钢铁厂烧结冷却机低温余热发电技术开发及应用

第11卷第5期中国水运V ol.11

N o.5

2011年5月Chi na W at er Trans port M ay 2011

收稿日期：33作者简介：朱

飞（）男，武汉都市环保工程技术股份有限公司工程师。

钢铁厂烧结冷却机低温余热发电技术开发及应用

朱

飞

（武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉430071）

摘

要：烧结冷却机低温余热发电技术是利用烧结冷却机中低温的废气通过余热锅炉产生低品位蒸汽，来推动汽轮

机组做功发电。文中对烧结冷却机纯低温余热发电热力工艺系统、热力参数、锅炉与烧结冷却机间烟气系统、烧结冷却机烟气罩的漏风改进等特点及发电能力进行了探讨、分析、比较，通过工程实例，为合理选择余热发电技术及提高发电能力提供参考。

关键词：烧结冷却机；低温余热发电；双压系统；烟气再循环；烟气罩中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）05-0076-03

一、前言

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。由于烧结冷却机废气的温度不高，以往人们对这部分

热能的回收利用重视不够，但实际上烧结冷却机废气数量大，可供回收的热量也大。烧结冷却机低温余热发电技术是利用烧结冷却机中低温的废气通过余热锅炉产生低品位蒸汽，来推动汽轮机组做功发电。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，是一项一举两得的资源综合利用工程项目。

近年来，随着国家树立科学发展观、大力发展循环经济，国内钢铁、水泥生产线等纯低温余热发电技术得到蓬勃发展，多家科研院所积极进行余热发电技术研究、建设纯余热电站工程，使得余热发电技术日臻完善。不同工程的不同热力系统，为用户提供了多种选择。但如何确定经济合理的烧结冷却机低温余热发电技术，充分提高余热发电能力？本文针对国内外同类设施余热利用技术经验，结合烧结冷却机原理、热工理论、锅炉和汽轮机制造技术、工程实践等，探讨如何选择热力工艺系统，确定热力参数；如何从烧结冷却机冷却工作原理着手，想办法提高冷却媒体（即空气）的温度水平，从而提高冷却机烟囱排气温度；如何改进烧结冷却机烟气罩的密封，减少热烟气的外漏量，提高冷却机烟囱排气量；为合理选择余热发电技术及提高发电能力提供参考。

二、烧结冷却机概述

烧结矿的冷却方式主要有鼓风冷却、抽风冷却和机上冷却等几种方式。目前，国内钢铁厂烧结矿的冷却方式大多采用鼓风冷却方式，烧结鼓风冷却机根据占地方式不同有带式冷却机和环式冷却机两种，烧结鼓风冷却机规模按冷却机面积有140m 2、190m 2、280m 2、336m 2、415m 2、460m 2等系列。

烧结鼓风冷却机工作原理为：赤热的烧结矿石从烧结机进入冷却机时的温度高达650~750℃。在烧结机中反应终了

的矿石经过破碎，移送至冷却机，并形成一定厚度的填充层。填充层一面向前移动，一面被从下部各段鼓风机送入的空气逐次冷却，当冷却至120~150℃时，排出冷却机向高炉输送。与烧结矿石进行热交换的空气，通过在冷却器上方各段设置

的烟罩烟囱排出。烧结冷却机前几个烟罩烟囱（即高温段烟

罩烟囱，一般为1#，2#段烟囱或1#，2#，3#段烟囱）向大气排放300~400℃左右的废气，其中还含有一定数量的矿物粉尘。该部分废气温度相对较高，废气排量大，有较强的余热利用价值，且可回收部分烧结矿粉尘。

三、热力工艺系统方案

1．国内余热发电技术主要采用的三种热力系统对于纯低温余热发电，目前国内已普遍采用的有以下几种热力循环系统：

（1）单压系统：采用单级进汽汽轮机及单压余热锅炉的单压不补汽系统，见图1。

图1单压热力系统图

（2）闪蒸系统：采用补汽式汽轮机的复合闪蒸单级补汽系统，余热锅炉生产主蒸汽同时生产高温热水，高温热水再降压蒸发出二次蒸汽后，二次蒸汽补入汽轮机，见图2。

图2复合闪蒸热力系统图

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（3）双压系统：采用补汽式汽轮机的双压单级补汽系统，余热锅炉生产两个不同压力的蒸汽，一为主蒸汽，另一个为低压补汽，见图3。

图3双压热力系统图

2．系统蒸汽参数的选取与发电能力比较

对于单压系统，随着主蒸汽压力的升高，其对应的饱和温度也升高，由于节点温差的存在，锅炉排烟温度也升高，使其利用的热量减少，主蒸汽产量减少；相反，随着蒸汽压力的降低，其对应的饱和温度也降低，锅炉排烟温度降低，其利用的热量增多，主蒸汽产量会增加。但如果工质压力太低，因为等熵焓降显著减少，造成工质循环热效率下降，其单位发电能力减少，当压力降到一定值时，系统总的发电能力反而开始降低。由于废气余热不能得以充分利用，相应影响发电能力。

在双压技术中，可以在主蒸汽压力较高的前提下，也就是在工质循环热效率较高的情况下，保证较低的排气温度。双压系统可使相对高温热源（230~350℃烟气）产生较高参数的蒸汽，使相对低温热源（100~230℃烟气）产生较低参数的蒸汽，使能量分布优化，系统充分吸收低参数热量，发出更多的电能。

复合闪蒸单级补汽系统，发电能力处于中等，是由于废气经余热锅炉生产主蒸汽后，再经省煤器加热段生产高温热水，生产出的热水一部分作为余热锅炉蒸发段的给水，余下的高温热水经过闪蒸器生产出低压饱和蒸汽，低压饱和蒸汽补进汽轮机发电，闪蒸器的出水混和汽轮机的凝结水作为锅炉的给水，由于闪蒸器的出水温度为闪蒸器所产蒸汽压力下对应的饱和温度，一般闪蒸器低压蒸汽压力：0.4MPa，饱和水温度144℃，高于汽轮机的排汽温度45℃，也就是说，虽然冷却机废气余热被利用了，但由于闪蒸器的出水焓未能转换为电能，降低了系统的发电能力，但由于有闪蒸出的蒸汽补进汽轮机，所以发电能力在前两系统之间。

因此，在相同的条件下，单压、双压、闪蒸三种系统中，双压系统发电能力是最高的。

4．技术经济比较

现以我公司设计的某钢厂烧结环冷机余热蒸汽发电工程为例，在相同的条件下，对单压、双压、闪蒸三种系统进行技术经济比较。某钢厂工程共有2套360m2烧结机环冷机，采用两台余热锅炉配置一台纯凝式汽轮发电机组。每台锅炉进口烟气参数为：额定烟气量440,000Nm3/h，额定烟气温度370℃。三种系统装机方案主要技术经济指标如表1。

由表可知，烧结冷却机纯低温余热发电应优先选择双压热力系统，不但技术经济合理，且发电能力是最高的。

表1三种系统装机方案

技术经济比较

序号名称单位

单压系统双压系统闪蒸系统1额定烟气量万Nm3/h44x2=8644x2=8644x2=86 2额定烟气温度℃370370370 3锅炉主蒸汽压力MPa（g） 1.4 1.9 1.9

4锅炉主蒸汽温度℃345345345 5锅炉主蒸汽流量t/h42x2=8439x2=7839x2=78 6

锅炉补汽（或闪蒸汽）压

力

MPa（g）无0.40.3 7

锅炉补汽（或闪蒸汽）温

度

℃无210143.6 8

锅炉补汽（或闪蒸汽）流

量

t/h无10x2=208x2=16 9锅炉排烟温度℃170138153

10汽机主蒸汽流量t/h847878

11汽机补汽流量t/h无2018

12汽机计算功率MW141918

13发电年利用小时数h700070007000

14全厂年发电量kWh/a0.98×108 1.33×108 1.26×108 15全厂年供电量kWh/a0.87×108 1.18×108 1.11×108 16综合厂用电率%11.411.611.6

17项目静态投资万元72001000011200

18发电工程单位投资元/kW514352636222

19年销售收入万元348047204440

20财务内部收益率%27.6228.1123.23

21财务净现值万元131231869215674

22全部投资回收期年 4.60 4.54 5.24注：本工程为余热利用发电，折合标煤按汽机计算功率下燃煤锅炉纯凝发电机组相等估算标煤值。收益按0.4元/KWh计算。

四、锅炉烟气系统方案

1．锅炉烟气系统方案比较

锅炉烟气系统有如下两种方案：

（1）锅炉排出烟气直接排入大气。

（2）将锅炉排出烟气再送至环冷机高温段入口，形成烟气再循环。

提高余热锅炉主蒸汽参数，更应从烧结冷却机冷却工作原理着手，想办法提高冷却媒体（即空气）的温度水平，从而提高冷却机烟囱出口废气温度。根据烧结冷却机工作原理，在不影响烧结工艺前提下，主要应提高烧结冷却机高温段入口空气的温度，从而提高高温段烟囱出口废气温度。为此采取锅炉烟气再循环的办法是最佳途径，将在余热锅炉中经过换热后的废气再送至环冷机高温段入口。提高烧结冷却机高温段入口进风温度，会稍微降低环冷机高温段烧结料冷却效果，此时只须稍微加大后几段冷却风，照样能保证烧结料的最终冷却效果。

对于烟气再循环系统，在锅炉后需设置循环风机，循环风机压头选取需克服锅炉和高温段冷却机系统阻力，故循环风机压头高，投资大些，烟气系统运行较复杂，会稍微增加冷却机其他风机耗电量，但因提高了废气温度，从而提高发电能力。烟气再循环系统另一个最大优点还在于锅炉无废气排放大气，故烧结冷却机减少向大气排放烧结矿粉尘和热烟气，社会效益显著。

对于锅炉排出烟气直接排入大气方案，炉后设置锅炉引

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