燒結工序余熱回收方案的經濟性分析

余 煌

(中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

1 引言

二十一世紀以來，全球經濟快速增長，能源供應和需求之間的矛盾日漸突出[1]，各個國家經濟的競爭很重要的一方面體現在能源的競爭上。改革開放以來，隨著我國經濟發展水平的不斷提高，能源消耗不斷增加，而全球能源儲量隨著工業發展逐步消耗而面臨緊缺，主要能源價格居高不下，能源供應和需求之間的矛盾成了制約我國經濟快速、持續、穩定發展的瓶頸[2-3]，2003年接踵而至的水荒、煤荒、電荒、油荒、氣荒等等，都在預示著我國將會面臨更加嚴峻的能源壓力。能源短缺和價格的居高不下造成全球工業企業生產成本的不斷增加和市場競爭壓力的增大，節能降耗、降低成本成為全世界工業企業生存競爭的關鍵。

鋼鐵行業是高消耗、高污染的“大戶”，從源頭上解決問題進而推動鋼鐵行業的大發展，已經成為科技型企業迫在眉睫的重要任務[4-6]。我國燒結工序能耗在鋼鐵企業中僅次于煉鋼而居第二位，據統計約占冶金行業總能耗的15%，比國外先進指標高出20%以上[7]，主要原因是余熱資源回收與利用水平太低[8]。在燒結生產中，通過熱廢氣和煙氣排放的熱量約占燒結總能耗的45%[9]。余熱回收利用對企業節能增效、降低成本具有重大的意義。

近年來，利用余熱回收生產蒸汽發電得到了比較廣泛的應用[10]，通過經濟分析比較可知，發電系統正常運轉后，在2年內可以收回投資，以后每年可以給企業節約幾千萬元的成本，經濟效益十分顯著。但是余熱發電有其無法消除的缺點[12]：所發電能并網困難，只能供本廠區使用；發電過程增加了熱能轉化為電能的環節，使能源的利用率降低了20%[13]。

另一種利用余熱的方式是將汽輪機作為動力裝置直接驅動水泵、風機、壓縮機等旋轉設備[14]，這種方式可以在一定程度上彌補發電的缺點。直接拖動的方式不但設備簡單，投資少，而且經濟效益也比發電高得多，因為它沒有發電機和電動機等中間環節，減少了因為增加能量交換環節帶來的能量損失[15]。但這種方式也有一定的缺陷：汽輪機位置較為分散，管理起來較為困難；旋轉設備需要配備輔助動力，增加雙出軸電動機，用于汽輪機維護、故障及系統剛開始運行時驅動旋轉設備，增加了投資[16-17]。

為了比較這兩種方式的優劣，本文針對利用余熱發電和驅動設備兩種方式，為每種方式建立了兩種方案，通過經濟性分析的方法進行比較，以確定在經濟方面收益較大的余熱利用方式。

2 余熱利用方案

2.1 余熱發電方式

余熱發電方案示意圖如圖1。燒結礦在燒結機中燃燒，而后在環冷機中冷卻。燒結礦在冷卻的過程中釋放了大量的熱量。余熱發電方案通過余熱鍋爐來生產蒸汽，回收燒結機尾落礦風箱及燒結冷卻機密閉段的煙氣余熱，進而推動汽輪發電機組做功發電。

圖1 余熱發電方案示意圖

為比較不同設備容量對于余熱回收效果的影響，設計了兩種余熱發電方案，兩種方案的主要設備參數如表1所示。

方案一：采用450 m2的燒結機，余熱鍋爐回收環冷機冷卻段廢氣，通過余熱回收生產低壓蒸汽，產生的低壓蒸汽一部分給汽輪機用于發電，剩余的則供給本廠區生產采暖取用。設備布置方案如圖1所示。

表1 余熱發電主要設備參數

方案二：采用360 m2的燒結機，余熱鍋爐回收環冷機冷卻段廢氣，產生的蒸汽一部分進入汽輪機發電，一部分用于供給本廠生產及采暖使用。設備布置方式與方案一相同。

2.2 余熱驅動機械方案

余熱驅動機械方案中，收集熱量的過程與余熱發電方案相同，主要區別在于汽輪機組發電主要用于帶動機械設備運轉。為比較不同汽輪機負荷對余熱利用效果的影響，設計了兩種方案，如下所示：

方案一：采用450 m2的燒結機，通過余熱鍋爐回收環冷機冷卻段廢氣，利用汽輪機直接驅動循環風機、環冷風機和除塵風機。利用汽輪機直接驅動風機時，當燒結系統剛開始運行時，余熱回收系統還未投入運行，此時汽輪機無法工作，所以需要為風機設雙動力，即增加雙出軸電動機，用于系統開始運行至穩定期間，或是汽輪機維護或故障時驅動風機。布置方式如圖2所示。

方案二：采用360 m2的燒結機，余熱鍋爐回收環冷機冷卻段廢氣，利用汽輪機直接驅動循環風機、環冷風機。布置方式如圖3所示。

圖2 余熱驅動機械方案一布置示意圖

圖3 余熱驅動機械方案二布置示意圖

3 經濟性評價指標

系統收益計算公式如下：

In=Q-P

(1)

式中：In為余熱改造的年凈收益，萬元；Q為年收益，萬元；P為年投資，萬元。其中余熱回收的收益主要來自兩方面，節約電力購買費用與蒸汽購買費用。年投資主要來自于運行成本費用和機組維修監護費用。年收益的計算公式如下所示：

Q=Q1+Q2

(2)

式中：Q1和Q2分別為節約的電力購買費用和蒸汽外購費用，萬元。兩者的計算公式如下：

Q1=CePeT

(3)

Q2=Cvmv

(4)

式中：Ce為電價，元/kWh；Pe為節省下的電量，kW；T為一年工作時間，在本文中，取一年工作時間為8 000 h。Cv為蒸汽外購費用，元/t；mv為節省下的蒸汽量，t。其計算公式如下所示：

mv=m1-m2

(5)

式中：m1，m2分別為余熱鍋爐產生和汽輪機消耗的蒸汽，t。

利用余熱發電與利用余熱驅動設備，節省電能計算公式有所不同，對于利用余熱發電的方式，由于循環風機運行時，一號冷卻機停機，故消耗的電能需要減除冷卻機的功率。其節省的電能計算公式如下所示：

Pe=Pee-(Pe1+Pe2-Pe3)

(6)

式中：Pe、Pee、Pe1、Pe2、Pe3分別為節省的電能、余熱發電、循環風機、附屬設施及單個冷卻風機功率，W。

而對于利用余熱驅動機械設備的方案，其節省的電能如下所示：

Pe=Pe3n1+Pe4n2-Pe5

(7)

式中：Pe3、Pe4、Pe5分別為環冷風機、除塵風機及附屬設備增加的總功率，W；n1和n2分別為環冷風機與除塵風機的個數。

年投資計算公式如下所示：

P=P1+P2+P3

(8)

式中：P1和P2、P3分別為運行費用、設備維護費用和設備固定投資，萬元。運行費用的計算公式如下所示：

P1=nem

(9)

式中：n為所需要的工人數量，人；e為工人每月工資支出，萬元/(人·m)；m為工人工作月份，m。在本文中，工人一年工作月份設定為12個月。

以靜態投資回收期為指標評價余熱投資回收能力，投資回收期計算公式為：

(10)

式中：PPB為投資回收期，年；I為總投資，萬元，主要包括了設備費用、輔機設備、土建費用。

4 經濟性分析

4.1 余熱發電方案

根據實際情況，列出了余熱發電方案中技術性分析所需要的參數，如表2所示。表3列出了余熱發電兩種方案的經濟性分析。

表2 余熱發電所需經濟性參數

從表3中可以看出，方案一的發電量更高，投資回收周期也較短，分別為9 050 kW和17個月。方案二的發電量相對較低，投資回收周期相對較長，分別為6 460 kW和18個月。對兩種余熱發電方案的經濟性分析說明：余熱發電能在短時間內收回投資成本，每年也能產生較高的收益；相比較而言，配備功率大的機組有利于更快地收回成本。

表3 余熱發電經濟性分析

4.2 余熱驅動機械方案

根據實際情況，表4出了余熱驅動方案中技術性分析所需要的參數，兩種余熱驅動方案的經濟性分析如表5所示。

表4 余熱驅動所需經濟性參數

從表5中可以看出，方案一節省的電能更多，為5 400萬kWh，投資回收周期也比較短，為9個月。方案二節省的電能相對較少，為2 700萬kWh。投資回收周期也為9個月。兩種方案的投資回收周期沒有差別，這說明，汽輪機的負荷對于投資回收周期的影響不大。其次，余熱驅動機械的兩個方案收回成本時間都小于利用余熱發電方案收回成本所需時間。這說明余熱驅動機械方案能在短時間內收回投資成本，更具有經濟優勢。

表5 余熱驅動經濟性分析

5 結論

本文針對鋼鐵廠燒結工序的兩種余熱利用方式，對比分析了不同方案的經濟性，結論如下：

(1)余熱發電方案中，當發電機組功率較大時，整個余熱回收系統投資回收期更短。

(2)余熱驅動機械方案中，汽輪機的負荷大小對于投資回收周期的影響不大。

(3)相比于余熱發電方案，余熱驅動機械方案的投資回收期更短，表明余熱驅動機械方案具有良好的經濟性。