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宝钢烧结冷却废气余热回收现状与潜力
[ 作者:周茂军 鲁健 应风晔 张代华 | 时间:2012-09-09 | 点击次数: ]

(宝钢股份有限公司炼铁厂,上海  200941

  要:长流程钢铁生产企业中,因烧结矿冷却产生大量的气体余热,铁矿石烧结成为气体余热资源量最多的工序,从而成为余能回收的重点工序。文章阐述了宝钢股份烧结工序冷却废气余热回收的发展和现状,介绍了宝钢烧结实行废气余热回收的有效措施。为最大限度回收废气余热,降低烧结工序能耗,作者分析了进一步提高烧结废气余热回收水平的潜力,提出了相应技术思路。

关键词:烧结;余热回收;余热锅炉;余热发电;工序能耗

Status and Potential of Waste Heat Recovery from Sinter Cooler Exhaust in Baosteel

Zhou Maojun, Lu Jian, Ying Fengye, Zhang Daihua

(Ironmaking Plant, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 200941, China)

Abstract: In the BF-LD process based steel enterprises, a great amount of heat goes into air during the cooling of sinter, which makes sintering the most abundant in waste heat and thus the most important process for energy recovery. This paper describes the status and potential of sinter cooler exhaust waste heat recovery, as well as the effective measures that have already taken for that purpose in Baosteel. To maximize the recovery of waste heat and reduce the energy consumption in sintering process, the potential for a further heat recovery form sintering exhaust is analyzed and the corresponding technical strategies are presented.

Keywords: sintering; waste heat recovery; waste heat boiler; waste heat power generation; total energy consumption

1 前言

长流程钢铁联合企业中,铁矿石烧结是必不可少的一个工序。烧结生产过程中,从机尾经热破碎卸下的烧结矿温度高达750~800℃,为便于烧结矿的整粒筛分和输送贮存需将其冷却至150℃以下。烧结矿冷却过程中,烧结矿显热大部分转变为冷却废气余热,即固态载体余热转化为气态载体余热。烧结矿冷却废气中高温部分可达350~400℃,这是钢铁企业内重要的余热资源。

日本为研究钢铁企业节能极限曾设定典型的长流程钢铁厂,其中包括典型烧结厂。在典型烧结厂标准值的热平衡中,烧结矿冷却废气余热与烧结烟气余热占热支出的比例分别为29.3%23.6%,是热支出中比例最大的两部分[1]。国内外一些钢铁企业的烧结机热平衡分析也显示,烧结矿冷却废气与烧结烟气带走了烧结生产过程大约50%的热量,且前者一般都多于后者。

宝钢股份本部厂区内,余热显热资源存在于炼铁、炼钢、轧钢与发电四个系统。其中,属于炼铁系统的烧结工序余热资源约占总余热显热资源的18.8%,其中烧结矿显热占10%,烧结烟气显热占8.8%。而烧结矿冷却废气又带走了烧结矿显热的90%以上[2]。因此,为提高烧结能源利用效率,通过余热回收降低烧结工序能耗与区域环境负荷,需要对宝钢烧结余热资源回收利用进行分析,这里重点分析宝钢烧结冷却废气余热资源回收利用现状和潜力。

2 宝钢烧结冷却废气余热回收工艺的发展

宝钢股份本部共有三台烧结机,原面积均为450m2,后历时三年依次扩容改造至495m2。目前,三台烧结机的余热回收方式包括用作点火助燃空气、热风烧结和余热锅炉生产蒸汽三种途径。

2.1投产初期的余热回收工艺

宝钢一号烧结机投产于19858月,其环冷机1#2#两个风箱的余热废气被引至点火炉与保温炉,作为助燃空气和热风烧结之用,其时未设置余热锅炉。二号烧结机投产于19916月,未设置回收余热废气至点火炉和保温炉的工艺,而是随主线设置了两套余热回收锅炉系统,分别为主排气余热锅炉和冷却机余热锅炉。主排气锅炉回收非脱硫系主排气管后半段的废气余热,冷却机余热锅炉回收环冷机1~7#七个风箱的废气余热。三号烧结机投产于19984月,环冷机余热空气回收工艺与一号机相同。

2.2 烧结余热回收的工艺改进

三台烧结机运行多年后,余热回收方面问题逐渐显露。主要表现在:(1)一烧结和三烧结环冷机3~7#风箱的320℃以上含尘废气均外排,污染环境,浪费能源;(2)二烧结主排气锅炉蒸汽发生量设计能力21~30t/h,实际长期在15t/h水平,2005年已降至10t/h左右;(3)二烧结主排气经余热锅炉后温度降低约20℃,机头电除尘器受低温烟气腐蚀,除尘效率下降;(4)二烧结点火炉与保温炉均使用常温空气,烧结矿强度、成品率、固体燃耗与煤气单耗等指标均逊于另两台机。

为了加大余热回收力度,同时解决前述问题,宝钢烧结经过数次改造和新建项目改进了余热回收工艺。项目包括:(1)二烧结主排余热锅炉改造。二烧结主排余热锅炉热源废气不再引自二烧结非脱硫系烟道,而改为引自一烧结环冷机2~6#风箱,使蒸汽产量由15t/h左右增至30t/h。一烧结点火炉助燃热空气改为由环冷机1#与7#两风箱供给,使主排余热锅炉入口废气温度达350~400℃。冷却废气经余热锅炉系统后出口温度150~200℃,大部分供二烧结保温炉和增设的保温罩,实行热风烧结以避免点火后料层表面骤冷。(2)三烧结增设余热锅炉项目。点火炉助燃空气原引自环冷机1#2#风箱,改为取自1#7#风箱并汇聚于一根管道的排气。在1#2#风箱、6#7#风箱之间分别设置隔板。1#风箱气源由2#环冷风机排气管提供。2~6#风箱气源由1#环冷风机提供,其排气烟囱连通后接入余热锅炉系统。设计余热蒸汽产量42t/h,出口蒸汽温度270℃,压力1.70MPa

改造和新建项目完成后,烧结环冷余热废气回收利用途径有所拓展,余热回收能力也大幅增加,详见表1

 

1 余热回收利用途径与参数

余热回收利用途径

一烧结

二烧结

三烧结

点火助燃空气

余热废气供点火炉、保温炉(共二段)和保温罩,设计流量12.8Nm3/h,废气温度300~360℃。

余热废气供点火炉和保温炉(共二段),无保温罩,设计流量12.8Nm3/h,废气温度300~360℃。

热风烧结

二段保温炉+保温罩。可用一烧结冷却机余热锅炉出口废气,温度约200℃,流量约2~5Nm3/h

余热锅炉生产蒸汽

废气流量:~30Nm3/h

废气温度:350~400℃;

粉尘浓度:300mg/N m3

废气流量:~50Nm3/h

废气温度:350-400℃;

粉尘浓度:300mg/N m3

废气流量:~45Nm3//h

废气温度:350-435℃;

粉尘浓度:500mg/N m3

2.3 余热锅炉设计参数

宝钢烧结冷却机余热锅炉型式均为强制循环烟道式余热锅炉。因建造时期和烟气循环方案不同,三套余热锅炉系统设计参数有所区别。详见表2

2 烧结机冷却废气余热锅炉主要设计参数

序号

参数名称

单位

一烧结

二烧结

三烧结

1

锅炉入口废气流量

Nm3/h.

30×104

50×104

45×104

2

入口废气温度

350~400

350~400

350~435

3

出口废气温度

150~200

150~200

200

4

入口废气含尘浓度

mg/Nm3

300

5

锅炉设计压力

MPa

2.50

6

过热器出口蒸汽温度

270

7

过热器出口蒸汽压力

MPa

1.70

8

并网蒸汽温度

260

9

并网蒸汽压力

MPa

1.60

10

蒸发量

t/h

21~30

39~55

38~50

3 余热回收生产运行实绩

3.1 热风烧结影响

热风烧结工艺机理在于用冷却废气的物理热替代部分气体燃料和固体燃料的燃烧放热,提高点火后表层烧结料的氧位,延长高温保持时间,促进铁酸钙的形成[3]。宝钢烧结的余热回收工艺改进后,二烧结于20064月实现了热风烧结,多项技术指标因此得到改善,详见表3。一烧结的热风烧结因增设保温罩的投用也得以强化。

3 二烧结实现热风烧结前后的指标对比

序号

指标

单位

改进后

改进前

差异

1

成品率

%

72.63

70.65

1.98

2

转鼓强度

%

75.61

75.21

0.40

3

折算焦比

kg/t-s

44.86

48.17

-3.31

4

COG单耗

m3/t-s

4.04

5.05

-1.01

由表3可知,二烧结实现热风烧结后,成品率、转鼓强度、折算焦比和COG单耗等指标均有明显改善。其中,成品率提高1.98%,烧结矿转鼓强度提高0.40%COG单耗减少1.01m3/t-s。折算焦比受含碳粉尘回收使用与固体燃料结构变化等因素影响,扣除以上影响因素,折算焦比减少约1.5~2kg/t-s。一烧结的成品率与转鼓强度变化不大,但是其折算焦比与COG单耗有小幅改善。

3.2 余热锅炉蒸汽发生量变化

二烧结主排余热锅炉于2006年改造为一烧结环冷余热锅炉后,以及三烧结增设了环冷余热锅炉后,低压蒸汽发生量得以明显增加,详见图1。回收的余热蒸汽折合标煤量因此大幅增加,烧结工序能耗因此下降,见图2。与此同时,每年回收含铁粉尘总量也由0.9~1万吨增加至约2万余吨。

4 冷却废气余热回收的潜力

尽管宝钢烧结对冷却废气余热回收已有较大进步,但是仍存在较大潜力。具体表现为:

1)环冷机8~12#风箱处仍有大量余热可回收利用。烧结机扩容改造后,环冷机未同步扩容,设备负荷增大。对三台机的环冷机人形罩处热废气的温度进行测量,发现环冷机8~12#风箱排出的热废气平均温度可达260℃,亦即尚有大量低温余热可利用。

2)现有余热锅炉系统主要设备状态不稳定。锅炉入口废气含尘量常超出设计值,导致循环风机叶轮磨损严重,检修频度较高。一三烧结余热锅炉系统的冷却废气烟囱电动蝶阀状态不佳,影响余热回收效果。

对于第一个问题,宝钢烧结考虑将增设相应余热回收装置,回收利用环冷机二段风箱处废气余热来制备热水,供烧结混合料进行混匀制粒使用。该装置可回收260℃的热废气约30~40Nm3/h,生产80℃的热水约55t/h,每年节约标准煤将达4800余吨。

对于第二个问题,需要从改进循环风机叶轮、机壳内部铺设耐磨衬板、改进蝶阀备件质量并加强维护等设备技术改进与管理维护方面入手,以减少余热锅炉系统故障停炉时间,提高余热锅炉系统同步运转率。

5 烧结余热发电与现回收模式比较分析

利用烧结矿冷却所产生的大宗集中连续的余热,通过余热锅炉生产蒸汽,然后相对集中发电。这是中国钢铁协会等组织和部门近期正在推广的深层次节能和清洁又高效的余热利用新技术。国内已有马钢、安钢、济钢、新抚钢等多家钢铁企业建成了烧结余热发电系统,而宝钢股份本部未建设该项目,这与宝钢拥有较为完善的低压蒸汽管网有关。

宝钢股份本部的低压蒸汽管网经过三期建设,已形成较大规模的热力环网。十一五规划和后续项目的投产使得蒸汽用户增加,同时蒸汽负荷可在多个汽源之间灵活分配,有多种手段对蒸汽管网进行系统平衡调节,实现余热蒸汽零放散,最终凭借规模优势来推进系统节能。在满足厂区蒸汽用户需求的同时,还可回收高品质蒸汽进行余热发电,实现热力系统高效运行,创造合理和谐的热电循环,争取余热回收效益最大化。宝钢烧结余热锅炉是低压蒸汽管网主要汽源之一,对稳定蒸汽负荷、调节系统平衡和推进系统节能起着重要作用。宝钢股份本部的烧结冷却废气通过余热锅炉生产低压蒸汽予以回收,然后并网使用,基本实现了烧结余热回收的最大化和最优化。根据蒸汽平衡情况,公司还需要蒸汽锅炉对蒸汽管网动态平衡和必要的补充。另一方面,烧结工序余热回收系统如独立设置发电机组,其运行效率没有集中发电高,而且运行易受烧结机故障停机和检修等影响[4]。因此,宝钢烧结余热锅炉系统无需改造成余热发电系统。

6 结论

1)宝钢很重视烧结余热回收技术进步。从投产初期至今,宝钢烧结余热回收工艺有所发展,烧结余热回收利用途径拓宽,回收能力大幅增加。

2)宝钢烧结余热回收运行实绩良好。三台烧结机现均已实现热风烧结,相关能耗、质量等技术指标得到改善。烧结余热锅炉蒸汽产量又上新台阶,对降低烧结工序能耗起到显著作用,同时还有大量粉尘得到回收利用。

3)宝钢烧结环冷废气余热回收仍有较大潜力。需要通过新增低温废气余热回收装置和加强设备管理维护等方面予以挖掘。

4)烧结余热发电系统的建设要结合公司余热蒸汽的使用和管网平衡调节情况。宝钢股份本部厂区蒸汽管网较为完善,烧结余热蒸汽并网可通过规模优势实现系统节能,因此宝钢烧结余热锅炉系统无需增设发电机组。

参考文献

[1] 李键. 现代烧结生产技术工艺流程、设备选型计算与烧结效率实用手册. 北京:当代中国音像出版社. 2005: 1032-1033.

[2] 韩永胜, 刘志强, 汤晓帆.宝钢炼铁系统余热资源回收利用现状与潜力分析.上海节能,2005(2): 2-3.

[3] 徐国群.烧结余热回收利用现状与发展.世界钢铁,20099(5): 29.

[4] 桂其林.宝钢节能技术的进步与创新.冶金环境保护,2008(6): 44-45

 

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