長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電實(shí)踐

周勁軍,史德明,包自力,顧厚淳

(馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 項(xiàng)目概況

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，燒結(jié)工序能耗約占總能耗的10%～12%，其中冷卻機(jī)排放的廢氣顯熱約占20%～28%[1]。馬鋼集團(tuán)安徽長江鋼鐵股份有限公司建有3條192 m2燒結(jié)環(huán)冷生產(chǎn)線，燒結(jié)機(jī)配套3臺(tái)235 m2環(huán)冷機(jī)。為了能使環(huán)冷機(jī)余熱資源得到有效利用，由馬鋼集團(tuán)安徽欣創(chuàng)節(jié)能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰静捎肂OT模式承建了長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電項(xiàng)目：新建3臺(tái)22 t/h（7 t/h）雙通道雙壓式燒結(jié)余熱鍋爐；1套15 MW補(bǔ)凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，余熱鍋爐產(chǎn)生中壓蒸汽作為汽輪機(jī)的主蒸汽、低壓蒸汽作為汽輪機(jī)補(bǔ)汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。

該項(xiàng)目于2014年12月開工，2015年10月投產(chǎn)，經(jīng)過一系列攻關(guān)調(diào)試，年凈供電量達(dá)到7700萬kWh以上，噸礦發(fā)電量達(dá)到17 kWh以上，系統(tǒng)供電率達(dá)到77%以上，超過設(shè)計(jì)參數(shù)。

長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電實(shí)踐是馬鋼在總結(jié)中國第一套燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的又一次實(shí)踐創(chuàng)新。該項(xiàng)目成功實(shí)施，為國內(nèi)余熱利用項(xiàng)目的高效利用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)行業(yè)節(jié)能工作有著重要的意義。

2 項(xiàng)目實(shí)施過程

2.1 余熱情況調(diào)研

長鋼擁有3臺(tái)192 m2燒結(jié)機(jī)組，年產(chǎn)燒結(jié)礦約600萬t。每臺(tái)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)配有 4臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，高溫?zé)Y(jié)礦料經(jīng)過鼓風(fēng)冷卻后，約150～500℃煙氣經(jīng)2座直接式煙囪（高中溫段）及開放式煙罩（低溫段）外排。通過對(duì)其2座煙囪排出廢氣的溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試計(jì)算，確定192 m2燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收煙氣參數(shù)，見表1。

表1 余熱資源量

2.2 廢氣設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

設(shè)計(jì)采用雙溫?zé)煔鉄犸L(fēng)全循環(huán)方式，調(diào)研表明，當(dāng)冷卻介質(zhì)（空氣）初始溫度為50℃時(shí)，熱交換后的介質(zhì)初溫比常溫時(shí)的高15℃，而當(dāng)介質(zhì)初溫為120℃時(shí)，介質(zhì)初溫比常溫時(shí)的高45℃[2]?？紤]到熱風(fēng)循環(huán)將提高廢氣溫度，最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 雙溫雙壓余熱鍋爐用環(huán)冷機(jī)廢氣設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：（1）雙溫?zé)煔饣厥蛰斔腿h(huán)系統(tǒng)，每臺(tái)燒結(jié)機(jī)配備一套；（2）余熱鍋爐系統(tǒng)，每臺(tái)燒結(jié)機(jī)配備一套額定蒸發(fā)量為20.0/7.0 t/h的雙溫雙壓余熱鍋爐（350/220℃、1.45/0.5 MPa）；(3)汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，三臺(tái)余熱鍋爐配備一套。汽輪機(jī)為BN15-1.3/0.35型單缸、沖動(dòng)、補(bǔ)凝汽式；發(fā)電機(jī)額定功率為18 MW；(4)DCS集散控制系統(tǒng)及輔助設(shè)施等。

煙氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵從如下三原則：①煙氣余熱（溫度）的梯級(jí)利用理論，即高溫?zé)Y(jié)礦產(chǎn)生的高品質(zhì)過熱蒸汽、低溫?zé)Y(jié)礦產(chǎn)生的低品質(zhì)微過熱蒸汽，高溫優(yōu)先，保證余熱回收系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化效率最高；②采用熱風(fēng)全循環(huán)方式，即換熱后的余熱鍋爐煙氣全部送入循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后再對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻換熱，對(duì)余熱鍋爐排煙余熱進(jìn)行再利用；③煙氣平衡控制理論，保證高、低溫進(jìn)氣煙管總流量與循環(huán)風(fēng)機(jī)總流量平衡。

煙氣循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1。燒結(jié)環(huán)冷機(jī)高、低溫封閉式煙囪出口的煙氣分兩路進(jìn)入雙溫余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，廢氣溫度降至約130℃后，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)將全部煙氣經(jīng)煙道返回環(huán)冷機(jī)底部、冷卻燒結(jié)礦循環(huán)使用，經(jīng)余熱鍋爐換熱產(chǎn)生的中、低溫蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

圖1 煙氣系統(tǒng)流程圖

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備采用變頻控制技術(shù)：循環(huán)風(fēng)機(jī)、給水泵及凝結(jié)水泵等采用變頻控制，在滿足快速響應(yīng)調(diào)整同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（2）環(huán)冷臺(tái)車密封采用柔磁性鋼刷式密封技術(shù)：提高密封穩(wěn)定性同時(shí)，減少日常維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用。

（3）關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)選型及控制方式滿足實(shí)際操作需求：循環(huán)風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量大于設(shè)計(jì)參數(shù)30%、全壓提高到6500 Pa，各煙氣管路配有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并安裝相應(yīng)溫度、壓力、流量探頭，便于操作分析、調(diào)整。

（4）運(yùn)行控制通過燒結(jié)余熱發(fā)電智能控制系統(tǒng)(BP-CICS)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)：通過實(shí)時(shí)采集燒結(jié)、還冷生產(chǎn)數(shù)據(jù)及煙氣溫度情況，預(yù)測及自動(dòng)調(diào)整煙氣循環(huán)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，做到多發(fā)電和少耗電的最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)余熱資源利用的最大化。

3 運(yùn)行與完善

3.1 調(diào)試過程中出現(xiàn)的主要問題

該項(xiàng)目已于2015年10月投產(chǎn)。在調(diào)試初期以及運(yùn)行過程主要出現(xiàn)以下問題：

（1）燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)與余熱發(fā)電運(yùn)行脫節(jié)，燒結(jié)終點(diǎn)溫度控制無序，造成機(jī)組運(yùn)行起伏性較大；

（2）燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行方式存在不合理因素，導(dǎo)致煙氣溫度及流量偏低且波動(dòng)較大，沒有達(dá)

（1）提高燒結(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)的穩(wěn)定性及與余熱發(fā)電運(yùn)行的契合度

管理制度上保證燒結(jié)生產(chǎn)與余熱發(fā)電一體。在保證燒結(jié)原料供應(yīng)的穩(wěn)定性、入爐原料的均勻性、生產(chǎn)調(diào)度的穩(wěn)定性、設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面的同時(shí)，嚴(yán)格控制燒結(jié)終點(diǎn)溫度，保證燒結(jié)礦熱源的穩(wěn)定性。通過控制，環(huán)冷入料溫度由約350℃提高到430℃以上。

（2）優(yōu)化燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)控制方式

①采用煙氣系統(tǒng)分段全循環(huán)運(yùn)行方式（見圖2）。即換熱后的余熱鍋爐外排熱煙氣（約130℃）僅對(duì)高溫?zé)Y(jié)礦進(jìn)行換熱，而低溫?zé)Y(jié)礦換熱段僅通過冷卻鼓風(fēng)機(jī)利用環(huán)境空氣進(jìn)行換熱并實(shí)現(xiàn)煙氣平衡。此運(yùn)行方式不僅可以最大限度實(shí)現(xiàn)能級(jí)梯級(jí)回收利用，而且可以防止高溫?zé)Y(jié)礦低溫猝冷造成燒結(jié)礦粉化、影響燒結(jié)礦質(zhì)量。到設(shè)計(jì)額定發(fā)電量，余熱回收效果欠佳；

圖2 分段熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)控制原理圖

（3）汽輪機(jī)真空度惡化；

3.2 改進(jìn)措施

通過采用煙氣系統(tǒng)分段全循環(huán)運(yùn)行方式，循環(huán)風(fēng)機(jī)出口壓力由5000 Pa以上降低至約500 Pa。高溫段回風(fēng)溫度提高到120℃以上，高溫段煙氣溫度提升約50℃且波動(dòng)性減小；

②減少煙氣系統(tǒng)阻力，提高換熱效果。調(diào)整燒結(jié)環(huán)冷機(jī)料層厚度由約1.3 m至約1.0 m，保證循環(huán)風(fēng)機(jī)出口壓力在1000 Pa以內(nèi)。

③防止高溫?zé)崃苛魇?。將燒結(jié)礦下料處至機(jī)尾除塵煙道關(guān)閉，引導(dǎo)高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱回收系統(tǒng)；控制集氣風(fēng)罩處煙氣壓力保持微負(fù)壓狀態(tài)，防止熱風(fēng)外溢及冷風(fēng)大量吸入。

④提高鍋爐壓力、停止鍋爐減溫減壓裝置，提高進(jìn)汽溫度至350℃左右。

⑤調(diào)整循環(huán)水系統(tǒng)加藥模式等措施，提高冷凝器換熱效果，汽輪機(jī)真空度達(dá)到-0.93 kPa以上。

通過調(diào)整，運(yùn)行工況得到明顯改善，余熱鍋爐蒸發(fā)量超過額定22 t，蒸汽溫度提高20℃以上，排煙溫度降低20℃以上。就離汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)組最遠(yuǎn)的3#余熱鍋爐而言，單爐運(yùn)行發(fā)電功率由約1500 kW提升到約5000 kW。

4 實(shí)施效果

通過攻關(guān)調(diào)試，在正常生產(chǎn)情況下，長鋼燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量由每天不足25萬kWh提高到35萬kWh以上，平均發(fā)電功率由不足12 MW提升到15 MW以上（最高達(dá)到18 MW以上）且穩(wěn)定性提升，供電率由不足70%提高到75%以上，噸礦發(fā)電量由不足12 kWh提升到16 kWh以上，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，詳見表3 2016、2017年長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電統(tǒng)計(jì)表。

表3 2016、2017年長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

長江鋼鐵燒結(jié)余熱發(fā)電實(shí)踐是馬鋼在總結(jié)中國第一套燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)（馬鋼二鐵帶冷機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)）實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的又一次實(shí)踐創(chuàng)新，為國內(nèi)余熱利用項(xiàng)目的高效利用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)行業(yè)節(jié)能工作有著重要的意義。

（1）通過采用分段熱風(fēng)循環(huán)、燒結(jié)余熱發(fā)電智能控制系統(tǒng)(BP-CICS)等創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了余熱回收效果的高效性、穩(wěn)定性。

（2）通過采用BOT（建設(shè)、運(yùn)用、移交）實(shí)施方式，做到了設(shè)計(jì)、施工、操作、維護(hù)專業(yè)化、精益化，為余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。

（3）全年凈供電量達(dá)到7700萬kWh以上，系統(tǒng)供電率達(dá)到77%以上，年綜合經(jīng)濟(jì)效益5000萬元以上，并取得了良好的社會(huì)效益。