高光星
（上海寶鋼節能環保技術有限公司，上海201999）
摘要：燒結余熱發電技術是利用燒結環冷機生產過程中產生的高溫煙氣進行余熱回收，通過鍋爐系統產生蒸汽，再由汽輪機進行發電，發電可應用于企業內部生產。由于煙氣的循環利用，在回收生產過程產生的大量余熱的同時，也減少了燒結環冷機原高溫煙氣對環境的熱輻射及粉塵污染。對余熱發電系統運行過程中出現的一些問題,如環冷機密封改造效果不佳、余熱發電波動較大等進行分析和總結，并進行改進和完善，以提高發電效率。
關鍵詞：燒結環冷機；余熱鍋爐；汽輪發電機；余熱發電
鋼鐵工業是國民經濟重要基礎產業，鋼鐵企業也是耗能大戶，鋼鐵業能源消耗量約占全國工業總能耗的15%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業排放總量的14%和17%，是節能減排的重點行業。在鋼鐵企業中，燒結工序能耗是僅次于煉鐵的第二大耗能工序，占總能耗的9% - 12%。燒結工序中會產出大量的溫度在250?450℃的燒結機煙氣和環冷機廢氣,這些煙廢氣每小時可達幾十萬立方米,含塵濃度約達3 g/m3,帶走了燒結工序中50%的熱能，如果直接排入大氣，不僅浪費能源,也對環境造成嚴重的粉塵污染和熱污染。從環境保護的角度看，余熱發電完全利用燒結生產過程中產生的廢氣余熱作為熱源，整個發電過程不需要燃燒燃料（煤、油、燃氣），因此, 對大氣環境不增加任何污染物（粉塵、NO-和SO2）的排放，而且余熱鍋爐還能起到收塵和降溫作用,降低了燒結生產廢氣中的粉塵排放濃度和氣體溫度，對減少溫室效應、保護生態環境起著積極的促進作用。近年來，隨著我國燒結機的大型化和低溫煙氣余熱鍋爐技術、低參數補汽凝汽式汽輪發電機組技術不斷發展和日臻完善，燒結余熱發電已在全國大中型鋼鐵企業得到推廣。
1燒結余熱發電技術及應用
本文以寶鋼節能公司EMC項目寶武集團某燒結廠為例,簡述余熱發電技術的應用。
1.1余熱條件
該燒結廠現有2臺265 m2燒結機，其環冷機有效冷卻面積分別為280、360 m2；1臺430 m2燒結機，其環冷機有效冷卻面積為530 m2。本項目回收3臺環冷機的低溫煙氣余熱集中進行發電，以達到資源綜合利用、節能降耗并為企業提供部分能源補充的目的。
1.2現場標定燒結生產線的數據
現場標定燒結生產線數據見表1。煙氣量工況波動按-20%?+10%考慮，煙溫按±20 K考慮。煙氣成分為N2、O2、H2O,其中N2占78%、O2占21%、H2O占1% （均為體積分數），煙氣含灰量為3g/m3，成分為鐵礦石燒結熟料，粒徑為100μm。
1.3煙風系統
燒結機組余熱鍋爐的循環風機出口回風通過環冷機被加熱后 分別通過切換擋板門引入到煙道。I、II段煙氣分別引入到余熱鍋爐高溫側入口（其中1區段煙氣在進入余熱鍋爐之前先經除塵器除塵）和低溫側入口，通過余熱鍋爐換熱后，通過循環風機回送入環冷機I、II段風道，原來兩臺冷卻風機停機。當余熱鍋爐故障時，切換擋板門關閉，煙氣排空，環冷機需要的冷卻風由原有環冷鼓風機供應。
循環風機入口前需要補充一定量的冷風，此風量按照20%?30%泄漏率來確定，若環冷機泄漏率變大或環冷機出口礦料溫度過高，可通過調節冷風進口的電動調節裝置調節進風量?？紤]到燒結環冷機的燒結料量的變化和燒結量厚度對熱煙氣循環風機運行的影響,循環風機通過液力耦合器調速進行調節，根據環冷機運行工況的變化情況及煙罩上方壓力進行遠程控制。
煙風系統采用兩段取風、閉路循環系統，見圖1。
為充分利用高、低溫段廢氣的余熱,余熱鍋爐采用雙通道結構,實現能量梯級利用,保證最大化回收利用余熱資源。
1.4主要設備參數
本系統由鍋爐余熱系統及輔機、汽輪機發電機及輔機構成。
汽輪機的主要參數：型號為BN30 -1.8/0.4 （a），型式為補汽凝汽式，額定容量為30 MW,設計工況高壓汽進汽量為120 t/h，高壓汽最大進汽量為130 t/h,設計工況高壓進汽壓力為1.8 MPa, 設計工況高壓汽溫度為340 l ,高壓汽最高進汽溫度為400 l，高壓汽最低進汽溫度為280 l，高壓汽溫度變化速率％5 K/mi,設計工況低壓補汽量為40 t/h，設計工況低壓補汽壓力為0.4 MPa, 設計工況低壓補汽溫度為190 l ,額定排汽壓力為0.007 MPa,額定轉速為3000 r/min,轉向為順時針。
發電機型號為QF - K33 -2,額定功率為33 MW,額定功率因數為0. 80（滯后）,額定頻率為50 Hz,額定轉速為3 000 r/min,額定電壓為10.5 kV,冷卻方式為空內冷，勵磁系統為無刷勵磁，最大超負荷能力為10%。
3#鍋爐高參數段額定蒸發量為65 t/h,額定蒸汽壓力為1.8 MPa,額定蒸汽溫度為360 l %低參數段額定蒸發量為20 t/h,額定蒸汽壓力為0.4 MPa,額定蒸汽溫度為180 l。
1.5熱力系統
1.5.1 余熱鍋爐的汽水系統
3臺余熱鍋爐均設計為帶汽包的立式自然循環鍋爐,采用雙壓系統，其給水分為兩路,一路為高壓給水,另一路為低壓給水。從汽機房過來的補水由補水泵加壓后進入預熱器,被加熱成飽和水進入低壓汽包（除氧器），從低壓汽包（除氧器）分兩路，一路直接進入低壓省煤器，另外一路通過給水泵進入高壓省煤器。進入高壓系統水經過鍋爐內部循環被加熱成2.0 MPv、350 l過熱蒸汽； 進入低壓鍋爐汽包的飽和水被加熱成0.5 MPa、200 l過熱蒸汽，兩個壓力等級的蒸汽分別進入30.0 MW汽輪機高壓端和低壓端做功發電。
1.5.2 工藝流程
本工藝系統流程見圖 2。
1.6環冷機改造
燒結余熱發電的熱源主要來自于環冷機產生的熱煙氣,環冷機的密圭封性能直接影響到余熱發電的效率 對環冷機密封改造和煙罩及保溫改造尤為重要。
1.6.1 環冷機密封改造
針對環冷機漏風點 設計了相應密封技術改造形式，以達到降低環冷機漏風率、提高余熱利用效率的目的。設計中考慮了制造、安裝、檢修維護的便利性和運行的可靠性。
（1）臺車與風箱之間的密封。
環冷機臺車與風箱之間的漏風一般達到30%以上，是環冷機的主要漏風點,其影響到燒結礦的冷卻效果，同時也會使余熱發電的設計風量不足。
由于本項目燒結環冷機余熱煙風系統采用閉式系統，鼓入風箱的煙氣是余熱鍋爐利用完之后的熱空氣，其溫度在100 - 150℃之間，與原鼓入的環境空氣相比，有著較高溫度。環冷機原有密封采用彈性橡膠進行雙層密封，本方案將結合原有特點，將內層彈性橡膠更換為耐溫的彈性材料, 并對原有的破損外層彈性橡膠進行更換,從而有效降低臺車與風箱之間的漏風率。
(2) 臺車與煙罩之間的密封。
原燒結環冷機臺車與煙罩之間采用了薄鋼板進行直接密封，之間存在一定間隙，為了進一步降低高溫余熱煙風的漏風率,本工程將對這部分重新設計改造,臺車與煙罩之間的空隙采用柔性耐高溫材料制成的鋼絲刷與臺車配合進行密封，使鋼絲刷與臺車配合形成柔性接觸動密封,從而實現可靠、有效的動密封形式。
(3) 煙罩端部及中間擋板。
針對取風段煙罩兩端漏風及各段間串風的問題，本項目采用固定板+翻板的形式。在距離臺車側欄水平高度約0.5 m以上的煙罩端部及隔斷板上部安裝1塊固定鋼板，同時在該固定鋼板上安裝由多塊耐磨材料制成的可活動的翻板，每塊翻板與固定鋼板之間采用鉸鏈進行連接固定。
(4) 風箱端部密封。
風箱端部的密封主要分為兩部分:落礦端風箱端頭和余熱利用部分的尾部風箱端，該部分主要存在風箱與風箱的串風現象，使得利用完之后的100 -150 ℃循環風出現向非余熱利用段的風箱漏風的問題，從而不利于煙氣循環利用技術的應用。
本項目將在這兩風箱端部直接采用鋼板進行隔斷，在風箱之間結合處的箱梁上安裝擋板，鋼板上端安裝多塊鋼刷,以減小與臺車底部之間的間隙。
(5) 臺車與車輪。
本工程采用鋼板和彈性橡膠結合進行接觸式密圭寸，密圭寸板與密圭寸面間隙應保持在0~2.5 mm, 以免接觸過大，在環冷機臺車卸礦時增大整個環冷機底板的摩擦阻力，不利于卸礦。
1.6.2 煙罩及保溫改造
由于原有環冷機煙罩采用普通鋼板，同時煙罩密封段是整體連接結構,在原有運行中僅是聚集高溫煙氣，部分回收利用于熱風燒結,部分通過煙囪進行排放，同時煙罩無保溫裝置，使得煙罩的散熱損失非常嚴重。
為了充分回收環冷機的余熱，使高溫余熱煙風更好地輸送到余熱鍋爐，降低煙罩內余熱煙氣的散熱損失，同時減少煙罩內余熱煙氣高溫段與低溫段氣室之間的串風率,本項目將對環冷機煙罩進行改造，具體如下：
(1) 本設計煙風系統采用了兩段取風方式, 在第一段的前端是燒結的落礦端,該處煙氣溫度較高，在400 ~ 500 ℃之間，因此，該部分煙罩將考慮改造為耐高溫的鋼板進行重新安裝。
(2) 原有煙罩密封段是整體連接結構形式, 上余熱發電項目之后,根據結構形式與余熱取風段角度,將煙罩設計劃分成多段，每段煙罩之間連接處安裝熱膨脹用的伸縮節，防止煙罩由于熱脹冷縮而引起變形甚至脫落。
(3) 由于原有煙罩無保溫，造成了大量熱量的散失，本設計將在保證環冷機礦料正常冷卻效果的前提下,對密封段的煙罩進行外保溫,外保溫材料采用硅酸鹽棉氈和鍍鋅鐵皮。
(4) 根據不同生產區域增補相應密封煙罩及煙風管道。
(5) 為防止熱量損失，提高余熱回收利用效率，本項目對環冷機排放煙囪也進行保溫,保溫至與余熱煙風接口處。
2后續存在問題及改進方法
該項目自2013年試生產后從2014年正式進入效益分享期，從項目運行到現在，夏季發電，冬季供熱,降低了燒結廠噸礦能耗指標，也為夏季整個生產能源平衡發揮了巨大作用,原放散的煤氣現在可以通過燃氣鍋爐產生蒸汽，再發電,節約了整個生產體系能源消耗。但通過這幾年的運行也暴露了一些問題，發電效率沒有達到設計值，由于燒結生產的不穩定性導致環冷機停機較多，發電波動較大甚至是停機。
針對本余熱發電系統的問題，在運行后陸續進行了改善,對環冷機的機械密圭寸進行改造,使煙氣漏風率得到極大的降低,增加一路中壓蒸汽補汽回路，平緩了因燒結機生產不穩定導致的發電波動大的問題,解決了夏季整個煤氣平衡的問題,減少了煤氣排放,節約了能源。
2.1環冷機煙罩密封損耗大
在長時間高溫環境的運行下,環冷機不同程度地存在迥轉框架變形,焊縫開裂，側輥、曲軌、磨擦輪、臺車輪磨損嚴重等問題,從而導致環冷機臺車跑偏、臺車輪啃軌，同時，由于環冷機密封罩長期在高溫下運行導致各部件間縫隙加大,進而增大了環冷機漏風率。原設計的風罩密封用高溫鋼刷與臺車攔板接觸，防止冷風的竄入，但實際運行下來鋼絲刷磨損嚴重，導致大量高溫煙氣泄漏，漏風情況見圖3 (a)，導致鍋爐進氣量不足，蒸汽產量下降。為此我們對此密封進行了技術改進，采用新型的鱗片密封技術，見圖3 (b )，大大降低了漏風，也改善了周邊環境，鍋爐的產汽量同比提高20%左右。
2.2環冷機下風箱積灰嚴重
由于余熱鍋爐尾部煙道出口對著環冷機，環冷機的料礦經常堵住余熱鍋爐出口煙道,積料積灰情況見圖4、5 ,不清理或是不及時清理將影響煙氣閉式循環，影響鍋爐產汽量；同時，考慮到環冷機煙塵含量較高,如不及時清理將影響鍋爐受熱面的換熱效果,影響鍋爐效率,在現場加強了運行管理,制定生產放灰制度,加強考核。
2.3燒結生產連續性不夠
燒結余熱主要來自熱燒結礦所攜帶的物理顯熱，只有當煙氣回收段連續不斷地有燒結礦通過時,燒結余熱才能成為一種連續的熱源，若燒結礦物流中斷或不正常,整個余熱回收系統的熱源也就中斷了。實際生產中，燒結經常由于設備原因或是物料平衡原因，生產連續性較差，環冷機短時間的停機很難避免,導致鍋爐蒸汽波動較大，有時直接迫使汽輪機停機。而從發電機解列到恢復最短也需要2 ~3 h,此時余熱都被浪費了，而熱力設備的頻繁起停將直接影響其使用壽命，同時也增添設備故障發生的概率。
為此我們設計了雙向供汽方案，由廠區主管網引取3.83 MPa、435 l蒸汽20 -50 t/h,經減壓至1.8 MPa,經混合段與余熱鍋爐的蒸汽并汽匹配后，形成溫度340℃l的蒸汽送入燒結余熱30 MW補汽式汽輪機，這不僅大大降低了停機頻 率,也提高了發電效率。
2.4凝汽器容易堵塞
本項目采用自然通風雙曲線冷卻塔對循環水進行冷卻，由于冷卻塔處在煤料場附近，刮風的時候會有煤灰及粉塵吹進冷卻塔內，隨著循環水進入凝汽器,時間長了就會在凝汽器銅管壁附著，造成換熱效率降低，真空度下降，影響發電效率。為此后續通過在冷卻塔周邊安裝防塵設施，隔絕粉塵污染，保證循環水的旁濾設施完好投入使用,定期疏通凝汽器,在夏季凝汽器也保證了高度真空, 使蒸汽中所含的熱量盡可能被用來發電。
3結束語
環冷機低溫余熱發電是一項利于環保、利于企業節能的項目，在國內的很多鋼鐵廠都得到了應用。通過這幾年的運行情況看,余熱發電的技術是不斷進步的,技術關鍵點是整個過程的熱量要能被充分利用,降低漏風,提高運行水平,標準化操作,對設備要進行精細點檢,做好檢修計劃,搶修響應及時,提高設備運行時間,最大化利用余熱，最大化運行時間。