燒結工藝余熱利用多種技術方案的比較研究

上海電力學院 胡深亞 潘衛國 姜未汀 王文歡 章 玲

1 前言

中國鋼鐵工業是能源消耗大戶，占全國總能耗的15%左右，也是物耗大戶，生產1t鋼材，約需消耗23t的自然資源。我國的鋼鐵企業的能耗水平與國際先進水平相比，差距在11%左右[1]。在鋼鐵生產過程中會產生大量的余熱，很多企業并沒有利用這部分余熱，直接排放了這部分熱量，不僅對周圍環境造成了熱污染，如果能合理利用好這部分熱量，不僅可以減少污染物排放，而且可以大大降低了鋼鐵能耗。據統計，燒結工序能耗約占整個企業能耗的10%～20%，是僅次于高爐的一大耗能工序[2]。

燒結熱平衡計算表明，熱燒結礦的顯熱和廢氣帶走的顯熱約占總支出的60%～70%，從節省能源，改善環境，提高企業經濟效益出發，應盡可能回收利用。目前，世界各國，特別是日本，在回收利用這兩部分余熱方面取得了顯著成效。而我國鋼鐵企業燒結工序余熱利用率還不足30%，與國外先進鋼鐵企業相差很大，所以，我國燒結余熱利用的潛力很大。

當燒結過程進行到最后，煙氣溫度明顯上升，機尾風箱排出的廢氣溫度可達300～400℃，氧氣含量達到18%～20%，這部分所含顯熱占總熱耗的20%左右。從燒結機機尾燒結礦平均溫度500～800℃，其顯熱占總熱耗的35%～45%。熱燒結礦要在空氣中冷卻、溫度降低后進入高爐。冷卻廢氣隨冷卻方式和冷卻機部位的不同在100～450℃之間變化（給礦處最高，卸礦處最低），其顯熱約占總熱耗的30%[3]。由上數據可知，冷卻機廢氣和機尾風箱廢氣就是燒結余熱回收重點，但是因為這部分煙氣屬于中低溫煙氣，而燒結機尾處煙氣還有一些如SO2、NOX等腐蝕性氣體，所以回收利用這些余熱應充分考慮技術上的可行性和經濟上的合理性，以及熱回收利用率高低等問題。

2 燒結工藝余熱利用現狀

余熱可以利用的冷卻機廢氣主要分為兩段：高溫段（250～450℃），低溫段（200℃左右）。

對于高溫段的煙氣，由于溫度比較高，流量也比較大，而且煙氣中大部分成份都為空氣，很少含有SO2、NOX等腐蝕性氣體，所以在利用的過程中不用考慮防腐問題。很多鋼廠都將這部分高溫煙氣引入余熱鍋爐，產生蒸汽用于供熱或發電，文獻[4]中，寶鋼3#燒結機環冷高溫段煙氣余熱流程為：從3號燒結環冷機高溫段排氣管道，將除塵器、余熱、循環風機串連起來，循環風機排氣管接至環冷機風箱。這部分煙氣在這些設備和環冷機之間形成循環。余熱鍋爐可以年產蒸汽約32萬t，壓力為1.6MPa，溫度為260℃，由于是閉式循環，所以每年回收鐵礦粉9000t，不僅可以節約能源，而且可以減少污染物排放。

對于中溫段煙氣（200℃左右）很多鋼鐵企業利用這部分煙氣余熱主要有以下三種形式：（1）作為燒結機點火器的助燃空氣，或用于預熱助燃空氣，將中溫段煙氣除塵后，通過風機和管道輸送到點火爐空氣管道中，節省點火燃料。（2）利用這部分余熱預熱混合料。提高混合料溫度，降低燒結固體燃料消耗。（3）利用這部分余熱進行熱風燒結[5]。

熱風燒結工藝機理在于利用燒結礦冷卻廢氣的物理熱代替部分燃料燃燒熱，促進鐵酸鈣的形成。熱風燒結使燒結料層上層溫度升高、降低了上、下部料層的溫差，有利于減輕因上、下層溫差大引起的燒結礦重量不均勻，提高了燒結礦轉鼓強度。文獻[6]中介紹了萊鋼的關于利用環冷機的中溫段煙氣進行熱風燒結的工藝，在環冷機2#鼓風機上安裝熱風收集罩及其支架，通過安裝保溫材料的熱風管與裝在點火器后面的熱風罩相連接，實現熱氣順利流向燒結機熱風罩內，由于熱風燒結可適當降低固體燃料消耗，提高了余熱的利用率，使燒結過程中總熱耗下降約5%左右，節能效果顯著。

由于我國燒結機機型相對國外先進燒結機較小，平均每臺燒結機面積約55m2[7],存在著一些固有的缺點，如邊緣效應嚴重，熱損失大等，燒結熱廢氣主要是中、低溫余熱，要想利用好這部分熱量，就有一個投資規模效益的問題，機型小、規模小很難滿足這一要求。比如利用冷卻機高溫段煙氣進入余熱鍋爐產生蒸汽，產生的蒸汽的數量和質量都很低，基本上不能達到發電的要求，在采暖季節還可以利用這部分蒸汽，如果在非采暖季節基本上都沒有利用這部分熱量，而直接排放，造成了很大的浪費和污染。

隨著燒結過程的進行，燒結機最后幾個風箱溫度較以前的要高，最高能達到300～400℃，由于這部分煙氣的流量含有SO2、NOX等腐蝕性氣體，在換熱在過程中會發生低溫腐蝕，流量比冷卻機高溫段煙氣量要少，所以國內很多燒結廠一般都是在大煙氣和其它燒結煙氣混合后排向煙囪，造成能源的浪費。

3 燒結煙氣余熱利用的技術方案及其節能效果分析

對于中小型燒結機來說，如果能利用燒結機尾煙氣余熱與冷卻機余熱鍋爐聯系起來利用，給燒結煙氣余熱利用提供了方向。

以某燒結廠為例，利用冷卻機煙氣余熱的余熱鍋爐主要運行參數如表1。

表1 單獨冷卻余熱鍋爐主要運行參數

這部分蒸汽只能并入廠區管網，在采暖季節可以滿足要求，但是如果在非采暖季節將會排放這部分熱量，造成浪費。以下是幾種燒結機尾煙氣余熱利用方案并計算其節能效果。

1,方案1：在燒結機尾煙氣處布置換熱器來預熱給水，產生熱水將用于廠區的生產或生活用水。工藝流程圖如圖1

由圖中可以看出，這種方案流程比較簡單，對原有的工藝影響不大，從燒結機尾煙氣出來分為兩路一路為原來的流程進入大煙道，一路則通過除塵器進入余熱利用裝置，換熱后再回到大煙道，這樣保證在換熱器故障的情況下可以直接切換原工藝流程運行，不會影響燒結的正常運行。根據計算，利用這部分煙氣可以產生90℃熱水50t/h左右。這種方案比較適合對熱水需求量較大的燒結廠。

2，方案2：利用燒結機尾煙氣余熱預熱環冷余熱鍋爐的給水。工藝流程圖如圖2

由圖中可以看出，給水進入燒結煙氣預熱器后進入除氧器然后通過給泵進入環冷機余熱鍋爐，燒結煙氣余熱與環冷余熱聯合利用可增加了蒸汽的產量，通過初步計算，利用這種方案可以產生同樣蒸汽品質蒸汽量27t/h左右，增加7t/h的蒸汽量。

上述兩種方案中，由于燒結煙氣中含有腐蝕性氣體，所以為了防止換熱過程中發生低溫腐蝕，做好防腐蝕措施，比如在受熱面處涂上防腐蝕的材料，使用耐腐蝕的材料如ND鋼等。

3，方案3：燒結機尾煙氣和環冷煙氣混合后進入余熱鍋爐產生蒸汽。工藝流程圖如圖3。

由于燒結機尾煙氣和環冷機高溫段煙氣溫度相差不多，所以燒結機尾煙氣通過引風機的抽吸，通過除塵器，與環冷機的高溫段煙氣進入余熱鍋爐，從而產生更多的蒸汽量。余熱鍋爐出口分為兩種，一路回到環冷機冷卻燒結礦，另一路則可以作為熱風點火空氣或進行熱風燒結，使余熱鍋爐煙氣平衡，又起到節能效果。因為燒結機尾煙氣溫度比較高，所以要求引風機要耐高溫，而且進口負壓也要符合原工藝的要求。通過初步計算這種方案可以產生同品質的蒸汽30t/h左右，節能效果明顯，降低了燒結能耗。

通過上面3種方案的比較分析，每種方案的收益不同，所以要根據燒結廠現有的情況，因地制宜，找出適合生產現場實際需要的方案，最經濟地充分地利用燒結煙氣余熱。

4 結論

我國燒結工序的能耗指標與先進國家相比差距較大，每噸燒結礦的平均能耗要高出20kg標準煤，節能潛力很大，充分利用燒結過程產生的余熱對于節能降耗有著非常重大的意義。為了充分利用燒結機尾煙氣的余熱，可以采用在燒結機尾煙氣處布置換熱器來預熱給水，產生熱水用于廠區的生產或生活用水；也可以利用燒結機尾煙氣余熱預熱冷卻機煙氣余熱鍋爐的給水，提高余熱鍋爐蒸汽的產量；還可以利用燒結機尾煙氣和環冷煙氣混合后進入余熱鍋爐產生蒸汽，提高煙氣余熱利用效率。具體采用何種技術改進方案，要從經濟上、技術上、燒結廠的實際情況等方面綜合考慮，找出符合生產現場實際需要的最佳余熱利用方式。

[1]王維興.科學評價中國鋼鐵工業能耗現狀與國內外對標[J].四川冶金,2009,31(4):1-6.

[2]徐國群.燒結余熱回收利用現狀與發展[J].世界鋼鐵,2009(5):27-31.

[3]錢植儀,張景智,夏辛明.寶鋼燒結生產工藝[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1995.

[4] 上海節能服務中心.寶鋼股份煉鐵廠燒結機增設余熱回收鍋爐[J].上海節能,2009(5):44-45.

[5]Ozdabak M.Emre Ertm Abdulakadir.Energy balance application for Erdemir Coke Plant with thermalcamerameasurements[J].Applied Thermal Engieering,2005,25:423-433.

[6]趙紅光,胡守忠,毛友莊.萊鋼燒結機廢氣余熱回收利用實踐[J].山東冶金,2009,31(4):12-14.

[7]梁雪梅,朱德慶,姜濤,等.燒結節能技術現狀與發展[J].燒結球團,2000,25(4):1-4.