寧鋼燒結余熱發電系統運行現狀與分析

寧鋼燒結余熱發電系統運行現狀與分析

錢惠明1,林文2

（1寧波鋼鐵有限公司,浙江寧波315800;2寶鋼工程技術集團有限公司,上海200940）

介紹了寧鋼燒結余熱發電工程的概況，并針對項目在實際運行中出現的問題進行分析，提出相應的建議和解決方案。

燒結;余熱發電;運行;分析

1 前言

在鋼鐵企業中，燒結工序的能耗將近占到生產總能耗的20%，可謂“耗能大戶”。而在燒結工序中的可利用余熱資源量約占全企業余熱資源總量的13.79%[1]。為此，國家工信部在2009年底頒布了《鋼鐵企業燒結余熱發電技術推廣》，意在大力發展燒結余熱回收發電技術。從實現能源梯級利用的高效性和經濟性角度分析，余熱回收發電是最為清潔有效的余熱利用途徑，平均每噸燒結礦產生的煙氣余熱回收可發電15～20 kWh，折合噸鋼綜合能耗減低8 kgce。寧波鋼鐵有限公司（以下簡稱“寧鋼”）燒結余熱發電項目于2011年10月投產，本文將就該項目幾年來的實際運行狀況和出現的問題進行分析，并結合已實施的設備、工藝改造加以論述。

2 寧鋼燒結余熱發電項目的系統工藝流程主要設備組成

寧鋼采用鼓風環冷方式冷卻燒結礦。燒結礦在機尾經破碎進入環冷機時，其溫度仍高達700～800℃，料層厚約800～1600 mm。鼓風機從環冷機底部鼓入冷風，在穿越料層對燒結礦進行冷卻時被加熱為高溫煙氣。在環冷機前段煙氣溫度可達350～400℃，中段煙氣溫度可達250～300℃。

寧鋼燒結余熱發電的工藝流程為：通過設置循環引風機將高溫煙氣引入余熱鍋爐，在余熱鍋爐內加熱經過預處理的軟化水，分別產生1.9 MPa、300～350℃的中壓過熱蒸汽和0.5 MPa、150～170℃的低壓過熱蒸汽，蒸汽送入1臺15 MW凝汽式汽輪發電機發電，再通過凝結水泵將凝結水送回余熱鍋爐完成循環。工藝系統如圖1所示。

燒結余熱發電系統由三部分組成：煙風系統、鍋爐汽水系統、汽輪機及發電機系統。為了提高可利用煙氣溫度和余熱回收效率，充分實現能源的梯級利用，本項目煙氣系統采用煙氣再循環方式。將余熱鍋爐排出的140℃煙氣通過循環引風機增壓后再鼓入帶冷機下部，代替環境溫度下的空氣冷卻燒結礦，正常生產時煙氣不外排，環保效果好。而在鍋爐汽水系統采用雙壓雙通道技術，產生的中、低壓過熱蒸汽分別送入汽輪機發電。考慮到燒結生產的不穩定性，為了保證發電機組安全、穩定、連續運行，項目設計中增設了一路由相鄰發電機組引來的中壓保安蒸汽。在燒結負荷波動，或短時間故障檢修時，可以由保安蒸汽維持余熱發電機組正常運行。

3 投產后的運行情況

寧鋼燒結余熱發電項目設計、施工及投產初期寧鋼僅有1臺430 m2燒結機（以下簡稱1#燒結機），當時鐵水產能400萬t（規劃為600萬t）。項目是針對1#燒結機實施余熱回收改造，余熱回收系統的設計與配置兼顧寧鋼擴大產能的規劃預期，所以機組按照1#燒結的設計產能進行配置及選型，蒸汽系統按照600萬t總體規劃進行設計。寧鋼燒結余熱發電于2011年10月進入生產調試，在投產第一年，平均發電,負荷8275 kW/h，夏季平均負荷8900 kW/h，冬季平均負荷8050 kW/h，最高負荷14500 kW/h，噸礦（成品燒結礦）發電量約15.3 kWh。

2012年年底，寧鋼新燒結（以下簡稱2#燒結）投入生產運行調試，1#燒結負荷同步下調由950 t/h下降到700 t/h，余熱鍋爐蒸汽壓力和溫度也隨之下降，余熱發電機組平均發電功率僅為3400 kW/h。2013年冬季由于中壓蒸汽溫度、流量時常達不到汽輪機的進汽要求，汽輪機發電機組已無法正常運行。

表1所示為2012年5月～2013年11月的平均值。很明顯隨著1#燒結負荷的下降，余熱鍋爐產生的蒸汽參數、流量和發電負荷均大幅降低。由于寧鋼產能提升尚在規劃中，如何提高燒結余熱發電設備的利用率，增加機組發電負荷就成了急待解決的重中之重。

圖1 燒結余熱發電工藝系統圖

表1 2#燒結投產前后的生產統計表

4 燒結余熱發電機組不能正常運行的原因分析

4.1 燒結低負荷生產

在2#燒結建成投產之后，為了確保其安全、穩定生產，2#燒結負荷不能低于50%。由此1#燒結的負荷必須降至原先的70%。燒結在低負荷生產情況下，進入環冷機的燒結礦溫度顯著降低。經檢測，燒結滿負荷生產時，燒結礦進入環冷機時的平均溫度高達700～800℃；在70%左右產能時，燒結礦落礦溫度降低30%，即使將燒結終點位置控制到比滿負荷還靠后的狀態，進入環冷機的燒結礦溫度也只有500℃左右。意味著可利用的總熱量大幅減少，煙氣溫度大幅降低，隨之帶來主蒸汽品質下降。進入冬季由于蒸汽過熱度不能滿足機組安全運行參數，導致機組無法正常運轉。

4.2 燒結生產的不穩定性

鋼鐵企業的燒結機作業率一般都維持在85%以上，但由于設備運行的不穩定性，生產過程中短時間停機的情況非常普遍，難以保證熱源的連續性。寧鋼在2#燒結未投產之前，1#燒結長期過負荷生產，設備壓力極大。我們做過統計，僅在三個月內1#燒結非正常檢修次數高達150次。雖然大多數檢修時間僅為幾個小時，仍造成煙氣溫度大范圍波動，余熱鍋爐產汽量和產汽品質相應下降。

由于汽輪發電機組對熱源穩定性的要求非常高，蒸汽品質降低嚴重時機組會甩負荷，從而嚴重影響發電量和設備的安全運行。

4.3 環冷機的密封

環冷機下部風箱和臺車上部集氣煙罩相對固定，臺車沿軌道作圓周循環運動，故而形成臺車上、下動、靜結合部分。在運行一段時間以后，臺車連接緊固部分松動，加之長時間高負荷運行受熱產生熱變形，使原有密封逐步弱化，產生大小不一的間隙，這會造成大量的散熱及漏風損失。

由于臺車上部煙罩內為微負壓，間隙越大，冷空氣越容易吸入煙罩，從而降低了煙氣溫度。而下部風箱密封處的間隙，會造成循環的熱風直接溢出環冷機外，熱風無法通過燒結料層再加熱，熱風循環效果大受影響。根據寧鋼熱平衡檢測的結果可知，漏風及排風損失占整個熱支出的60%左右，可謂影響巨大。

表2 1#燒結熱平衡測試

針對上述原因分析，我們認為處于目前狀態就燒結余熱發電而言仍有潛力可挖。

5 改進措施及實施效果

5.1 優化兩臺燒結的生產作業模式

在目前產能固定的情況下，燒結生產必須探索尋求一個既能保證燒結穩定生產及燒結工藝節能并兼顧余熱發電效益的生產模式。寧鋼在2#燒結投產后最初的設想是：1#燒結按50%負荷，2#燒結按70%負荷組織生產；或各帶60%負荷生產。在充分協調、論證后，最終調整為1#燒結帶70%負荷，2#燒結帶50%負荷。發電機組要想達到設計標準只有在將來寧鋼擴大產能后，這部分矛盾才會真正得到緩解。

5.2 提高燒結生產穩定性

為了提高提高1#燒結生產穩定性，在2#燒結投產后寧鋼安排了一次1#燒結大修，徹底解決了一些設備上存在的歷史舊賬。對1#燒結設備運行穩定，降低非正常檢修的次數帶來較大的改觀。

同時對余熱發電機組保安蒸汽的控制系統和疏水系統做了改造、優化。作為應急汽源，正常運行時以小流量通入汽輪機使其始終處于熱備用狀態。當1#燒結突發設備故障非正常停機，或主蒸汽過熱度、流量不足時，立即投入保安蒸汽。在目前燒結低負荷生產情況下，通過快速、穩定供應保安蒸汽，一方面保證了汽輪發電機組不會應燒結故障甩負荷，避免停機；另一方面也提高了主蒸汽的過熱度，穩定主蒸汽的品質，從而提高余熱發電的效率。

另外，我們將寧鋼全廠富裕的低壓蒸汽減壓至0.5 MPa與燒結低壓蒸汽混合后一起送入汽輪機補汽門，補汽量顯著增加，解決了低壓蒸汽放散的同時，提高了發電量。

5.3 環冷機密封改造

從表2可見漏風及排風損失占很大比例，事實上在燒結余熱發電投產后一年就已發現環冷機密封設施出現了較為嚴重的損壞。在1#燒結大修期間同步對環冷機實施了密封改造和修復，上部密封考慮采用耐磨耐高溫的玻璃纖維柔性材料，下部密封針對現場臺車不規則的情況量體裁衣進行設計，優化密封結構。改造修復后，環冷機循環熱風泄漏量和高溫煙氣冷空氣吸入量明顯減少，確認是提高燒結余熱發電效率的有效方法。

5.4 風機變頻改造

寧鋼燒結余熱鍋爐設計選用一臺2700 kW低速循環風機，通過風機進口擋板調節進入余熱鍋爐熱煙氣流量，控制環冷機煙罩內的風壓在50 Pa左右。由于擋板調節精度差，環冷機煙罩內的風壓經常處在-50Pa～-150Pa，造成大量外部冷空氣被吸入煙罩內，降低了煙氣溫度。另一方面，受燒結負荷限制影響鍋爐負荷僅為設計的40%～60%，這種情況下采用擋板調節，風機耗電巨大。鑒于上述兩點不利因素，對循環風機電機進行了變頻改造。改造后風機通過改變頻率調節風機轉速，煙罩內的風壓可以精確控制在微正壓狀態，同時發電機組自耗電率由原來40%以上降至25%以下。

在完成以上措施的實施后，效果非常顯著，不但減少了漏風問題，同時在同等外部條件下發電量提高了約97%，機組平均自耗電率下降了約30%。機組冬季無法正常運行的狀況得到根本解決。改造前后的參數對比見表3。

表3 改造前后基本參數對照表

6 結語

寧鋼燒結余熱發電項目投產3年來運行的情況說明了燒結減產、生產工況的波動以及環冷機的密封對余熱發電的影響，特別是燒結減產對余熱發電影響巨大。建議在項目論證階段選擇機組容量時按照一定時間內較為穩定的燒結礦產量選取，不宜放大。另外，燒結工藝本身決定了生產工況的波動不可避免，但可以通過生產調配，例如控制料層厚度、終點溫度、冷卻風速等手段加以改善。同時應優化設計環冷機的上下部密封，這也是增強余熱發電系統穩定性有效手段。此外，本項目還采用了風機變頻改造及引入富裕低壓蒸汽發電等其他手段，改造完成后系統穩定性大大增加，發電量顯著提高。

[1]苑安民，張娣．鋼鐵企業余熱資源的“量”與“質”[J]．冶金能源，2008年第4期：48～51．

表1 吹灰前后主要參數對比

5.1 效益

我廠標煤消耗量為28.6 t/h，按煤500元/t計算每小時的燃煤價格為：14300元。對應爐效提高0.4%下降煤耗的經濟效益為57.2元，2號爐全年運行時間為8200 h全年效益為：47萬元。

5.2 支出

蒸汽吹灰全程共計80 s，吹灰時間為20 s根據表1中的蒸汽消耗參數計算得蒸汽消耗：20 kg/min ×16×341天=109120 kg

支出費用=109120 kg×180×10-3≈2萬元

故每年的實際收益為45萬元。

5.3 其它

蒸汽吹灰不僅帶來了實際的經濟效益而且還大大的提高了鍋爐運行的安全性。

因為換熱管道的結焦導致受熱面換熱不均勻煙氣側產生局部高溫，嚴重時可能導致爆管，而且運行中還會有大塊焦渣掉落的可能，砸壞冷灰斗水冷壁管，造成被迫停爐的安全隱患。

6 總結

蒸汽吹灰系統在安全穩定運行的情況下不僅僅能提高鍋爐效率帶來經濟效益而且還能減少鍋爐運行中因結焦而造成的安全隱患，所以在平時的使用維護中應嚴格按照規程規定操作。

[參考文獻]

[1]白國亮.鍋爐設備運行[M]：北京：中國電力出版社.2008.4.

收稿日期：2015-03-27

作者簡介：趙華（1972-），男，大學專科學歷，現從事電廠鍋爐技術工作。

The Operation State of the Power Generation System Using Sintering W aste Heat at Ningbo Steel

Qian Huiming1,Lin Wenquan2
(1.Ningbo Iron&Steel Co.,Ltd.Ningbo,Zhejiang 315800;2.Baosteel Engineering&Technology Group Co.,ltd.,Shanghai 200940,China)

The power generation project of Ningbo Steel using sintering waste heat is briefly introduced,problems occurring in the operation process of the project are analyzed and relevant suggestions and solutions are put forward.

sintering;power generation with waste heat;operation;analysis

TM617

B

1006-6764（2015）08-0050-04

2015-03-17

錢惠明(1965-),男,1989年畢業于浙江省工業學院（現浙江省工業大學）化學工程專業，工程師，現從事生產技術管理工作。