鄧有勝，吳丹偉，譚奇兵
摘要 ：統計顯示，在冶金總能耗中，10% ～ 12% 的消耗都出自于燒結工序，在總能耗熱能中，接近一半都是其排放的余熱，越來越多的企業開始注意到高效回收與借助燒結排放的低溫煙氣余熱。在進行燒結礦生產時，尤其是燒結礦由鼓風式環冷機進行冷卻時，會有溫度在 250℃～ 380℃左右的低溫煙氣排放出來，在燒結礦熱耗量中，其熱能量占到了 30%。針對產生于燒結礦冷卻過程中的大量低溫煙氣展開余熱回收，勢必能夠把燒結礦生產過程的能源利用率大幅提高，讓工序能耗顯著降低，在實現企業經濟效益最大化的同時，控制排放煙氣熱、塵，盡可能的避免破壞大氣環境。本文從防城港鋼鐵基地 500m2 燒結環冷機余熱資源特點及項目實際供汽需求出發，通過對比雙煙氣進氣單壓系統、單煙氣進氣單壓系統下環冷機余熱鍋爐的額定蒸發量和熱效率，選定了本項目環冷機余熱鍋爐的最優熱力系統，同時對余熱鍋爐煙風系統設計過程中的取風、回風方式，煙風道保溫形式等進行了論述，并提出了相關建議。
關鍵詞 ：燒結余熱回收 ；環冷機余熱鍋爐 ；燒結余熱煙風系統
燒結工序能耗約占整個鋼鐵企業總能耗的 9% ～ 12%，在燒結生產過程中有 50%左右的熱能以燒結煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣。根據相關統計數據，目前我國燒結工序余熱回收利用率尚不足 30%，另外我國重點鋼鐵企業的燒結工序能耗平均值為 64.83kgce/t，與國外先進水平相比，能耗高 7.2%，差距相當大。
因此，廣西鋼鐵集團有限公司在規劃防城港鋼鐵基地一期一步建設 2臺 500m2 燒結機的同時，為了節能降耗擬對燒結工序的環冷機、大煙道等余熱進行回收利用，并采用 2 臺燒結機大煙道余熱鍋爐 +2 臺環冷機余熱鍋爐建設模式。其中，環冷余熱鍋爐產生的蒸汽優先通過降壓或直接用于燒結機及燒結煙氣凈化工程蒸汽利用設施，其余蒸汽送至廠區蒸汽管網。
對于傳統燒結余熱回收項目，環冷機鍋爐一般采用雙進氣雙壓系統并配套補汽凝汽式汽輪發電機組，而根據本項目實際需要，僅需環冷鍋爐連續產出一種參數的過熱蒸汽供給管網，另外需考慮外送間斷用蒸汽的設計。而本項目 500m2 環冷機屬于大型環冷機，且采用水密封的方式，因此煙溫、煙氣量較一般燒結環冷生產線稍高，其中環冷機 1 段、2 段的設計煙溫能夠達到550℃和 450℃。針對以上總體規劃，如何合理的設計環冷余熱鍋爐熱力系統，使余熱鍋爐及其附屬設施安全高效運行，并能夠適應燒結主線生產和蒸汽外網負荷的波動是決定余熱工程成功與否的重要因素。
1 燒結余熱回收系統的分析方法
如今，節能減排工作已在大范圍內開展，如果還是以基于熱力學第一定律的焓分析法來對能量的利用情況做出評價，勢必無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，不能將能的質的改變體現出來，在此情況下便出現了?分析法。
半世紀以來，全球范圍內的一項熱門課題便是?分析的發展，而之所以會這樣同人們不斷增長的能源短缺與節能意識有很大關系。1956 年，Rant 以“exergie”一詞來對?參數進行描述，獲得大部分人的認可。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，得到了學術界同仁們的一致認可。現階段，在各類問題的研究中，?分析法的應用也非常普遍。
陳莉對一臺 410t/h的電站鍋爐展開了?分析，其發現排煙?損失與機械不完全燃燒?損失是電站鍋爐的最大外部?損失，在此基礎上其研發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）評價了柴油機的用能情況，了解了內燃機的熱量分布情況，也將?分布隨負荷的變化規律掌握。
王倩通過結合 LUENT數值模擬軟件和?的相關理論，對燃煤鍋爐爐膛內部的煙氣?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電系統，在評價系統熱經濟性把?回收率當做主要指標，著重優化設計了閃蒸余熱發電系統的幾個熱力參數。
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?的影響展開了深入研究，研究結果表明 ：當氣候較為寒冷時，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和?損失的原因展開了進一步分析，并發現粘性耗散、導熱、質量擴散和化學反應是導致燃燒過程中出現不可逆損失的主要原因，而化學反應更是引發預混合火焰中?損失的“罪魁禍首”，熱傳導則是擴散火焰中造成?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，得到了這樣的結論，即通過將入口預熱空氣的溫度及壓力提高，可促進?效率的明顯提高
除此之外，還有很多專家學者借助?分析法研究了各類能量問題，且獲得的經濟效益都非常好。
2 工藝簡介
燒結余熱回收系統主要由兩部分構成，分別是煙氣回收系統、余熱鍋爐系統。其原理在于經環冷機排出的高溫煙氣在被混合后，利用配置的高效余熱蒸發器進行熱交換，會有 At/h 的飽和蒸汽與 Bt/h 的低壓蒸汽出現。借助能量轉換把降低燒結礦外排煙氣的平均溫度，即由 350℃變為 150℃，再利用引風機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冷一段、二段進行回收，設置封閉式煙罩，在其內部上方安裝內絕熱煙罩，并分割為兩段，分別是高溫煙氣段、低溫煙氣段。兩個區段內均要設置一座煙囪，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導入煙氣，而當余熱鍋爐處于停止運行的狀態是，把煙氣進入余熱鍋爐的通道關閉，利用機上煙囪向大氣排入環冷機煙氣（如圖 1）。
3 設計方案比選優化
3.1 鍋爐熱力系統
根據防鋼基地一期項目總體規劃，需要環冷機鍋爐產出1.3MPa，300℃的過熱蒸汽送至廠區管網作為全廠工業用汽 ；此外環冷鍋爐還需要考慮產出 1.3MPa，350℃的過熱蒸汽作為燒結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。
對于常規燒結環冷機余熱鍋爐來說，為了達到能源梯級利用的目的，一般采用雙壓雙進氣系統，即根據環冷機 1段、2段不同的煙氣溫度，設置 2套不同壓力的受熱面，分別產出中壓蒸汽和低壓蒸汽，送至補汽凝汽式汽輪發電機做功，這樣做的目的是由于環冷機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煙氣顯熱，有效降低排煙溫度，在余熱鍋爐熱力系統設計時通過增加鍋爐尾部換熱面以便實現鍋爐熱回收效率的最大化。但本項目無低壓蒸汽用汽需求，有兩種熱力系統可供選擇 ：①將環冷機 1段、2段煙氣在進入鍋爐前提前混合后再送入鍋爐 ；②仍然采用雙壓系統，但低壓段不設置過熱器，低壓蒸發器僅作為環冷機鍋爐的自除氧汽包的熱源使用。根據本項目燒結設計固體燃耗及密封型式，確定煙風參數如下表 1所示。
進環冷機鍋爐的煙氣成分按照含塵空氣考慮，含塵量為2g/Nm3。經計算分析，當余熱鍋爐高壓段蒸發器的窄點溫度和省煤器接近點溫度均為 15℃時，單進氣單壓鍋爐的設計產汽量為85.1t/h，排煙溫度為 152.1℃，而雙進氣單壓鍋爐的額定產汽量為 87.9t/h，排煙溫度為 145.3℃，詳見表 2。
可以看出，對于僅產出一種參數蒸汽的本工程來說，雙進氣系統從鍋爐產汽量，鍋爐熱效率方面均優于單進氣系統，由熱力學第二定律可知，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選定時，應遵循兩個原則 ：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。
對于本項目鍋爐低壓段熱力系統，因未設計產汽，當燒結主線生產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，而低壓蒸發器僅作為自除氧汽包的熱源，因此在設計時要考慮除氧器排氧門的排放能力及調節能力。
本項目還需要考慮去燒結生產及脫硫系統硫銨結晶的一路蒸汽的設計，考慮其間斷使用的特性，為其單獨設置一組過熱器顯然不合理，因此考慮在鍋爐主蒸汽出口設置一處供汽旁路，而減溫系統與主蒸汽減溫水系統獨立，以免造成汽溫調節時的互相干涉，對兩路蒸汽的汽溫精準操控，這不僅有利于燒結混料預熱的工藝調節，對于后期可能新建的燒結汽輪發電機組來說也是必須的。
3.2 煙風道系統設計要點
環冷余熱鍋爐的熱力系統選定后，需要對煙風道做針對性的設計，因 500m2 燒結環冷機為大型環冷機，環冷機的回轉中徑為 58m，臺車寬度 3.5m，1 段和 2 段的取風、回風方式是否合理，直接影響到進入鍋爐煙氣顯熱能量的多少和品質。
綜合考慮含塵煙氣磨損、管道積灰因素以及煙風阻力的影響，以及臺車煙罩寬度受限，考慮 1 段、2 段主煙道的通流內徑設計為 DN4400 和 DN4000，此外為了保證在設計溫度下的進鍋爐的工況煙氣量，每段煙罩分別選定 3 段支煙管取煙，通流內徑為 DN3700。對于燒結環冷余熱鍋爐的產汽出力，同樣的煙氣熱焓，煙溫的影響因素遠大于煙氣量，因此為了盡可能的實現高溫取煙，在不影響原有燒結除塵管道及熱風點火管道的布置前提下，將各段取煙點盡可能的靠前，選定環冷 1 段取煙口分別開在3#，4#（1 段煙囪口）及 5# 風箱上部正對的煙罩處，環冷 2 段取煙口開在 3#，4#（2 段煙囪口）及 5# 風箱上部正對的煙罩處，同時在 4# 軸、9# 軸、14# 軸處設置煙罩隔斷板，明確區分 1 段、2 段不同品味的煙氣熱源。
對于鍋爐回風系統，采用煙氣再循環系統，可使得鍋爐入口熱廢氣的溫度提高約 50℃，風機采用變頻方式調節，同時充分考慮風機葉輪及機殼的耐磨，選用 10mm 厚以上碳化鉻堆焊層作為耐磨板，同時在機殼內側內襯耐磨陶瓷 ；采用 4 段回風的方式，每段回風管道上設置有電動調節閥，優先保證環冷 1 段可以得到充分的熱風再循環，使實際運行過程 1段煙溫盡可能的提高，進而產出更多的蒸汽，同時避免低壓段除氧加熱蒸汽富裕被迫放散。在回風母管上還需設置煙氣對空排系統，當環冷機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約投資，將對空排煙道接至環冷 2 段煙囪對空排電動閥后。在鍋爐 1 段、2 段煙氣主管上設置重力式除塵器，減少鍋爐及循環風機設備的磨損，同時在每段主管上設置摻冷風管，防止煙道超溫。
環冷鍋爐煙氣系統詳見圖 2。
3.3 煙風道保溫方式選定
由于本項目 1 段，2 段設計煙溫分別為 450℃和 350℃，而尖峰溫度分別可以達到 550℃和 450℃，這已經超過了常用低合金結構鋼 Q345的極限耐受溫度，為了解決這一問題，有兩種方案：①采用更高規格的鋼材（耐溫等級在 15CrMo以上），②選擇內保溫的方式 ；因鍋爐煙風道的管徑大，煙風路由較長，若采用高規格鋼材作為煙風道材質，會造成投資的大幅增加，代價巨大，因此選用煙道內保溫的方式，在管道內側敷設 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 其他優化方向
對于本項目 500m2 大型燒結生產線，采用 5 段式環冷機工藝，除了將常規的環冷 1 段、2 段冷卻廢氣用于余熱鍋爐產汽或發電外，還可將溫度居中的環冷機 3 段廢煙氣用于熱風燒結、點火助燃等工序。在此基礎上，還可以將直接余熱回收價值不大的煙溫在 200℃～ 250℃的環冷 4段廢煙氣作為溴化鋰制冷的補充能量，實現小型的熱電冷聯產技術 ；也可將環冷機 4 段廢氣熱量作為有機朗肯循環的補充能量，新建小型 ORC 發電機組，作為燒結余熱電站的輸出電力補充，共同供給燒結生產使用。
5 結論
（1）針對本項目單參數蒸汽的規劃需求，根據“溫度對口，按質用能”的原則，通過比選計算，為本工程選定了雙進氣單壓的熱力系統，實現了燒結余熱回收端與利用段“量”與“質”的匹配，對環冷機余熱進行了最大限度的回收。
（2）為了保證既定熱力系統的預期回收效果能夠在實際運行中得以實現，通過采取熱風循環系統，恰當選定取風回風口及煙罩隔板位置，并考慮除塵措施及與燒結主線配合調整等問題，對煙風道工程設計的諸多要點等進行了針對性的優化。
（3）選用內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機生產線可能存在的壁溫超限及管壁磨損的問題，采用較高規格的 304 外保溫護板可以提高煙道及鍋爐系統保溫使用壽命，減少散熱損失和保溫工程維護工作量。
（4）本文還提出了針對大型環冷機 3 段，4 段低品位煙氣顯熱可行的余熱回收技術路線，對大型燒結環冷機余熱資源的全面回收工藝有一定的推廣意義。