補燃型燒結余熱利用燃料量與蒸汽產量的研究

徐迎超，樊 泳，周玉磊，寇彥德

（1北京首鋼國際工程技術有限公司能源環保事業部；2北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京 100043）

前言

補燃型余熱利用目前在各行各業均已展開了研究，已不是什么新名詞。燃氣-蒸汽聯合循環發電中補燃余熱鍋爐解決了余熱鍋爐蒸汽量和溫度不達標的問題[1]，補燃可以提高聯合循環中蒸汽動力裝置部分效率[2]。哈爾濱鍋爐廠針對水泥行業低溫余熱利用采用了外部補燃的鍋爐，對不滿足汽輪機進汽要求的蒸汽參數進行提高[3]。燒結余熱利用補燃技術可以降低排煙損失，提高余熱鍋爐效率，因此提高了系統循環效率[4]。但是對不同蒸汽參數工況條件下補燃燃料量與蒸汽產量之間的關系，目前還未有人涉及。

本文結合首鋼京唐550 m2燒結余熱回收，補燃燃料采用高爐煤氣（BFG），對不同蒸汽參數工況下燃料量與蒸汽產量之間的關系進行研究。

1 首鋼京唐550 m2燒結環冷機概述

首鋼京唐550 m2燒結環冷機設有6臺循環冷卻風機，每臺循環風機對應4個風箱，將循環冷卻風機對應的風箱的出風口設置為余熱回收的入口，共可以設置6段煙氣回收口。每臺循環風機風量為60萬m3/h，考慮到環冷機罩殼及風箱漏風，每段煙氣回收量按40萬m3/h設計，環冷機不同風箱出口空氣溫度見表1。

表1 環冷機風箱出口空氣溫度

根據表1中的不同風箱溫度，可以計算出環冷機對應的6段煙氣回收溫度，見表2。

根據表1和表2中的參數，考慮只采用優質熱源的原則，本次補燃型燒結余熱利用取用I段、Ⅱ段及Ⅲ段前2個風箱熱風。各段取用風量為I段40萬m3/h、Ⅱ段40萬m3/h、Ⅲ段9號和10號風箱共20萬m3/h，熱煙氣共計100萬m3/h。

表2 環冷機回收煙氣溫度

2 補燃型燒結余熱利用不同蒸汽參數工況下燃料量與蒸汽產量的研究

補燃型燒結余熱利用根據汽輪機進汽參數選取了以下三個工況進行燃料量與蒸汽產量的研究，余熱鍋爐模型均采用三壓余熱鍋爐模型進行計算比較。

（1）高壓高溫工況

主蒸汽參數：P=9.81 MPa，T=540 ℃；

低壓蒸汽參數：P=1.0 MPa，T=250℃；

低低壓蒸汽參數：P=0.5 MPa，飽和。

（2）中溫中壓工況

主蒸汽參數：P=3.82 MPa，T=450 ℃；

低壓蒸汽參數：P=1.0 MPa，T=210℃；

低低壓蒸汽參數：P=0.5 MPa，飽和。

（3）次中溫中壓工況

主蒸汽參數：P=2.0 MPa，T=360 ℃；

低壓蒸汽參數：P=1.0 MPa，T=200℃；

低低壓蒸汽參數：P=0.5 MPa，飽和。

2.1 高壓高溫工況下補燃燃料量與蒸汽量的研究

根據圖1可知，在無補燃工況下燒結環冷機余熱回收無高壓高溫蒸汽產出，純高爐煤氣工況時可以產出高壓高溫蒸汽，且隨著燃料量增加，蒸汽量增加。

圖1 高壓高溫工況下補燃燃料量與蒸汽量的關系

在補燃余熱回收工況下燃料量小于4萬m3/h時，高壓高溫蒸汽產量高于純高爐煤氣，這說明余熱回收在發揮作用，燒結環冷機2.0 MPa蒸汽和1.0 MPa的部分蒸汽受到高爐煤氣能量的驅動轉化為了高壓高溫蒸汽，所以比純高爐煤氣蒸汽產量高；燃料量在4萬m3/h附近時，純高爐煤氣和補燃余熱回收蒸汽產量有了交點，之后純高爐煤氣高壓高溫蒸汽產量大于補燃型余熱回收，交點處說明燒結余熱回收可被轉化為高壓高溫蒸汽的蒸汽量已經用完，所以此交點是最佳補燃工況點。

在補燃余熱回收工況下，1.0 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，隨著燃料量的增加，蒸汽產量降低且趨于穩定；0.5 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，與燃料量的增加無關。

2.2 中溫中壓工況下補燃燃料量與蒸汽量的研究

根據圖2可知，在無補燃工況下燒結環冷機余熱回收無中溫中壓蒸汽產出，純高爐煤氣工況時可以產出中溫中壓蒸汽，且隨著燃料量增加，蒸汽量增加。

在補燃余熱回收工況下中溫中壓蒸汽產量高于純高爐煤氣，且燃料量小于1.2萬m3/h時，中溫中壓蒸汽產量小于2.0 MPa的蒸汽產量，這說明燒結環冷機2.0 MPa蒸汽作為高爐煤氣能量的驅動轉化為了中溫中壓蒸汽主要來源，所以比純高爐煤氣蒸汽產量高很多；燃料量在4.75萬m3/h附近時，純高爐煤氣和補燃余熱回收蒸汽產量間距明顯收窄，且趨于平行，這也說明燃料量大于4.75萬m3/h時，余熱回收能力的主要地位被高爐煤氣取代，說明此點是補燃工況的最佳點。

圖2 中溫中壓工況下補燃燃料量與蒸汽量的關系

在補燃余熱回收工況下，1.0 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，隨著燃料量的增加，蒸汽產量降低且趨于穩定；0.5 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，與燃料量的增加無關。

2.3次中溫中壓工況下補燃燃料量與蒸汽量的研究

根據圖3可知，在無補燃工況下燒結環冷機余熱回收可以產出次中溫中壓蒸汽，純高爐煤氣工況時也可以產出次中溫中壓蒸汽，且隨著燃料增加，蒸汽量增加。

在補燃余熱回收工況下次中溫中壓蒸汽產量高于純高爐煤氣，且高于環冷機余熱回收2.0 MPa的蒸汽產量，這說明此時的次中溫中壓蒸汽產量為余熱回收和高爐煤氣的蒸汽產量的疊加，所以比純高爐煤氣蒸汽產量高很多；燃料量在4.75萬m3/h附近時，純高爐煤氣和補燃余熱回收蒸汽產量間距明顯收窄，且趨于平行，這也說明燃料量大于4.75萬m3/h時，余熱回收能力的主要地位被高爐煤氣取代，說明此點是補燃工況的最佳點。

圖3 次中溫中壓工況下補燃燃料量與蒸汽量的關系

在補燃余熱回收工況下，1.0 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，隨著燃料量的增加，蒸汽產量降低且趨于穩定；0.5 MPa的蒸汽產量大于無補燃工況，與燃料量的增加無關。

3 結論

(1)補燃技術對蒸汽品質的提高有積極影響，從3種不同工況來看，次中溫中壓工況下雖然蒸汽產量提高了，但是蒸汽品質沒有提高，所以在次中溫中壓工況下進行補燃的意義不大。

(2)補燃余熱利用技術中余熱利用起到主要作用的工況是中溫中壓工況，所以燒結余熱利用補燃工況最好采用中溫中壓工況。

(3)從以上3種不同工況分析，可以得出首鋼京唐550 m2燒結機余熱利用最佳燃料補燃量為4.75萬m3/h。