段上，該直管段下部在彎頭處采取的管托支撐，另一側(cè)的支撐點(diǎn)在距離直管段西側(cè)約 15 m 左右的距離，如果直接采取更換的方法需要將原膨脹節(jié)全部切除，約 15 m 左右的管道將有一側(cè)沒有支撐，存在失穩(wěn)墜落風(fēng)險(xiǎn)。

原因分析：煙氣溫度由 366 ℃提升至 500 ℃以上，超出膨脹節(jié)耐熱 400 ℃設(shè)計(jì)能力，受煙氣熱應(yīng)力影響，超出膨脹節(jié)伸縮范圍，導(dǎo)致金屬膨脹節(jié)受熱應(yīng)力拉伸撕裂，形成裂縫。另膨脹節(jié)使用超過 10 年，設(shè)備老化也是導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫的原因。

解決措施：考慮到結(jié)構(gòu)安全及場(chǎng)地吊裝位置受限問題，排除拆掉舊膨脹節(jié)更換新膨脹節(jié)的方案。通過搭設(shè)腳手架，選用耐熱 550 ℃以上的膨脹節(jié)現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)，將舊膨脹節(jié)及管道包裹在新的膨脹節(jié)里面，不但解決了余熱煙氣管道系統(tǒng)漏風(fēng)的問題，也避免了更換可能出現(xiàn)煙氣管道缺少支撐力的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失穩(wěn)安全隱患。

3.3 蒸汽溫度超溫對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行造成極大影響

汽輪機(jī)是補(bǔ)汽冷凝式汽輪機(jī)，額定發(fā)電量 26 MW，轉(zhuǎn)速 3 000 rpm，主蒸汽進(jìn)汽壓力 1.95 MPa，主蒸汽設(shè)計(jì)進(jìn)汽溫度 298 ℃，汽源來自 6 臺(tái) 99 平 m² 燒結(jié)機(jī)余熱鍋爐和 1 臺(tái) 360 m² 燒結(jié)機(jī)余熱鍋爐混合蒸汽，其中 99m² 余熱鍋爐設(shè)計(jì) 265 ℃蒸汽溫度，360 m² 余熱鍋爐由原設(shè)計(jì)的 348 ℃上升到改造后的 450 ℃以上，混合后的蒸汽超過 350 ℃。

如果運(yùn)行溫度高于設(shè)計(jì)值，會(huì)造成金屬機(jī)械性能惡化，強(qiáng)度降低，脆性增加，導(dǎo)致汽缸蠕脹變形、葉輪在軸上套裝松弛，汽輪機(jī)運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)或動(dòng)靜摩擦，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備，故汽輪機(jī)不允許超溫運(yùn)行。日常情況蒸汽進(jìn)汽溫度控制范圍為設(shè)計(jì)值±10 ℃，最高不超過 308 ℃。

原因分析：進(jìn)入 360 m² 燒結(jié)機(jī)余熱鍋爐的煙氣溫度超過 450 ℃并長(zhǎng)期接近 500 ℃，而鍋爐的產(chǎn)汽溫度依據(jù)過熱器的大小一般不低于煙氣溫度的 10~30 ℃。

解決措施：為了確保蒸汽溫度能夠達(dá)到運(yùn)行要求，在 360 m² 余熱鍋爐的蒸汽主管道上新增了一套噴水式自動(dòng)減溫裝置。采用流體自身降低設(shè)備功耗，減溫水即被粉碎成霧狀水珠與蒸汽混合并迅速完全蒸發(fā)，從而達(dá)到降低蒸汽溫度的作用，并且能夠有效保護(hù)汽輪機(jī)葉片不被水滴沖刷造成二次損傷，確保將 450 ℃蒸汽降到308 ℃以下，保障汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

3.4 產(chǎn)汽能力及發(fā)電效率效果差

通常，在煙氣量不變時(shí)，煙氣溫度大幅度提升，余熱鍋爐產(chǎn)汽量也會(huì)隨之的增加，但運(yùn)行發(fā)現(xiàn)蒸汽溫度提升了約 100 ℃，蒸汽產(chǎn)量只增長(zhǎng)了約為 4 t/h，發(fā)電量也只是增長(zhǎng)了約 1 800 kw/h。由于改造前環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)嚴(yán)重，產(chǎn)汽量較好的狀態(tài)下只有 38 t/h 與設(shè)計(jì)能力 51 t/h 相差較多，約為設(shè)計(jì)能力的 75%。在不考慮漏風(fēng)量減少導(dǎo)致循環(huán)風(fēng)量增加的情況下，發(fā)電負(fù)荷應(yīng)增加約 3 650 kw/h。

通過探索分析，整體漏風(fēng)率是降低的，煙氣溫度也確實(shí)提高較為明顯，造成鍋爐產(chǎn)汽量沒有達(dá)到預(yù)期的原因是進(jìn)入鍋爐的煙氣量不足，熱焓值偏低。環(huán)冷機(jī)一段高溫區(qū)域溫度很高，能夠達(dá)到 500 ℃以上，二段煙氣溫度也在 380 ℃左右，但環(huán)冷機(jī)改造后，整體密封效果好，煙氣溫度升高，為確保環(huán)冷機(jī)冷卻效果，避免熱礦燙傷皮帶和煙氣損傷鍋爐，二段 2# 環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)需要投入運(yùn)行，增加冷卻效果，導(dǎo)致二段環(huán)冷機(jī)內(nèi)部正壓增加，大量風(fēng)量從二段和三段之間的縫隙竄入三段區(qū)域，不但沒能提高鍋爐產(chǎn)氣量，降低鍋爐煙氣溫度，反而增加了三段煙氣的溫度。所以又將二段煙氣放散開啟，導(dǎo)致整個(gè)煙氣循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)量不足。

針對(duì)分析的結(jié)果，結(jié)合停機(jī)檢修，將一段和二段的隔板全部打開，將高低溫?zé)煔馔耆诤?，充分利用余熱鍋爐的循環(huán)風(fēng)機(jī)將絕大部分熱量通過鍋爐產(chǎn)生的蒸汽帶走。這樣不但降低了煙氣的溫度，避免了煙氣溫度過高對(duì)鍋爐的損害，也提高了鍋爐的利用率，增加了實(shí)際發(fā)電收益。另外也可以減少環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和提高了熱礦燙傷皮帶的安全系數(shù)，可謂一舉四得。

4 節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)

4.1 節(jié)約能源種類及節(jié)能原理

該項(xiàng)目節(jié)約能源為電能，主要體現(xiàn)在環(huán)冷風(fēng)機(jī)節(jié)電及余熱發(fā)電機(jī)發(fā)電量增加兩個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)能原理如下：風(fēng)機(jī)節(jié)能原理：環(huán)冷鼓風(fēng)的風(fēng)到達(dá)環(huán)冷機(jī)臺(tái)車底部時(shí)，因環(huán)冷機(jī)臺(tái)車底部與軌道之間存在大量漏風(fēng)點(diǎn)位，鼓風(fēng)大部分由此點(diǎn)位漏出去，不能經(jīng)過燒結(jié)礦層，造成風(fēng)的浪費(fèi)，改造前需要運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)風(fēng)機(jī)、2#、3#、4#、5# 環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)5 臺(tái)風(fēng)機(jī)，并且全部滿負(fù)荷運(yùn)行，燒結(jié)礦冷卻溫度達(dá)到100 度以內(nèi)，實(shí)施全能水密封后，環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)經(jīng)過煙道達(dá)到環(huán)冷機(jī)臺(tái)車底部，因?qū)嵤┧芊猓╋L(fēng)率較低，鼓風(fēng)基本全部由環(huán)冷機(jī)臺(tái)車底部向上運(yùn)行，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)礦，帶走燒結(jié)礦的熱量，達(dá)到燒結(jié)礦冷卻的效果，循環(huán)風(fēng)機(jī)、3#、4#、5# 環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī) 4 臺(tái)運(yùn)行，并且風(fēng)機(jī)全部降低了負(fù)荷，就滿足燒結(jié)礦冷卻需求，降低了環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電耗。余熱發(fā)電量增加：改造后，環(huán)冷漏風(fēng)率降低，風(fēng)的利用率增加，一二段帶出燒結(jié)礦的熱量增加，360 m² 余熱鍋爐入口煙氣溫度升高，產(chǎn)汽量增加，從而發(fā)電量上升。

4.2 節(jié)能效益計(jì)算

改造后，選取 10 月 14-24 日正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)，查詢環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電量，根據(jù)燒結(jié)礦產(chǎn)量核算環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電單耗以及余熱發(fā)電情況做對(duì)比，計(jì)算電單耗下降數(shù)據(jù)。余熱發(fā)電增加量評(píng)價(jià)：截取 8 月 27 日-9 月 2 日，一燒燒結(jié)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，并且一燒產(chǎn)汽量與六月份截取時(shí)間相同的情況下，計(jì)算小時(shí)發(fā)電量上升量，核算發(fā)電效益。環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)以及環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)負(fù)荷以及 7# 鍋爐煙氣溫度情況見表 1。

4.2.1 項(xiàng)目實(shí)施前能耗情況

項(xiàng)目實(shí)施前，6 月 1-28 日，環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電量 119.33萬 KWh，燒結(jié)礦產(chǎn)量 28.82 萬噸，環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電單耗 4.14KWh/t。項(xiàng)目改造實(shí)施前，截取 6 月 24-28 日，燒結(jié) 4+1 模式運(yùn)行，工況穩(wěn)定下，余熱發(fā)電量 9 062 kWh/h。

4.2.2 項(xiàng)目節(jié)能綜合分析

（1） 改造前后節(jié)電效益分析

8 月 14-24 日環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電量 30.19 萬 KWH，燒結(jié)礦產(chǎn)量 13.01 萬噸，環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電單耗完成 2.32 kWh/t。對(duì)標(biāo)項(xiàng)目實(shí)施前，環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)電單耗降低=4.14-2.32=1.82kWh/t，現(xiàn)在燒結(jié)礦月度產(chǎn)量 36 萬噸，月度效益=36 萬*1.82 kWh/t=65.52 萬 kWh,實(shí)現(xiàn)效益 33.42 萬元，見表 2。

（2） 改造前后增發(fā)電量效益分析

改造后，截取一燒運(yùn)行情況與六月份情況相同的情況下，7# 鍋爐煙氣溫度上升約 65 度左右，產(chǎn)汽量約上升13 t/h。發(fā)電機(jī)組同步上升發(fā)電量小時(shí) 3 500 kWh/h，月度效益=2 282 kWh*24*30*0.48=120.96 萬，見表 3。

綜上，環(huán)冷機(jī)改造在節(jié)電和提高發(fā)電量?jī)煞矫婵蓪?shí)現(xiàn)月效益 154.38 萬元。

5 結(jié)論

通過采取上述措施后，360 m² 燒結(jié)機(jī)余熱鍋爐的煙氣溫度明顯下降，長(zhǎng)期穩(wěn)定在 410~430 ℃左右，產(chǎn)汽量也提升至平均 50 t/h 左右，汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度可以通過減溫器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制在 308 ℃以內(nèi)，節(jié)電和提高電量方面每月創(chuàng)造效益達(dá)到154.38 萬元。但是通過此項(xiàng)工程也暴露了我們?cè)谇捌谘杏懜脑祉?xiàng)目中存在的不足，即只考慮了主流程的主要設(shè)備對(duì)生產(chǎn)工藝的影響，忽略了改造項(xiàng)目對(duì)輔助設(shè)備設(shè)施運(yùn)行的影響，導(dǎo)致后續(xù)出現(xiàn)的一些列設(shè)備及生產(chǎn)問題，這也是我們以后關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)我們以后開展各項(xiàng)改造工作具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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