燒結(jié)低溫冷卻廢氣余熱多級(jí)利用技術(shù)探討

陳志良  曹先常

( 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司)

摘 要  燒結(jié)工序余熱資源回收率低，主要因?yàn)闊Y(jié)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(fā)電技術(shù)回收燒結(jié)冷卻機(jī)低溫段廢氣余熱以及放散的余熱鍋爐低壓蒸汽，對(duì)燒結(jié)冷卻機(jī)的熱能進(jìn)行了進(jìn)一步的梯級(jí)利用，進(jìn)一步降低冷卻機(jī)的廢氣排放溫度，提高余熱回收率。分析表明，通過(guò)燒結(jié)冷卻機(jī)低溫段余熱回收技術(shù)方案的實(shí)施可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān) 鍵 詞  燒結(jié)冷卻機(jī)  低溫廢氣余熱  低壓蒸汽  OＲC發(fā)電  吸收式制冷

鋼鐵工業(yè)作為能源密集型行業(yè)，其能源消耗占全國(guó)能源消耗總量16%左右，鋼鐵工業(yè)余熱余壓回收等節(jié)能減排備受關(guān)注^［1－3］。燒結(jié)工序作為長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)的重要一環(huán)，其能耗約占鋼鐵企業(yè)能源消耗的9%～12%，燒結(jié)工序節(jié)能是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。在燒結(jié)礦生產(chǎn)過(guò)程中，占燒結(jié)過(guò)程總熱量近45%的燒結(jié)礦顯熱在冷卻機(jī)內(nèi)由空氣冷卻，冷卻機(jī)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(jī)排出的熱廢氣能耗占燒結(jié)總能耗的29%左右^［4］，充分利用這些熱量是提高燒結(jié)能源利用效率、顯著降低燒結(jié)工序能耗的途經(jīng)之一。

1   燒結(jié)環(huán)冷廢氣余熱利用現(xiàn)狀分析

1. 1   燒結(jié)環(huán)冷廢氣余熱回收利用現(xiàn)狀

燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)的700～800℃ 燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)尾部落下，經(jīng)過(guò)單輥破碎后落到冷卻機(jī)臺(tái)車上，由冷卻空氣經(jīng)燒結(jié)礦料層下部箅板穿過(guò)，垂直吹入料層，與燒結(jié)礦料層換熱提取燒結(jié)礦顯熱后從料層上部進(jìn)入集氣罩或人形罩。目前，國(guó)內(nèi)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱回收利用主要集中在環(huán)冷機(jī)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(diǎn)火爐的助燃空氣或用于預(yù)熱混合料，以降低燃料消耗。這種方式較為簡(jiǎn)單，但余熱利用量有限，一般不超過(guò)煙氣量的10%; ②將廢煙氣通過(guò)熱管裝置或余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并入全廠蒸汽管網(wǎng)，替代部分燃煤鍋爐; ③利用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。

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

1. 2   燒結(jié)環(huán)冷低溫廢氣余熱利用設(shè)想

某大型燒結(jié)機(jī)的設(shè)計(jì)年產(chǎn)成品燒結(jié)礦700多萬(wàn)t，配套的液密封環(huán)冷機(jī)回收礦料顯熱，其有效冷卻面積約700m²，設(shè)有60萬(wàn)m³ /h 風(fēng)量的冷卻鼓風(fēng)機(jī)6 臺(tái)。熱燒結(jié)礦在冷卻過(guò)程中其熱能變?yōu)閺U氣顯熱，廢氣溫度隨環(huán)冷機(jī)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(guò)余熱回收系統(tǒng)可以有效地利用燒結(jié)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱，降低能源消耗，提高熱效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的變廢為寶。

環(huán)冷機(jī)廢氣利用共分點(diǎn)火助燃、余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽、低溫余熱OＲC發(fā)電、外排四部分組成，如圖1所示。從環(huán)冷機(jī)上收集的環(huán)冷機(jī)中高溫段( 1號(hào)、2號(hào)排氣筒) 可利用廢氣綜合溫度約350℃，利用直聯(lián)爐罩式雙壓余熱鍋爐技術(shù)回收熱能產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽進(jìn)入公司低壓管網(wǎng)供下級(jí)用戶使用，廢氣熱量回收后返回環(huán)冷機(jī)重新利用。另有300℃以上部分中溫廢氣用于點(diǎn)火助燃及熱風(fēng)保溫。環(huán)冷機(jī)低溫段( 3號(hào)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(guò)高壓熱水交換器，回收低溫廢氣熱能與前段余熱鍋爐產(chǎn)生的次低壓蒸汽一起用于低溫OＲC發(fā)電，以提高余熱資源利用效率，余熱回收后的廢氣匯合環(huán)冷機(jī)低溫段( 4號(hào)排氣筒) 煙氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車面上的煙氣罩內(nèi)。以上各部分利用后剩余廢氣溫度更低沒有回收價(jià)值，考慮到其含塵濃度低，可以通過(guò)雙層階梯人形罩降塵后外排。

2   燒結(jié)環(huán)冷低溫廢氣余熱利用實(shí)施方案

2. 1   低溫段余熱回收利用工藝設(shè)計(jì)

低溫段余熱回收工藝包括閉式循環(huán)熱水系統(tǒng)、OＲC發(fā)電機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三部分組成，如圖2所示。燒結(jié)礦顯熱經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)前兩段雙壓余熱鍋爐回收后，至第三段時(shí)產(chǎn)生的廢氣溫度約150～220℃，進(jìn)入閉式循環(huán)熱水系統(tǒng)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(fēng)機(jī)送回至燒結(jié)機(jī)臺(tái)面參與熱風(fēng)燒結(jié)。為保證閉式循環(huán)熱水在換熱器內(nèi)過(guò)熱(＞100℃) 不被汽化，在閉式循環(huán)水泵進(jìn)口設(shè)置定壓補(bǔ)水裝置。

OＲC發(fā)電機(jī)組內(nèi)有機(jī)工質(zhì)吸收來(lái)自環(huán)冷機(jī)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(jī)工質(zhì)后冷凝成凝結(jié)水，這部分凝結(jié)水余熱可以由凝結(jié)水泵送給熱水用戶或者供給吸收式制冷機(jī)作為驅(qū)動(dòng)熱源產(chǎn)生冷量供冷用戶使用。

2. 2  低溫余熱OＲC發(fā)電設(shè)計(jì)參數(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)( Orgainc Ｒankine Cycle，以下簡(jiǎn)稱OＲC) 是以低沸點(diǎn)工質(zhì)吸收余熱介質(zhì)的熱量汽化，進(jìn)入透平膨脹做功，完成熱電轉(zhuǎn)換^［7］。OＲC系統(tǒng)由透平機(jī)、發(fā)電機(jī)、回?zé)崞鳌⒗淠鳌㈩A(yù)熱器、蒸發(fā)器及工質(zhì)泵等組成。有機(jī)工質(zhì)在預(yù)熱器、蒸發(fā)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(jìn)入透平機(jī)膨脹推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子做功，輸出電能。該項(xiàng)目的OＲC機(jī)組有機(jī)工質(zhì)首先在預(yù)熱器內(nèi)經(jīng)熱水預(yù)熱，再到蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)一步吸熱蒸發(fā)形成高溫高壓的有機(jī)蒸汽驅(qū)動(dòng)透平機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。經(jīng)透平后的有機(jī)蒸汽在回?zé)崞鲀?nèi)加熱來(lái)自冷凝器的的液體有機(jī)工質(zhì)以提高機(jī)組的熱效率。降溫后的有機(jī)蒸汽在冷凝器內(nèi)進(jìn)一步降溫冷凝成液體，然后由工質(zhì)泵升壓進(jìn)入預(yù)熱器及蒸發(fā)器內(nèi)被加熱蒸發(fā)，完成有機(jī)工質(zhì)的循環(huán)。在冷凝器內(nèi)的冷卻水吸熱升溫后進(jìn)入外部連接的冷卻塔冷卻，冷卻后的冷卻水由循環(huán)泵送回至冷凝器內(nèi)再次冷卻有機(jī)蒸汽，維持透平機(jī)出口壓力，使透平機(jī)旋轉(zhuǎn)將熱能轉(zhuǎn)換為電能。低溫余熱OＲC發(fā)電參數(shù)見表1。

2. 3   吸收式制冷機(jī)組

次低壓蒸汽將潛熱傳遞給OＲC機(jī)組有機(jī)工質(zhì)后冷凝為溫度約130℃凝結(jié)水，該凝結(jié)水作為吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源，產(chǎn)生冷量供燒結(jié)辦公樓及電氣室使用，以減少制冷所需電耗。以雙良集團(tuán)熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組為例，可配置一臺(tái)熱水兩段型溴化鋰機(jī)組，參數(shù)見表2。

3   預(yù)計(jì)節(jié)能效果

方案實(shí)施后預(yù)計(jì)低溫廢氣余熱OＲC機(jī)組年供電量為1440萬(wàn)kWh; 同時(shí)采用溴化鋰中央空調(diào)取代掛壁機(jī)和柜機(jī)的分散電空調(diào)方案，年運(yùn)行時(shí)間按1680h /a ( 按100d /a，利用系數(shù)0. 7) 計(jì)算，預(yù)計(jì)年節(jié)約制冷耗電量為34萬(wàn)kWh，合計(jì)節(jié)省電力1474萬(wàn)kWh。總節(jié)約4717tce，可降低工序能耗0. 64kgce /t。

4   結(jié)論

該系統(tǒng)與常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)相比，在不影響燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)的前提下，對(duì)燒結(jié)冷卻機(jī)的熱能進(jìn)行了進(jìn)一步的梯級(jí)利用，最大限度利用低溫余熱，減少?gòu)U熱對(duì)環(huán)境的污染的同時(shí)，獲得了額外的電能和冷量，提高余熱回收率。該方案技術(shù)可行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置合理; 達(dá)到了燒結(jié)工序節(jié)能減排的目的，降低燒結(jié)廠生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益環(huán)保效益明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

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

［2］ 鄭琨.燒結(jié)煙氣環(huán)保節(jié)能處理的工藝設(shè)計(jì)［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(jí)利用研究［J］． 寶鋼技術(shù)，2011，(6) : 15 － 19.

［4］ 趙斌，杜小澤等. 燒結(jié)旋冷機(jī)余熱梯級(jí)發(fā)電技術(shù)研究［J］． 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(8):37－43.

［5］ 李大偉，張曉敏.燒結(jié)余熱技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用［J］． 節(jié)能，2011，(6) : 59 － 61.

［6］ 李振玉，焦勇，孔令凱.濟(jì)鋼燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)與變頻節(jié)能［J］．變頻器世界，2011， ( 7) : 68－71.

［7］ 王華，王輝著.低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)［M］．北京: 科學(xué)出版社，2010.