包文槐
(杭州钢铁集团公司浙江杭州310022)
摘要：烧结和冷却机热废气含有中低不等余热，回收利用这些余热，不消耗任何燃料，属于余热回收型的环保型、节能型电站，没有燃料供应问题，并且对企业效益有着重要的意义。该工程是回收利用180m2和105m2二台并列布置烧结机环（带）冷机烟罩废气中的余热，将废气通过余热锅炉产生的蒸汽用于汽轮发电机发电，利用2台余热锅炉和1台汽轮发电机组，利用中低温的废气产生蒸汽，来推动汽轮机组做功发电。可供烧结厂进行节能降耗改造时加以参考和借鉴。
关键词：烧结；回收余热；发电技术；研究
引言
在钢铁生产过程中，烧结工序的能耗约占总能耗的10％，仅次于炼铁工序，位居第二。在烧结工序总能耗中，有近50％的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气。由于烧结环冷机废气的温度不高，以往被人们对这部分热能的回收利用重视不够。但实际上大有文章可做，因为烧结废气不仅数量大，而且可供回收的热量也大。低温余热发电技术是利用中低温的废气产生低品位蒸汽，来推动低参数的汽轮机组做功发电。其与火电发电相比，不需要消耗一次能源，不产生额外的废气、废渣、粉尘和其它有害气体。它是当前工业企业节能和环保要求下的必然趋势和产物，具有充分利用低温废气以达到变废为宝，净化环境的目的。
1、工程概述
工程建设位于杭州市半山区杭州钢铁（集团）公司炼铁厂区内，180m2烧结机和105m2烧结机附近空地。两台烧结冷却机余热利用对应两套余热锅炉和一套汽机主厂房及循环水站。占地约4000m2。该置留有环冷机、烧结机尾星轮、除尘管道及发电系统设备的检修通道，本厂址与钢铁厂的厂区道路相连，交通运输方便；用地范围内有地下或地上障碍物需要拆除。1x20/5.5t/h+1x26/6t/h双压余热锅炉配1x12MW补汽抽凝式汽轮发电机组；根据国家关于综合利用二次能源及保护环境的政策规定和杭钢生产的需要，新建杭州钢铁股份有限公司烧结余热回收利用工程。其建设必要性为：
1）回收利用烧结冷却机烟气余热发电，减少杭钢自外网的购电量。
2）回收利用烧结冷却机烟气余热发电，降低杭钢烧结工序能耗。
3）采用烟气再循环，减少烧结冷却机烟气向空排放，从而减少温室气体的效果。
4）有利于其他可持续目标的实现：减少当地由常规火电厂带来的SO2、粉尘之类的大气污染物；减少对于化石资源的开采和消耗，促进资源节约；有助于改善当地的能源结构，提高能源安全。
2、烧结余热特性
烧结生产过程可被回收利用热量是烧结机烟气显热，利用180m2和105m2烧结机环（带）冷机烟罩废气中的余热，将废气通过余热锅炉产生的蒸汽用于汽轮发电机发电。共有1套180m2烧结机环冷机和2套105m2烧结机带冷机，烧结烟气平均为温度一般不会超过350℃，所含量显热约占总热量24%，机尾烟气温度分部高达380℃。冷却机废气温度在250～450℃之间变化，其显热约占总热量28%。这些热源具有的基本特点如下文所述。在生产过程中，有近50%的热能以烧结烟气和冷却机废气的显热形式排入大气。
2.1烧结机尾烟气余热资源
据相关数据测试，烧结机尾部起相对于烧结机长度约1/3的等范围内，烧结机风箱烟气温度达300～380℃，甚至更高，但由于烧结机尾部漏风等影响，最后两个风箱的烟气温度较低，平均温度在300℃以下。
图2为一台180m2烧结机单侧大烟道各风箱（烧结机共有2个大烟道，每侧均有27个风箱）在不同时刻段（相隔半小时）的温度分布情况，可见从1#到2#风箱烟气温度在～350℃以上。但温度波动幅度很大，有的甚至超过100℃，如此大范围的温度波动给利用烧结余热发电带来了很大的困难，也是烧结余热发电设计过程中需要重点解决的问题。
图2某烧结厂180m2烧结机各风箱烟气温度分布（单侧）
但烧结烟气中含有一定的SOx、NOx和粉尘，必须考虑其对烟风管道及余热回收设备的腐蚀和磨损问题。因此，相对于烧结矿冷却废气余热而言，烧结烟气余热具有温度低、腐蚀性以及余热资源少的特点，这些给烧结烟气余热回收带来诸多不利和困难。
2.2冷却废气余热资源
图3为一台105m2烧结机所配套的环冷机冷却各段的废气温度分布。
（1）烧结余热资源品位整体较低，低温部分所占比例较大
随着烧结矿冷却过程的进行，冷却机烟囱排出的废气温度逐渐降低，烟气温度从450℃逐渐降低到150℃以下，见图3。高温部分温度在300～450℃之间，而这部分废气占整个废气量的30％～40％；低于300℃的废气量占所有冷却废气量的60％以上。
（2）废气温度波动较大
烧结生产过程中，随着烧结矿在烧结机上的烧成情况不同，其冷却过程中产生的废气温度也不同。烧结矿欠烧时，冷却过程中产生的废气温度高；过烧时，冷却过程产生的废气温度低。高温段废气温度最高能达到520℃，最低时只有280℃。
（3）余热资源的连续性难以保证
在烧结生产过程中由于设备运行和操作的不稳定性，短时间的“停机”现象很难避免，烧结矿物流的中断是经常出现的情况，所以烧结余热资源的连续性难以保证[5]。
图3烧结冷却过程中废气温度分布
通过上述的分析，总结出烧结工序的可回收利用的余热资源，包括烧结机尾高温烟气和冷却机高温段废气的显热。同时必须考虑烧结烟气中的SO2等酸性气体在低温下出现的结露对烧结机大烟道、除尘器、主抽风机等设备的腐蚀问题，烧结机尾烟气余热回收装置的出口烟气温度必须控制在180～19℃，以保证主抽风机入口烟气在130℃左右，避开烧结烟气的酸露点。如此，通过我们的计算分析，对于同一条烧结生产线而言，烧结机尾高温烟气可回收的余热资源约为冷却机高温段废气可回收余热资源的1/4。
3余热发电系统方案与设计
现在国内烧结矿冷却废气余热回收技术业已非常成熟也得到大力推广应用，但烧结机尾高温烟气余热的回收技术却正处在探索阶段。往常，烧结机尾高温烟气余热回收的方案，根据现场实际情况，具体有两个方案，分别说明如下：
方案一：1#余热锅炉系统布置在180m2烧结区域的环冷机北面烧结通廊处，其中余热锅炉架空跨道路上，同时满足下方车辆通行要求，辅助间、循环风机及烟道利用通廊下部空地就近布置。需局部拆迁现有的安装和检修道路及少量地下管线。2#余热锅炉布置在105m2烧结带冷机南面，辅助间、循环风机就近布置。拆除已废弃的皮带通廊及转运站，也需局部拆迁现有的安装和检修道路及少量地下管线。汽轮发电机主厂房布置在1#余热锅炉东面约180米处，沿TRT主厂房东侧扩建端进行扩建，控制室及高、低压配电室作为偏跨建在主厂房南面，同时留出原配电室检修通道。需拆移现有的地上及地下管线。循环冷却水站布置在汽机主厂房东面约80米远的杭钢河边空地上，现有35kV高压线下方，高压线施工前需迁移，同时需局部拆移现有的高压电缆沟及地上地下管线。
方案二：余热锅炉系统布置与方案一相同，拆除现有180m2烧结机南侧的球团办公楼及食堂、浴室，布置汽轮发电机主厂房和循环冷却水站，还建办公楼在杭钢河边或另选址建设。
在烧结烟气及烧结矿冷却废气余热的特性下，根据实际情况结合以上两种方案的权衡比较，我们研发了烧结机尾烟气与冷却废气余热联合回收发电系统。
3.1系统的特点
（1）在烧结机和烧结矿冷却机生产线上，分别配置一台烧结余热锅炉和冷却余热锅炉，联合回收烧结烟气和冷却机废气显热；
（2）烧结机尾部大烟道烟气高温段提前配置高温阀门（烧结余热锅炉运行时该阀门关闭），高温烟气通过烧结余热锅炉充分换热后，控制烟气出口温度180～190℃，由引风机送回大烟道前段，与低温烟气混合，保证烟气温度在酸露点温度以上（130℃），经原系统净化处理后排到大气中；
（3）烟气再循环方式，合理选择再循环方案，在不影响烧结料冷却工艺前提下，尽量提高余热锅炉进口废气温度，提高热能利用率。
（4）冷却余热锅炉采用立式自然循环双压结构，蒸发器及省煤器采用螺旋翅片管；冷却余热锅炉下部设置公共省煤器，预热锅炉给水后，分别送至冷却余热锅炉和烧结余热锅炉的省煤器。
4、结束语
回收利用烧结环冷机烟气余热发电，减少杭钢自外网的购电量。二是回收利用烧结环冷机烟气余热供热，降低杭钢烧结工序能耗。三是采用烟气再循环，减少烧结环冷机烟气向空排放，从而减少温室气体的效果。四是有利于其他可持续目标的实现：减少当地由常规火电厂带来的SO2、粉尘之类的大气污染物；减少对于化石资源的开采和消耗，促进资源节约；有助于改善当地的能源结构，提高能源安全。
参考文献
[1]冶金工业部长沙黑色冶金矿山设计研究院.烧结设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1990:205-210.
[2]何张陈,江涛,王静.烧结工艺余热回收发电技术的研究与实践.能源研究与利用,2013,02.