燒結低溫冷卻廢氣余熱多級利用技術探討

陳志良  曹先常

( 上海寶鋼節能環保技術有限公司)

摘 要  燒結工序余熱資源回收率低，主要因為燒結有大量低于300℃冷卻廢氣低溫余熱資源難以回收。文章利用OＲC發電技術回收燒結冷卻機低溫段廢氣余熱以及放散的余熱鍋爐低壓蒸汽，對燒結冷卻機的熱能進行了進一步的梯級利用，進一步降低冷卻機的廢氣排放溫度，提高余熱回收率。分析表明，通過燒結冷卻機低溫段余熱回收技術方案的實施可產生良好的經濟和社會效益。

關 鍵 詞  燒結冷卻機  低溫廢氣余熱  低壓蒸汽  OＲC發電  吸收式制冷

鋼鐵工業作為能源密集型行業，其能源消耗占全國能源消耗總量16%左右，鋼鐵工業余熱余壓回收等節能減排備受關注^［1－3］。燒結工序作為長流程鋼鐵生產的重要一環，其能耗約占鋼鐵企業能源消耗的9%～12%，燒結工序節能是鋼鐵企業節能減排的重點環節之一。在燒結礦生產過程中，占燒結過程總熱量近45%的燒結礦顯熱在冷卻機內由空氣冷卻，冷卻機排出的熱廢氣溫度隨冷卻部位的不同而不同(平均溫度約250℃) 。冷卻機排出的熱廢氣能耗占燒結總能耗的29%左右^［4］，充分利用這些熱量是提高燒結能源利用效率、顯著降低燒結工序能耗的途經之一。

1   燒結環冷廢氣余熱利用現狀分析

1. 1   燒結環冷廢氣余熱回收利用現狀

燒結機生產的700～800℃ 燒結礦從燒結機尾部落下，經過單輥破碎后落到冷卻機臺車上，由冷卻空氣經燒結礦料層下部箅板穿過，垂直吹入料層，與燒結礦料層換熱提取燒結礦顯熱后從料層上部進入集氣罩或人形罩。目前，國內燒結環冷機廢氣余熱回收利用主要集中在環冷機一段和二段280℃以上中高溫廢氣，其回收利用方式主要有3種形式^［5－6］: ①直接將廢煙氣凈化后作為點火爐的助燃空氣或用于預熱混合料，以降低燃料消耗。這種方式較為簡單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的10%; ②將廢煙氣通過熱管裝置或余熱鍋爐產生蒸汽，并入全廠蒸汽管網，替代部分燃煤鍋爐; ③利用余熱鍋爐產生蒸汽用于驅動汽輪機組發電。

為充分利用環冷機高溫段廢氣余熱，降低工序能耗，大部分鋼廠回收環冷機中高溫段的余熱回收采用雙壓余熱鍋爐+ 補汽式蒸汽輪機發電方式，部分鋼廠將環冷機高溫段雙壓余熱鍋爐產生的低壓蒸汽送人管網供用戶其它工序使用，這時雙壓余熱鍋爐產生的0. 5MPa 以下的次低壓蒸汽沒有合適的用戶。另外，環冷機第三段的150℃以上低溫廢氣余熱，除北方部分的鋼鐵企業用于冬天采暖外，大部分鋼鐵企業將它直接排放大氣中。

1. 2   燒結環冷低溫廢氣余熱利用設想

某大型燒結機的設計年產成品燒結礦700多萬t，配套的液密封環冷機回收礦料顯熱，其有效冷卻面積約700m²，設有60萬m³ /h 風量的冷卻鼓風機6 臺。熱燒結礦在冷卻過程中其熱能變為廢氣顯熱，廢氣溫度隨環冷機部位的不同而不同，給料部位溫度最高，約在450℃左右，卸料部位溫度最低，約在80℃左右。通過余熱回收系統可以有效地利用燒結工藝過程中產生的廢熱，降低能源消耗，提高熱效率，實現工業生產過程中的變廢為寶。

環冷機廢氣利用共分點火助燃、余熱鍋爐產蒸汽、低溫余熱OＲC發電、外排四部分組成，如圖1所示。從環冷機上收集的環冷機中高溫段( 1號、2號排氣筒) 可利用廢氣綜合溫度約350℃，利用直聯爐罩式雙壓余熱鍋爐技術回收熱能產生過熱蒸汽進入公司低壓管網供下級用戶使用，廢氣熱量回收后返回環冷機重新利用。另有300℃以上部分中溫廢氣用于點火助燃及熱風保溫。環冷機低溫段( 3號排氣筒) 可利用的廢氣溫度約150～220℃，屬低溫段余熱資源，將其通過高壓熱水交換器，回收低溫廢氣熱能與前段余熱鍋爐產生的次低壓蒸汽一起用于低溫OＲC發電，以提高余熱資源利用效率，余熱回收后的廢氣匯合環冷機低溫段( 4號排氣筒) 煙氣通過風機送到燒結機臺車面上的煙氣罩內。以上各部分利用后剩余廢氣溫度更低沒有回收價值，考慮到其含塵濃度低，可以通過雙層階梯人形罩降塵后外排。

2   燒結環冷低溫廢氣余熱利用實施方案

2. 1   低溫段余熱回收利用工藝設計

低溫段余熱回收工藝包括閉式循環熱水系統、OＲC發電機組、冷卻水循環系統三部分組成，如圖2所示。燒結礦顯熱經過冷卻機前兩段雙壓余熱鍋爐回收后，至第三段時產生的廢氣溫度約150～220℃，進入閉式循環熱水系統的換熱器加熱熱水溫度降低到約110℃后，然后與第四段一起全部由引風機送回至燒結機臺面參與熱風燒結。為保證閉式循環熱水在換熱器內過熱(＞100℃) 不被汽化，在閉式循環水泵進口設置定壓補水裝置。

OＲC發電機組內有機工質吸收來自環冷機中高溫段雙壓余熱鍋爐的次低壓蒸汽10t /h 和熱水換熱器的高壓熱水220t/h 的熱量，次低壓蒸汽將潛熱傳遞給有機工質后冷凝成凝結水，這部分凝結水余熱可以由凝結水泵送給熱水用戶或者供給吸收式制冷機作為驅動熱源產生冷量供冷用戶使用。

2. 2  低溫余熱OＲC發電設計參數

有機朗肯循環( Orgainc Ｒankine Cycle，以下簡稱OＲC) 是以低沸點工質吸收余熱介質的熱量汽化，進入透平膨脹做功，完成熱電轉換^［7］。OＲC系統由透平機、發電機、回熱器、冷凝器、預熱器、蒸發器及工質泵等組成。有機工質在預熱器、蒸發器吸收外界熱源的熱量，生成高溫高壓的蒸汽(非水蒸氣) ，然后進入透平機膨脹推動發電機轉子做功，輸出電能。該項目的OＲC機組有機工質首先在預熱器內經熱水預熱，再到蒸發器內進一步吸熱蒸發形成高溫高壓的有機蒸汽驅動透平機帶動發電機發電。經透平后的有機蒸汽在回熱器內加熱來自冷凝器的的液體有機工質以提高機組的熱效率。降溫后的有機蒸汽在冷凝器內進一步降溫冷凝成液體，然后由工質泵升壓進入預熱器及蒸發器內被加熱蒸發，完成有機工質的循環。在冷凝器內的冷卻水吸熱升溫后進入外部連接的冷卻塔冷卻，冷卻后的冷卻水由循環泵送回至冷凝器內再次冷卻有機蒸汽，維持透平機出口壓力，使透平機旋轉將熱能轉換為電能。低溫余熱OＲC發電參數見表1。

2. 3   吸收式制冷機組

次低壓蒸汽將潛熱傳遞給OＲC機組有機工質后冷凝為溫度約130℃凝結水，該凝結水作為吸收式制冷機的驅動熱源，產生冷量供燒結辦公樓及電氣室使用，以減少制冷所需電耗。以雙良集團熱水型溴化鋰吸收式冷水機組為例，可配置一臺熱水兩段型溴化鋰機組，參數見表2。

3   預計節能效果

方案實施后預計低溫廢氣余熱OＲC機組年供電量為1440萬kWh; 同時采用溴化鋰中央空調取代掛壁機和柜機的分散電空調方案，年運行時間按1680h /a ( 按100d /a，利用系數0. 7) 計算，預計年節約制冷耗電量為34萬kWh，合計節省電力1474萬kWh。總節約4717tce，可降低工序能耗0. 64kgce /t。

4   結論

該系統與常規燒結余熱發電技術相比，在不影響燒結機生產的前提下，對燒結冷卻機的熱能進行了進一步的梯級利用，最大限度利用低溫余熱，減少廢熱對環境的污染的同時，獲得了額外的電能和冷量，提高余熱回收率。該方案技術可行，系統設計布置合理; 達到了燒結工序節能減排的目的，降低燒結廠生產成本，經濟效益環保效益明顯。

參 考 文 獻

［1］ 高楊，沈永兵，劉建虎. 燒結環冷機煙氣余熱特性研究［J］． 冶金能源，2015，34 (2): 57－60.

［2］ 鄭琨.燒結煙氣環保節能處理的工藝設計［J］．冶金能源，2016，35 (3):16－20.

［3］ 曹先常.軋鋼低品位余熱資源綜合梯級利用研究［J］． 寶鋼技術，2011，(6) : 15 － 19.

［4］ 趙斌，杜小澤等. 燒結旋冷機余熱梯級發電技術研究［J］． 中國電機工程學報，2012，32(8):37－43.

［5］ 李大偉，張曉敏.燒結余熱技術在鋼鐵企業的應用［J］． 節能，2011，(6) : 59 － 61.

［6］ 李振玉，焦勇，孔令凱.濟鋼燒結余熱發電技術與變頻節能［J］．變頻器世界，2011， ( 7) : 68－71.

［7］ 王華，王輝著.低溫余熱發電有機朗肯循環技術［M］．北京: 科學出版社，2010.