烧结余热集成回收与梯级利用发电技术研究

５．１
环冷机热源参数调控方法研究 从研究烧结矿的冷却机理人手，建立环冷
机气固换热模型，获得烧结矿“流热固”相互耦 合的作用关系；通过实验研究和数值模拟，获取 烧结机、环冷机在各种正常和极限条件下的最 佳热源参数，提出合理的冷却机废气取气点、废 气循环方式、生产冷却制度和热源调控方法；探 索生产操作和工艺设备等因素对环冷机冷却速 率和热工参数的影响，以提高热源的稳定性。 ５．２余热发电系统炯分析及蒸汽参数优化 通过烧结余热发电系统正常及异常热力工
烧结余热资源及回收利用统计衰
㈣／ｋｇｃｅ．ｔ“余热回收量／ｋｇｃｅ．ｔ一
２．２烧结余热回收与利用现状 随着现代工业的迅速发展，世界性的能源 危机日趋加剧，日本作为自然资源最贫乏的国 家，在二次资源利用的技术上走在了世界的最 前列，烧结余热利用起步最早。上世纪８０年代 中期，余热回收技术已在１３本烧结厂得到了广 泛应用，其冷却机废气余热利用的普及率达到 了５７％。最早利用冷却机废气余热发电的是日 本的扇岛钢厂和福山钢厂，采用部分废气循环 系统回收余热。新１３铁３号烧结机和住友金属 小仓３号烧结机余热电站也运行得比较早［３１；
４
ＭＰａ的中温中压过热蒸汽和温度为２８０—３２０
℃、压力为０．４—０．７ ＭＰａ的低温低压过热蒸 汽；中温区热废气从余热锅炉中部进入，与放热 后的高温区热废气共同加热高压蒸发器；品位 较低的低温区热废气则送入余热锅炉中下部， 与放热后的高、中温区热废气混合，依次经过高 压省煤器、低压蒸发器、低压省煤器放热，再通 过凝结水加热器加热系统冷凝水，以提高余热 利用率。
３烧结余热回收利用的原则与方法
对于余热的回收，首先要分析产生余热的 用能设备本体的热量利用情况，由于在热能的 回收、转换过程中必然产生能量的损失或贬值， 所以要优先考虑如何提高用能设备本体在现有 技术条件下的热效率，设法降低设备的单位能 耗，减少余热生成量，这比通过余热回收装置回 收能量更为经济、有效。其次，工业余热资源的
装置，采用密闭腔对烧结矿进行冷却，降低漏风 率，提高热源品位及余热回收利用率。 烧结余热电站的建设最好能与烧结机建设 同步，以利于余热发电系统与烧结主工艺系统 的有机结合。同时，应研究稳定烧结机及冷却 机热废气参数的机理，并掌握主动调控的方法， 以确保热源参数的稳定，提高余热利用率和机 组发电量。
图２烧结环冷机余热发电联合循环示意图
［１］
参考文献
凌子愚，孙韬琪，窦宝芬．大型烧结设备余热整体利用方 案［Ｊ］，冶金能源，２００７。１２６（１４）：４９—５１． ［２］ 王建军，蔡九菊，陈春霞等．我国钢铁工业余热余能调研 报告［Ｊ］．工业加热，２００７，３６（２）：１—３． ［３］ 王兆鹏，胡晓民．烧结余热回收发电现状及发展趋势［Ｊ］． 烧结球团，２００８，３３（１）：３１—３４．
况下的热平衡及炯平衡计算，确定炯损失最大 的环节及部位，研究炯回收效率随余热回收温
度、蒸汽参数及余热利用率的变化规律Ｈ１；通过 对采用单压、双压和闪蒸系统的余热锅炉进行 热力编程计算及技术经济对比，得出适应不同 余热资源工况的热力系统最优方案和提升余热 利用率的方法；对闪蒸和双压余热锅炉的主蒸 汽及补汽参数进行优化，研究蒸汽压力、温度随 余热系统回收温度的变化规律【５ Ｊ，最终确定各 系统最佳的蒸汽压力和温度，为余热发电系统 设计提供依据。 ５．３环冷机发电气体循环与动力循环协同的
回收与利用必须根据其数量、品质（温度）和用
户需求，按照能级匹配的原则，逐级回收、温度 对口、梯级利用。 ３．１烧结余热回收原则 根据烧结余热的特点，其回收利用应遵循 如下三协同原则： （１）降低烧结机能量消耗与减少余热生成 量协同的原则 在回收烧结机烟气余热时，应把降低烧结 机能量消耗放在第一位，把回收烧结机烟气余 热放在第二位。因为降低消耗可减少烧结机烟 气余热生成量，由此获得的直接节能效果比通 过回收余热的效果更为经济和有效。 （２）直接热利用与动力回收协同的原则 回收的环冷机废气余热优先用于烧结机本 身预热助燃空气或燃料，可缩短余热从回收到 使用环节的路径，实现能量消耗最小化，从而直 接降低烧结机的单位热耗，其节能效果比通过 余热锅炉生产蒸汽更为明显。 （３）分段回收与梯级利用协同的原则 在回收环冷机废气余热时，应根据热废气 品位分段回收，在环冷机、余热锅炉及汽轮机之 间做到能级匹配和梯级利用。在符合技术经济 要求的前提下，选择合适的余热发电系统，使回 收的余热发挥最大效果。 ３．２烧结余热利用的方法 对于２００。３００℃的烧结机烟气和２００。 ２５０℃的环冷机废气余热应尽量返回烧结机直
ｌ
序。而烧结工序中有５０％左右的热能被烧结机 刖 舌 烟气和冷却机废气带走，显然，回收和利用这部 分余热极为重要。以冶炼１ ｔ钢为基准核算烧 结余热的回收利用数据【２１见表１。
表ｌ 余热资源
我国已将节能减排定为钢铁工业发展的重 点目标之一，而高效回收和充分利用烧结工序 等中低温余热是未来钢铁生产深层次节能的突 破口。烧结工序有烧结矿显热（环冷机废气）和 烧结机烟气显热两部分余热资源…。目前，国 内大型钢铁公司只利用余热锅炉回收烧结矿显 热产生蒸汽用于发电，而没有利用烧结机烟气 的显热进行发电。相对于烧结余热普遍利用的 日本而言，我国烧结工序余热的高效利用还有 相当大的潜力可挖。基于这一现状，进行“钢铁 企业低压余热蒸汽发电技术及能量系统优化” 科研课题的研究，开发新一代烧结余热发电技 术，一体化回收烧结工序中烧结机尾烟气和环 冷机废气的热量，将进一步强化节能减排，提高 钢铁生产过程的余热利用率，为大中型钢铁企 业烧结余热高效回收提供示范和技术基础。
万 方数据
２００９年第４期
赵
斌等
烧结余热集成回收与梯级利用发电技术研究
３
４．３烧结余热集成回收与梯级利用发电方案 该余热发电系统（见图１）将烧结机的中温 烟气（３３０—３５０℃）和冷却机高温段热废气（４７０ —５００℃）余热通过两台余热锅炉分别进行回 收，由于两部分热废气温度存在差异，烧结机热 管余热锅炉产生的蒸汽（３１０—３３０℃）需要进入 补燃室提高蒸汽温度，使之与冷却机余热锅炉 产生的蒸汽温度（４３０～４６０℃）相匹配，然后将 这两部分过热蒸汽并入母管，以主蒸汽的形式 进入低温汽轮机进行发电。与此同时，冷却机 余热锅炉产生的低温低压过热蒸汽以补汽的形 式进入汽轮机，然后与过热蒸汽共同驱动汽轮 发电机组发电，以最大限度地回收利用余热资 源。冷却机热废气按温度高低分为高温、中温 （４００—４２０℃）和低温（２５０—２９０℃）三段。三 段热废气同时从不同部位进入冷却机余热锅 炉，即高温段热废气从锅炉上部进入，中温段热 废气从锅炉中部进入，低温热废气从锅炉的中 下部进入，从而确保锅炉的温度对口，按质高效 回收利用余热。环冷机余热锅炉为三进口双压 发电型余热锅炉。
［５］
［４］
Ｍａｎｕｅｌ ｓｔｅａｍ
ｖａｌｄｅｓ，Ｊｏｓｅ Ｌ．Ｒａｐｕｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
研究
烧结环冷机余热发电系统包括环冷机一余 热锅炉二次换热气体循环和余热锅炉一汽轮机 热功转换蒸汽动力循环（见图２）两个环节。进 行这两个循环的协同研究，就是通过分析和预 测环冷机热源的温度变化规律。研究环冷机热 源参数与余热锅炉蒸汽参数的匹配规律，同时 兼顾余热锅炉蒸汽参数与汽轮机进汽参数的匹 配要求，确定环冷机热源合理的余热回收温度，
２烧结余热资源及回收利用现状
２．１烧结工序余热资源现状 据统计，全国炼铁系统能耗占钢铁工业总 能耗的６９．４１％，其中烧结工序的能耗约占冶金 总能耗的１２％，是仅次于炼铁的第二大耗能工
和歌山４号烧结机（１８９ ｉｎ２）采用机上冷却方式， 烟气分两段收集，通过布置余热锅炉，产生中压 过热蒸汽用于发电，该系统１９９１年６月投入运 行，效果非常好。 国内武钢的１。、４。、５ ４烧结环冷机（４３５ ｍ２）余热发电装置于２００９年２月１８日并网发
第３４卷第４期
２００９年８月
烧
结
球
团
Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｅｌｌｅｔｉｚｉｎｇ
烧结余热集成回收与梯级利用发电技术研究
赵斌１・２张尉然２路晓雯２李娜２ 张玉柱２
（１．华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室２．河北理工大学河北省现代冶金技术重点实验室）
摘
要烧结余热回收是节约能源、加强二次能源回收利用的有效途径之一。本文根据烧结工序余
风机；９一补汽式汽轮机；ｌ卜发电机；ｌｌ一冷凝器；１２一凝
结水泵；１３～除氧器；１４一高压给水泵
５
开发烧结余热发电技术的基础 研究
动力循环运行蒸汽参数的稳定；蒸汽动力循环 中汽轮机运行蒸汽参数的波动信号也反作用于 空气循环调节机构，通过调整环冷机出口空气
万 方数据
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烧
结
球
团
第３４卷第４期
流量，来稳定余热锅炉蒸汽参数，保证汽轮机稳 定运行，降低非计划停机率。
圈ｌ烧结余热集成回收与梯级利用发电工艺流程图 ｌ一烧结机；２一烧结机热管余热锅炉；３一烟囱；４一冷却机；
５一除尘器；６一冷却机余热锅炉；７一低压给水泵；８一循环
进而优化烧结余热集成回收及梯级利用发电工 艺及系统。具体而言，环冷机余热发电采用部 分烟气循环，通过调整循环风量可以在一定范 围内控制环冷机热废气温度，使余热锅炉入口 热废气温度稳定在要求范围内，从而保证蒸汽
2009期赵斌等烧结余热集成回收与梯级利用发电技术研究343烧结余热集成回收与梯级利用发电方案该余热发电系统见图1将烧结机的中温烟气330350和冷却机高温段热废气470500余热通过两台余热锅炉分别进行回收由于两部分热废气温度存在差异烧结机热管余热锅炉产生的蒸汽310330需要进入补燃室提高蒸汽温度使之与冷却机余热锅炉产生的蒸汽温度430460相匹配然后将这两部分过热蒸汽并入母管以主蒸汽的形式进入低温汽轮机进行发电
收稿日期：２００９—０４—３０联系人：张玉柱（０６３００９） 河北省唐山市新华西道４６号河北理工大学冶金与能源学院 国家科技支撑计划项目（２００８ＢＡＥ６７８００） 唐山市科学技术研究与发展计划项目（０８３６０２０１Ａ一５）
电，采用的是日本川崎技术，热废气分三段取气 再混合进入余热锅炉回收，三台余热锅炉产生 的两种压力的蒸汽共同进入一台３３ Ｍｗ汽轮 机发电。此种装置由于热废气混合，降低了高
万 方数据
２
烧
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第３４卷第４期
温热废气的品位，同时由于该工艺仅回收了烧 结矿的显热，而对烧结机中温烟气的显热没有 利用，因此烧结余热资源仍未得到全面利用。
接利用；而对于３００—４００℃的烧结机烟气和２５０
—５００
ｏＣ的环冷机废气余热则可采用动力回收。
４
烧结余热集成回收与梯级利用 发电技术方案
热特点和余热品位分析，提出了环冷机废气余热与烧结机尾中温烟气余热集成回收，环冷机余热三段回 收梯级利用发电的优化用能方案，并介绍了为开发该技术进行的基础研究，包括热源参数调控、发电系统 火用分析和蒸汽参数优化、以及气体循环与动力循环协同等几个方面。 关键词 烧结余热集成回收 梯级利用发电方案优化节能
４．１
烧结工序余热集成回收方案 采用余热发电的方式集成回收烧结矿显热
和烧结机尾中温烟气显热。一方面，环冷机三 区热废气分别进入冷却机余热锅炉产生中温中 压和低温低压两种参数的过热蒸汽；同时烧结 机产生的中温烟气经除尘脱硫后送入一台热管 余热锅炉产生温度较低的中压过热蒸汽，并在 补燃室升温，产生与冷却机余热锅炉中温中压 过热蒸汽参数相匹配的过热蒸汽，这两部分过 热蒸汽并入蒸汽母管作为主蒸汽进入汽轮机； 另一方面，冷却机余热锅炉产生的低温低压过 热蒸汽作为补汽进入汽轮机，与主蒸汽共同驱 动一台凝汽补汽式汽轮机发电，形成两炉一机
的运行方式。 ４．２环冷机余热分段回收梯级利用方案 对于环冷机余热，按其品位分为高、中、低 三个回收区，再根据各区的余热资源量，采取不 同的技术手段加以回收、梯级利用，从而实现二次 能源的高效回收和优化利用。具体方案如下： 采用小温差换热原理合理布置锅炉受热 面，将高温区热废气与中、低温区热废气分别送 人余热锅炉的不同部位，对其进行梯级利用。 高温区热废气经高温废气进口管路进入余热锅 炉，依次流经高压过热器和低压过热器放出热 量，从而产生温度为４３０—４６０℃、压力为３．５．
６结
论
开发低温余热发电技术的关键在于余热回 收工艺的科学性以及余热回收设备的国产化， 而利用烧结机尾中温烟气和环冷机热废气双热 源进行烧结余热发电，还需要解决烧结机中温 烟气含硫引起的受热面腐蚀，以及烧结工序因 烟气温度波动及漏风率大而导致的余热回收利 用率难以提高等问题。其中受热面腐蚀问题可 采用烧结烟气干法脱硫工艺及耐腐蚀金属材料 解决；漏风率大的问题可借鉴已成熟的干熄炉