燒結余熱發電熱源高效回收利用設備改造

張 平

（河鋼唐鋼能源科技分公司，河北唐山 063000）

引言

所有熱源本身都是具有品位（熱源質量）的，熱源的溫度不同，品位也就有所差異。熱源梯級利用理論就是針對不同品位熱源實現高效利用而提出的。在燒結余熱發電熱源獲取中，依照環冷機取溫點不同，對熱源等級進行劃分，遵循“高質高用，低質低用”的原則，將高品位熱源應用于鍋爐的高品位段，中品位熱源應用于鍋爐的中品位段，低品位熱源應用鍋爐的低品位段，改變原有的對不同品位熱源溫度煙溫進行混合后再利用的工藝模式，實現不同工作區域對不同熱源的效能轉換，實現燒結環冷及與余熱鍋爐之間的等級匹配，完全遵循能源的傭損分布理論和能源梯級利用理論，實現工作機組的效率提升。

1 唐鋼燒結余熱發電熱源獲取的改造方案

唐鋼現行燒結余熱發電熱源回收是從燒結冷卻機的高溫段和中溫段獲取煙氣后進行混合，將混合的煙氣從鍋爐爐頂、送入余熱鍋爐近期管道，廢氣從余熱鍋爐的下端出口排出返回燒結余熱環冷機，這種單進口單出口的工藝模式對熱源的利用效率較低，損失很大，同時對燒結環冷機的煙溫影響也較大。目前唐鋼燒結余熱發電環冷機的熱源具有不同的品位等級，目前的生產工藝中，只對燒結環冷中的高溫熱源進行了有效回收，還有相當一部分熱源并沒有加以利用，能源損失很大，同時也會對環境有所污染。針對這一生產實際情況，遵循能源梯級利用理論，對現有的燒結取溫點和余熱鍋爐進行設備改造，將鍋爐改成三進口模式，提升燒結的煙氣回收利用率，從而提升余熱發電機組的工作效率。

目前唐鋼燒結余熱發電作業區的燒結余熱發電鍋爐進口混合煙溫330℃左右，采用的是單進口單出口的工藝模式，煙氣在鍋爐中經過熱能交換后，出口煙溫150℃左右。經過設備改造，余熱鍋爐改成三進口單出口的工藝模式，完全遵照了能源的梯級利用理論原則，對不同品位的煙溫分別回收，如圖1所示。唐鋼燒結余熱發電三進口工藝模式分別從燒結環冷機的高溫段、中溫段和低溫段獲取煙溫，對應鍋爐的三個工作區域：過熱器，蒸發器，省煤器。三個工作區域自上而下階梯立式結構，三室相通。其中鍋爐的高溫工作區域與燒結高溫獲取煙道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約400～450℃，煙氣經過熱交換后，進入到鍋爐的中溫工作區域繼續進行熱交換；鍋爐的中溫工作區域與燒結中溫煙氣管道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約300～380℃，與高溫交換后的煙氣混合后繼續進行熱交換，進入到鍋爐的低溫工作區域繼續進行熱交換；爐的低溫工作區域與燒結低溫煙氣管道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約大約250～280℃，與前兩個工作區域交換后的煙氣混合后繼續進行熱交換，最終廢氣經過鍋爐出口排出送回燒結環冷機。這種多進口的余熱鍋爐將燒結余熱的熱源做到了最大化的利用，對熱源回收完全按照梯級利用理論模式設計，改造后的余熱鍋爐熱源利用率和煙氣回收了都有了顯著的提升。

圖1 三進口系統

2 唐鋼三進口雙壓燒結余熱鍋爐設備裝置

在余熱發電系統當中，余熱鍋爐是最重要的單體設備，一般情況下余熱發電鍋爐都采用單進口單排氣口的模式。三進口燒結余熱鍋爐對冷卻機不同品位熱源進行有效劃分后分段回收，保證冷卻機中的熱源可以得到最為充分的回收，所以說研發三進口燒結余熱鍋爐對整個燒結余熱發電系統優化具有重要的指導意義。三進口燒結余熱鍋爐結構采用上窄下寬的模式，根據熱源的溫度從不同的煙氣管道進入燒結余熱鍋爐內，對應不同溫度的工作室，為了適應熱源煙氣流量的變化，一般都采用雙壓的汽水工作系統，不同參數的蒸汽從汽輪機的主汽口和補汽口進入汽輪機聯合做功。唐鋼燒結余熱三進口雙壓式余熱鍋爐改造設備配置見圖 2所示，余熱鍋爐采用立式布置，配備雙汽包，具備以下幾方面的特點：

1）余熱鍋爐成立式梯形結構，上窄下寬，自上而下分別為鍋爐的中壓過熱器、低壓過熱器，中壓閃蒸器、低壓蒸發器，中壓省煤器、低壓省煤器。這三個工作區在鍋爐中劃分為高溫室，中溫室和低溫室，相互連通。每個工作室的上部設置熱源的進氣口，三個進氣口對應燒結冷卻機的高溫段，中溫段和低溫段，遵循梯級理論模型，根據熱源與工作室的溫度進行匹配，同時在低溫工作室下部設置煙氣排放口，最終將所有的混合煙氣排出。

2）為了延長鍋爐的使用壽命，在鍋爐高溫室內設置螺旋管圈水冷壁，水冷壁的內壁三面水平，其中一面可以采用傾斜的結構模式代替原有垂直的模式，這樣的布置方式有利于于熱廢氣以叉流方式同螺旋管圈水冷壁內水蒸汽進行熱交換，冷卻水動力穩定，散熱強度高，同時也簡化了鍋爐的內部結構，節約了成本開支。其余兩室都不設置水冷壁，采用裸壁的布置方式，但必須做好鍋爐本體的密封和絕熱。

3）為了增強鍋爐內部的熱交換效果，優化鍋爐的內部結構，鍋爐中的過熱器，蒸發器和省煤器均按照原設計模式采用蛇形環肋管錯列逆流布置，這樣的布置方式對于安裝質量，施工周期以及成本開支方面都十分有利。

4）三進口余熱發電鍋爐由于熱源氣流在鍋爐內部進行混合，所以容易出現氣流紊亂擾動的現象，產生偏熱差。為了有效避免這些現象的出現，鍋爐熱源進氣口都與鍋爐本體設置一定的傾斜角度，讓熱源煙氣沿鍋爐四周進入余熱鍋爐，不同工作室也可以多設置幾個熱源進氣口，在進氣口上可以安裝調壓風門來控制進氣量。也可以利用原有的進氣口處氣流擋板來調節熱源煙氣的方向和流速，這些方式都可以有效的消除熱偏差。對氣流穩定的調整措施有效的控制了煙氣的流速和溫度，從而提升高爐的工作效率。

5）燒結余熱發電鍋爐由于受熱膨脹，各個工作區域都存在軸向或者徑向的膨脹問題，在煙氣管道上也會出現膨脹的現象。為了更好地消除這類現象可以在各個銜接部位加裝膨脹節，鍋爐內部的過熱器，蒸發器和省煤器由于本身就采用了蛇形彎管布置形式，自身就對熱膨脹有良好的吸收作用，所以無需加裝任何設備。由于熱膨脹的存在，對于鍋爐本體要定期檢查密封情況，用可靠的密封材料進行密封絕熱處理。

圖2 唐鋼燒結余熱三進口雙壓式余熱鍋爐改造設備配置

3 改造后熱能系統的計算與分析

針對唐鋼360 m2燒結冷卻機熱源參數進行統計分析，對三進口雙壓余熱鍋爐改造后熱能系統進行模擬計算。改造后大致系統工藝流程如圖 3所示。

對應余熱發電鍋爐的高溫工作區域與燒結高溫獲取煙道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約400～450℃，煙氣經過中壓過熱器和低壓過熱器熱交換后，進入到鍋爐的中壓蒸發器和低壓蒸發器繼續進行熱交換；鍋爐的中溫工作區域與燒結中溫煙氣管道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約300～380℃，與高溫交換后的煙氣混合后與中壓蒸發器和低壓蒸發器進行熱交換，進入到鍋爐的中壓省煤器和低壓省煤器繼續進行熱交換；爐的低溫工作區域與燒結低溫煙氣管道相對應，獲取煙溫的溫度范圍大約大約250～280℃，與前兩個工作區域交換后的煙氣混合后與中壓省煤器和低壓省煤器進行熱交換，最終廢氣經過鍋爐出口排出，送回燒結環冷機。

余熱鍋爐經過這樣的工藝模式設備改造最終產生的中壓蒸汽溫度為380～410℃，壓力可以達到3～3.6 MPa，作為汽輪機主蒸汽進行機做功，同時產生低壓蒸汽溫度為260～300℃，壓力為0.25～0.6 MPa，以補汽的形式進入汽輪機做功，大幅的提升了現行余熱發電汽輪機的工作效率。對生產數據根據

圖3 雙壓式余熱鍋爐三進口工藝模式改造后熱系統圖

表1 余熱發電鍋爐三進口工藝模式改造后 損分布

對系統中的熱量和煙氣各參數進行統計分析如下：

（1）燒結冷卻機熱源品位參數

高溫段廢氣流量：100×104m3/h；

中溫段廢氣流量：220×104m3/h；

低溫段廢氣流量：180×104m3/h；

低溫段廢氣溫度：410℃；

中溫段廢氣溫度：310℃；

低溫段廢氣溫度：270℃。

（2）燒結余熱鍋爐設計及運行參數

相對內效率：0.85%；

機械效率：0.93%；

發電機效率0.93%；

熱端溫差：28℃；

高溫段接近點溫差：10℃；

高溫段窄點溫差：18℃；

低溫段接近點溫差：10℃；

低溫段窄點溫差：18℃；

除氧器進口溫差：90℃；

保熱系數：0.95。

（3）汽輪機運行參數

主汽流量：75 t/h；

主汽壓力:2.3 MPa;

主汽溫度:330℃;

補氣流量:35 t/h;

補氣壓力:1.3 MPa;

補氣溫度:250℃;

抽氣流量:1.5 t/h;

抽氣壓力:0.11 MPa;

抽氣溫度:130℃;

排氣壓力:0.082 MPa。

（4）燒結余熱發電設備運轉效率

發電功率:18000 kW;

水泵消耗功:5000 kW;

發電凈功率:13000 kW;

余熱利用率:0.65%;

廢氣出口溫度:130℃;

廢氣出口流量:380×104m3/h。

根據以上總數值可以得出結論，如果燒結熱源品位相同的條件之下，對余熱鍋爐進行三進口模式的設備改造之后，整個余熱發電系統的值的效率大幅提升，同時有效控制了煙氣出口的損，汽輪機發電效率勢必會有明顯提升。 通過數據計算分析得出結論，對唐鋼雙壓式余熱發電鍋爐進行三進口工藝模式的設備改造后，整個系統的發電功率為24.2 MW，比現行發電模式增加2.6 MW，綜合考慮在生產實際當中的相關附屬泵組電能消耗，最終整個余熱發電系統的發電凈功率增加了 1.8 MW。與此同時，由于對燒結余熱的熱源進行有效的充分利用，使得燒結環冷的回風溫度大幅降低，提升了燒結機的工作效率，其中熱源利用率和fffff4效率比原有運行狀況提升了10.2%和8.5%。

4 總結

對唐鋼燒結熱發電系統的鍋爐遵循梯級利用理論原則進行有效改造后，對采用的三進口工作模式進行了模擬計算和數據分析匯總，后期應將現有的25 MW發電機組更換為30～40 MW的發電機組，這樣的設備匹配從效能利用上更為合理。這種基于梯級利用理論的熱能回收原則，出了應用于燒結余熱發電工藝模式當中，還可以用應用于化工和建材等領域，相信在不久的將來該設備改造方案和工藝模式可以在整個余熱回收系統中得到更為廣闊的推廣。