長江鋼鐵燒結余熱發電實踐

周勁軍,史德明,包自力,顧厚淳

(馬鋼（集團）控股有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 項目概況

在鋼鐵生產過程中，燒結工序能耗約占總能耗的10%～12%，其中冷卻機排放的廢氣顯熱約占20%～28%[1]。馬鋼集團安徽長江鋼鐵股份有限公司建有3條192 m2燒結環冷生產線，燒結機配套3臺235 m2環冷機。為了能使環冷機余熱資源得到有效利用，由馬鋼集團安徽欣創節能環保科技股份有限公司采用BOT模式承建了長江鋼鐵燒結余熱發電項目：新建3臺22 t/h（7 t/h）雙通道雙壓式燒結余熱鍋爐；1套15 MW補凝式汽輪發電機組，余熱鍋爐產生中壓蒸汽作為汽輪機的主蒸汽、低壓蒸汽作為汽輪機補汽，推動汽輪機發電機組產生電能。

該項目于2014年12月開工，2015年10月投產，經過一系列攻關調試，年凈供電量達到7700萬kWh以上，噸礦發電量達到17 kWh以上，系統供電率達到77%以上，超過設計參數。

長江鋼鐵燒結余熱發電實踐是馬鋼在總結中國第一套燒結余熱發電系統經驗基礎上的又一次實踐創新。該項目成功實施，為國內余熱利用項目的高效利用提供了寶貴經驗，對推動行業節能工作有著重要的意義。

2 項目實施過程

2.1 余熱情況調研

長鋼擁有3臺192 m2燒結機組，年產燒結礦約600萬t。每臺燒結環冷機配有 4臺鼓風機，高溫燒結礦料經過鼓風冷卻后，約150～500℃煙氣經2座直接式煙囪（高中溫段）及開放式煙罩（低溫段）外排。通過對其2座煙囪排出廢氣的溫度、壓力、流量等參數進行了現場測試計算，確定192 m2燒結環冷機余熱回收煙氣參數，見表1。

表1 余熱資源量

2.2 廢氣設計參數的確定

設計采用雙溫煙氣熱風全循環方式，調研表明，當冷卻介質（空氣）初始溫度為50℃時，熱交換后的介質初溫比常溫時的高15℃，而當介質初溫為120℃時，介質初溫比常溫時的高45℃[2]。考慮到熱風循環將提高廢氣溫度，最終確定設計參數見表2。

表2 雙溫雙壓余熱鍋爐用環冷機廢氣設計參數

2.3 熱力系統設計

該系統主要由四個部分組成：（1）雙溫煙氣回收輸送全循環系統，每臺燒結機配備一套；（2）余熱鍋爐系統，每臺燒結機配備一套額定蒸發量為20.0/7.0 t/h的雙溫雙壓余熱鍋爐（350/220℃、1.45/0.5 MPa）；(3)汽輪發電機系統，三臺余熱鍋爐配備一套。汽輪機為BN15-1.3/0.35型單缸、沖動、補凝汽式；發電機額定功率為18 MW；(4)DCS集散控制系統及輔助設施等。

煙氣循環系統設計遵從如下三原則：①煙氣余熱（溫度）的梯級利用理論，即高溫燒結礦產生的高品質過熱蒸汽、低溫燒結礦產生的低品質微過熱蒸汽，高溫優先，保證余熱回收系統能源轉化效率最高；②采用熱風全循環方式，即換熱后的余熱鍋爐煙氣全部送入循環風機加壓后再對燒結礦進行冷卻換熱，對余熱鍋爐排煙余熱進行再利用；③煙氣平衡控制理論，保證高、低溫進氣煙管總流量與循環風機總流量平衡。

煙氣循環系統流程如圖1。燒結環冷機高、低溫封閉式煙囪出口的煙氣分兩路進入雙溫余熱鍋爐進行熱交換，廢氣溫度降至約130℃后，通過循環風機將全部煙氣經煙道返回環冷機底部、冷卻燒結礦循環使用，經余熱鍋爐換熱產生的中、低溫蒸汽推動汽輪發電機組發電。

圖1 煙氣系統流程圖

設計特點：

（1）關鍵動力設備采用變頻控制技術：循環風機、給水泵及凝結水泵等采用變頻控制，在滿足快速響應調整同時實現節能。

（2）環冷臺車密封采用柔磁性鋼刷式密封技術：提高密封穩定性同時，減少日常維護量及維護費用。

（3）關鍵設備參數選型及控制方式滿足實際操作需求：循環風機實際風量大于設計參數30%、全壓提高到6500 Pa，各煙氣管路配有自動調節閥，并安裝相應溫度、壓力、流量探頭，便于操作分析、調整。

（4）運行控制通過燒結余熱發電智能控制系統(BP-CICS)自動實現：通過實時采集燒結、還冷生產數據及煙氣溫度情況，預測及自動調整煙氣循環、余熱鍋爐、汽輪機等系統運行參數，做到多發電和少耗電的最優控制，實現了燒結余熱資源利用的最大化。

3 運行與完善

3.1 調試過程中出現的主要問題

該項目已于2015年10月投產。在調試初期以及運行過程主要出現以下問題：

（1）燒結機生產與余熱發電運行脫節，燒結終點溫度控制無序，造成機組運行起伏性較大；

（2）燒結余熱回收系統運行方式存在不合理因素，導致煙氣溫度及流量偏低且波動較大，沒有達

（1）提高燒結系統生產的穩定性及與余熱發電運行的契合度

管理制度上保證燒結生產與余熱發電一體。在保證燒結原料供應的穩定性、入爐原料的均勻性、生產調度的穩定性、設備運行的穩定性等方面的同時，嚴格控制燒結終點溫度，保證燒結礦熱源的穩定性。通過控制，環冷入料溫度由約350℃提高到430℃以上。

（2）優化燒結余熱回收系統控制方式

①采用煙氣系統分段全循環運行方式（見圖2）。即換熱后的余熱鍋爐外排熱煙氣（約130℃）僅對高溫燒結礦進行換熱，而低溫燒結礦換熱段僅通過冷卻鼓風機利用環境空氣進行換熱并實現煙氣平衡。此運行方式不僅可以最大限度實現能級梯級回收利用，而且可以防止高溫燒結礦低溫猝冷造成燒結礦粉化、影響燒結礦質量。到設計額定發電量，余熱回收效果欠佳；

圖2 分段熱風循環系統控制原理圖

（3）汽輪機真空度惡化；

3.2 改進措施

通過采用煙氣系統分段全循環運行方式，循環風機出口壓力由5000 Pa以上降低至約500 Pa。高溫段回風溫度提高到120℃以上，高溫段煙氣溫度提升約50℃且波動性減小；

②減少煙氣系統阻力，提高換熱效果。調整燒結環冷機料層厚度由約1.3 m至約1.0 m，保證循環風機出口壓力在1000 Pa以內。

③防止高溫熱量流失。將燒結礦下料處至機尾除塵煙道關閉，引導高溫煙氣進入余熱回收系統；控制集氣風罩處煙氣壓力保持微負壓狀態，防止熱風外溢及冷風大量吸入。

④提高鍋爐壓力、停止鍋爐減溫減壓裝置，提高進汽溫度至350℃左右。

⑤調整循環水系統加藥模式等措施，提高冷凝器換熱效果，汽輪機真空度達到-0.93 kPa以上。

通過調整，運行工況得到明顯改善，余熱鍋爐蒸發量超過額定22 t，蒸汽溫度提高20℃以上，排煙溫度降低20℃以上。就離汽輪發動機組最遠的3#余熱鍋爐而言，單爐運行發電功率由約1500 kW提升到約5000 kW。

4 實施效果

通過攻關調試，在正常生產情況下，長鋼燒結余熱發電系統發電量由每天不足25萬kWh提高到35萬kWh以上，平均發電功率由不足12 MW提升到15 MW以上（最高達到18 MW以上）且穩定性提升，供電率由不足70%提高到75%以上，噸礦發電量由不足12 kWh提升到16 kWh以上，達到國內先進水平，詳見表3 2016、2017年長江鋼鐵燒結余熱發電統計表。

表3 2016、2017年長江鋼鐵燒結余熱發電統計表

5 結論

長江鋼鐵燒結余熱發電實踐是馬鋼在總結中國第一套燒結冷卻機余熱發電系統（馬鋼二鐵帶冷機余熱發電系統）實踐經驗基礎上的又一次實踐創新，為國內余熱利用項目的高效利用提供了寶貴經驗，對推動行業節能工作有著重要的意義。

（1）通過采用分段熱風循環、燒結余熱發電智能控制系統(BP-CICS)等創新技術，實現了余熱回收效果的高效性、穩定性。

（2）通過采用BOT（建設、運用、移交）實施方式，做到了設計、施工、操作、維護專業化、精益化，為余熱發電系統的穩定運行提供了保證。

（3）全年凈供電量達到7700萬kWh以上，系統供電率達到77%以上，年綜合經濟效益5000萬元以上，并取得了良好的社會效益。