152m2步進燒結機余熱發電項目研究

王華山，邱萬民

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2.中冶天工集團有限公司，天津 300308）

0 引言

日前工信部公布了《鋼鐵企業燒結余熱發電技術推廣實施方案》，計劃在重點大中型鋼鐵企業中有針對性地推廣燒結余熱發電技術，為鋼鐵企業在日益激烈的市場競爭中進一步降低生產成本、實現節能降耗發揮積極作用[1-2]。某鋼鐵企業現有一臺152m2步進式燒結機，燒結冷卻機與燒結機一字布置在燒結機后部。燒結機風箱溫度從1#出口風箱到19#出口風箱平均溫度值從70℃到370℃，燒結冷卻機風箱溫度從20#出口風箱到41#出口風箱平均溫度從400℃到70℃左右。為充分回收利用燒結冷卻段余熱、降低燒結工序能耗，該公司決定聯合設計單位開展152m2步進式燒結機余熱發電項目。該項目以152m2步進式燒結機冷卻段高溫煙氣為熱源，采用余熱鍋爐產生低壓飽和蒸汽，用凝汽式螺桿膨脹機組進行發電。

該項目自投運以來，經過調試消缺，運行基本正常。但由于步進式燒結機間歇產熱，導致余熱蒸汽的產生量波動太大，僅能維持螺桿膨脹機組的勉強運行，在引進保壓汽源后，發電量達到設計指標。由于步進式燒結機冷卻段余熱發電項目在國內成功開發的案例很少[3]，因而本文著重分析了步進式燒結機余熱利用發電項目在設計、施工、運行中值得注意的關鍵技術。

1 步進式燒結機余熱發電工藝

1.1 步進式燒結機概況

該企業步進式燒結機有效面積152m2，燒結臺車規格為4m×2m，欄板高度為850mm，料層厚度為800mm，燒結機利用系數1.35t/m2·h，年產燒結礦150 萬噸。燒結機冷卻方式為帶冷機冷卻，帶冷機對應的冷卻風箱為20#～41#，燒結機冷卻段煙氣溫度為400℃～700℃。燒結機冷卻主抽風機為1 臺，風量為520000Nm3/h，風機工作溫度為200℃（短時300℃），風機風壓為-10000Pa。

1.2 發電工藝流程

該該發電項目是在燒結機旁建設一座余熱鍋爐，利用燒結冷卻段高溫煙氣生產低壓飽和蒸汽，然后輸送至燒結主抽風機房后的螺桿及凝汽式螺桿發電站進行發電[4]。燒結余熱發電系統流程如圖1所示。

圖1 燒結余熱發電系統流程圖

1.3 發電設備主要構成

1.3.1 余熱鍋爐

燒結余熱鍋爐采用單壓自然循環余熱鍋爐。余熱鍋爐設計經濟出汽量為15t/h，最大出汽量18t/h；蒸汽壓力1.1MPa，溫度184.07℃；設計煙氣量為23萬Nm3/h，鍋爐進口煙氣溫度300℃，出口煙氣溫度160℃；鍋爐給水溫度45℃。余熱鍋爐配套設施有軟水制備系統、吹灰卸灰裝置、儀電系統和PLC控制系統等。

1.3.2 發電站

燒結余熱發電驅動采用蒸汽型螺桿膨脹機組，發電機采用高效異步發電機，整個燒結余熱發電系統分為兩極。第一級為背壓式螺桿膨脹發電機組，型號為KSGe745150/550-V，螺桿膨脹機進汽壓力為0.8MPa，出汽壓力0.15MPa，發電機功率1400kW；第二級為凝汽式螺桿膨脹發電機組，型號為KSGe366143G2/245，螺桿膨脹機進汽壓力為0.15MPa，凝汽端壓力0.015MPa，發電機功率800kW。整個發電系統膨脹機組配套設施有稀油系統、進汽過濾和調節系統、安全放散系統、儀電系統和PLC控制系統等。

2 燒結余熱發電系統采用的關鍵技術

2.1 燒結機冷卻段中間隔離的設計

該燒結機原有冷卻段風箱21 個，風箱之間在上部是貫通的，未有隔層，其冷卻段的高溫部分與低溫部分不能區分開，使得高溫部分與低溫部分的阻力在整個燒結冷卻段風箱間自成平衡[5]。

經過嚴格的計算后，為爭取回收更多的熱量，結合燒結本體現場實際構造情況，決定選取該燒結機冷卻段前11 個風箱的高溫煙氣作為燒結余熱鍋爐的熱源。因此在冷卻段31#與32#風箱間增加一套隔離裝置，將冷卻段高溫煙氣部分與低溫煙氣部分隔離開來。在后期的調試運行中，此技術非常關鍵，成為項目成功的必要條件之一。

2.2 余熱鍋爐的選型設計

燒結冷卻段高溫余熱蒸汽鍋爐的選型是整套系統運行穩定的關鍵，要充分考慮燒結系統生產的波動性，做到滿產高溫下鍋爐汽包額定出力含的住，確保發電系統生產的安全、穩定性[3]。

為此，該項目充分考慮燒結滿產的最大風量及最高溫度，并結合鍋爐投資的經濟性，選擇15t/h 蒸汽量作為鍋爐的額定出汽量，鍋爐最大出汽量可達18t/h。在夏季燒結機達產情況下，中午時分鍋爐出汽量要達至20t/h，但在冬季時，燒結煙氣溫度一直徘徊在200℃～270℃之間，鍋爐出汽量很小，僅能為系統的采暖提供熱源。

2.3 螺桿發電站的選型設計

考慮到燒結生產的波動性，以及產量隨市場的波動變化，在發電機設備選型上，著重考慮工作范圍寬，抗波動強，適應低壓飽和蒸汽的要求，對蒸汽水質要求不高，皮實耐用的發電機組。針對以上要求，特選擇螺桿發電站。為適應余熱蒸汽的變化，同時充分回收利用余熱蒸汽，螺桿發電站建設有兩極發電機組，第一級螺桿膨脹機進汽壓力為0.8MPa，出汽壓力為0.15MPa；第一級螺桿膨脹機出汽作為第二級螺桿膨脹機進汽，第二級螺桿膨脹機出口壓力為0.015MPa，兩套螺桿膨脹機竄極發電。該項目實施后,合計可以達到凈發電量1648kW（已扣除機組自耗電和凝汽器耗功）。但在實際運行中，由于燒結生產的波動，第一級發電機組長期處于停滯狀態，直至引入了保安汽源，使得整個發電系統機組得以穩定運行。

2.4 是否采用有機工質（ORC）

有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle,簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質的朗肯循環，主要由換熱器、螺桿膨脹機、冷凝器和工質循環泵四部分組成。有機工質在換熱器中從余熱介質中吸收熱量，生成具一定壓力的蒸汽，蒸汽再推動螺桿膨脹機轉動做功，從而帶動發電機進行發電。從螺桿膨脹機排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱，凝結成液態，最后借助工質泵重新回到換熱器，如此不斷地循環下去。一般在低溫余熱發電中采用的有機工質包括：R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在使用過程中，有機工質會因系統管路及設備的跑冒滴漏而需經常補充，導致ORC運行成本增加，而ORC 的使用，又能將熱源吃干榨凈，盡可能地利用有限的熱能做功發電。因此如何衡量ORC 的投資成本、運營成本及ORC 所產生的發電收益，是決定是否選擇有機工質的關鍵。另外，是否選擇有機工質用于溫度波動性很強的步進式燒結余熱利用是值得進一步探討的問題。

3 發電系統存在的問題

（1）燒結配料的變動對燒結煙氣溫度影響較大。一般燒結主抽進氣溫度控制在90℃～110℃之間，正常是穩定在105℃，抽風機風門開啟85%，由此再決定冷卻段抽風機風門的開度。而臺車行走得快慢，料層的厚薄，混合料的成分都直接影響到燒結的料溫。而在料溫低的情況下，往往通過限制推料速度來保證燒結主抽風機進口風溫，這直接導致冷卻段料溫急劇下降，影響了鍋爐的產汽量。而每天兩次的燒結換料，更使得上料出現間斷，常常導致余熱鍋爐無以為繼。因該項目為合同能源管理項目，燒結廠為降低自身單耗，通常對冷卻風機進行限流，這也影響了鍋爐的產汽量。

（2）該項目選用的凝汽抽汽型螺桿膨脹機組運行不穩定，振動過大，還有待時間的檢驗。

（3）從項目實際運行情況來看，為降低投資成本，未采用有機工質ORC，而直接采用凝汽抽汽型螺桿膨脹機組。與其他企業在利用波動性較大的低溫低壓飽和蒸汽發電項目上采用有機工質ORC螺桿膨脹發電機組相比，明顯采用有機工質ORC螺桿膨脹發電機組的運行更穩定，發電效益更好。

（4）而采用機力冷卻器對螺桿膨脹機組排出的蒸汽進行冷凝，這對冷卻水的要求較高。普通水質容易產生沉淀，堵塞機力冷卻器，影響系統的運行，同時，因蒸發、噴濺、揮發、排污等因素導致水的消耗過大，應有充足的冷卻水源進行及時補充。而機力冷卻器的電能消耗也是螺桿膨脹發電機組自身耗能的大用戶。

4 結語

該項目在步進燒結機余熱利用發電上做了成功的嘗試，由于螺桿膨脹發電機組本身的特性，對燒結余熱利用的整體設施提出了很高的要求。同時，也倒逼燒結生產整體穩定性的提升，這為燒結降低能耗提供了一個可行的途徑。

但從實際運行經驗來看，單臺步進式燒結機進行余熱發電的盈利還是蠻難的，在沒有外部有效的保壓汽源情況下，還是建議不上余熱發電項目。若采用有機工質ORC發電技術，雖然能確保螺桿膨脹發電機組的運行穩定性，保證機組的連續運轉，卻很難做到盈利[6]。因此對于單臺步進式燒結機余熱利用來說，僅是提供余熱蒸汽還是可行的，將余熱鍋爐產生的過熱蒸汽通過單向閥進入蒸汽管網，也是可行的。