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水泥技术|烧结机尾烟气与冷却废气余热联合回收发电技术的开发与应用
作者:防水之家  建材之家    2017-03-19  浏览:26
防水之家讯:近十年来,钢铁工业能源消费量占全国总能源消费量的比重一直在12-15%,单位增加值能耗是全部工业平均水平的3倍以上[1]。2009年中国重点钢铁企业的能源消耗总量2.382亿tce,吨钢综合能耗为619.43kgce/t[2]。烧结是钢铁生产过程中的一道重要工序,为高炉炼铁提供原料。烧结生产过程中大量消耗焦炭等化石能源和电能,另一方面还有大量的中低品位余热资源未得到充分利用而白白排空浪费。烧结工序能耗约占整个钢铁企业总能耗的9-12%,仅次于炼铁工序[3]。根据有关统计数据表明[1],我国烧结工序余热利用率还不足30%,能耗指标与先进国家相比差距较大,每吨烧结矿的平均能耗要高于20kgce,因此我国烧结节能潜力很大。

从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析,余热发电是最为有效的余热利用途径。近年来,烧结冷却废气余热回收发电技术的日益成熟和巨大的经济、社会效益,其已被广泛地在国内的各大中钢铁企业应用推广。2004年马钢引进日本川崎重工核心技术及关键装备在2×300m2烧结机上建成中国第一套烧结冷却机废气余热发电系统(装机容量为17.5MW),该系统于2005年9月并网发电[5]。随后国内其他钢铁企业纷纷开展烧结冷却余热发电技术的探索研究,先后有济钢第二烧结厂320 m2烧结机余热发电工程于2007年3月投产[6],安钢360 m2 + 400 m2烧结环冷机低温余热发电工程于2008年10月投产[7]等,多个烧结冷却余热发电工程投产。

与此同时,为了充分挖掘烧结工序余热资源,进一步降低烧结生产能耗,烧结机尾烟气余热资源的回收利用技术已经被众多业内人士所关注和研究探索。在日本,早在1981年10月,住友金属小仓3#烧结机尾部大烟道高温段烟气余热回收装置开始运行,并与冷却机余热回收装置并联运行,各自产生的蒸汽汇合一起推动汽轮发电机组做功发电,是最早进行烧结机尾高温烟气余热回收的典型案例之一[8]。在中国,宝钢烧结厂2#烧结线于20世纪90年代初从日本引进成套的余热回收装置,分别在环冷机和烧结机旁设置一台环冷余热锅炉和一台烧结余热锅炉,设备的设计、制造者为日本新日铁公司[9]。

目前,由于技术及经济性等方方面面的原因,烧结机尾高温烟气余热回收技术正处于摸索阶段,没有得到大规模的推广应用。本文结合烧结余热回收发电工程,提出关于烧结机尾烟气与冷却废气余热联合回收发电技术的思路。

1 余热资源特性研究与分析

烧结工艺余热回收主要有两大部分[4]:1)占烧结过程总带入热量约44.5%的烧结矿显热,在冷却机高温段废气温度约为350-420℃;2)占总带入热量约23.6%的烧结烟气显热,在烧结机尾风箱高温段排出的废气温度为300-380℃。

图1 典型的烧结厂热平衡能流图[4]

在烧结生产过程中,有近50%的热能以烧结烟气和冷却机废气的显热形式排入大气,如图1所示。

1.1 烧结机尾烟气余热资源

根据我们的热工测试,烧结机尾部起相对于烧结机长度约1/3的长度范围内,烧结机风箱烟气温度达300-380℃,甚至更高,但由于烧结机尾部漏风等影响,最后两个风箱的烟气温度较低(平均温度在300℃以下)。

图2所表示的为一台265m2烧结机单侧大烟道各风箱(烧结机共有2个大烟道,每侧均有27个风箱)在不同时刻段(相隔半小时)的温度分布情况,可见从23#到27#风箱烟气温度在300℃以上。但温度波动幅度很大,有的甚至超过100℃,如此大范围的温度波动给利用烧结余热发电带来了很大的困难,也是烧结余热发电设计过程中需要重点解决的问题。

图2 某烧结厂265m2烧结机各风箱烟气温度分布(单侧)

但烧结烟气中含有一定的SOx、NOx以及粉尘,因此必须考虑其对烟风管道及余热回收设备的腐蚀和磨损问题。因此,相对于烧结矿冷却废气余热而言,烧结烟气余热具有温度低、腐蚀性以及余热资源少的特点,这些给烧结烟气余热回收带来诸多不利和困难。

1.2 冷却废气余热资源

图3体现的是一台265m2烧结机所配套的环冷机冷却各段的废气温度分布[10]。

(1)烧结余热资源品位整体较低,低温部分所占比例较大。

随着烧结矿冷却过程的进行,冷却机烟囱排出的废气温度逐渐降低,烟气温度从450℃逐渐降低到150℃以下,如图3所示。高温部分温度在300-450℃之间,而这部分废气占整个废气量的30-40%;低于300℃的废气量占所有冷却废气量的60%以上。

(2)废气温度波动较大。

烧结生产过程中,随着烧结矿在烧结机上的烧成情况不同,其冷却过程中产生的废气温度也不同。烧结矿欠烧时,冷却过程中产生的废气温度高;过烧时,冷却过程产生的废气温度低。以某烧结厂320m2烧结机为例,余热回收段废气温度最高能达到520℃,最低时只有280℃。

(3)余热资源的连续性难以保证。

在烧结生产过程中由于设备运行的不稳定性,短时间的停机现象很难避免,烧结矿物流的中断是经常出现的情况,所以烧结余热资源的连续性难以保证。

图3 烧结冷却过程中废气温度分布

通过上述的分析,总结出烧结工序的可回收利用的余热资源,包括烧结机尾高温烟气和冷却机高温段废气的显热,详见图4所示。

同时必须考虑烧结烟气中的SO2等酸性气体在低温下出现的结露对烧结机大烟道、除尘器、主抽风机等设备的腐蚀问题,烧结机尾烟气余热回收装置的出口烟气温度必须控制在170-190℃,以保证主抽风机入口烟气在130℃左右,避开烧结烟气的酸露点。如此,通过我们的计算分析,对于同一条烧结生产线而言,烧结机尾高温烟气可回收的余热资源约为冷却机高温段废气可回收余热资源的1/4。

图4 烧结工艺生产过程中的可利用余热资源分布

2 发电系统方案与设计

目前,在国内烧结矿冷却废气余热回收技术业已成熟并得到广泛的应用,但烧结机尾高温烟气余热的回收技术却正处在探索阶段。

通常,烧结机尾高温烟气余热回收的方案有以下两种[8][11]:

方案一,烟气由机尾处的高温风箱引至余热锅炉,在烧结机主抽大烟道后部余热回收段前设置一高温阀门(余热锅炉运行时该阀门关闭),高温烟气首先通过预除尘后再由风管送至余热锅炉内进行热交换,热交换后的烟气通过风管送回大烟道再至电除尘器入口处,经电除尘器、主抽风机后至烟囱排入大气。

方案二,烧结机尾高温烟气取风方式和方案一类似,但烟气通过余热锅炉进行热交换后,热交换后的烟气通过除尘器再由引风机送至烟囱排入大气。

上述两种方案各有利弊,方案一不但需要根据烧结机运行工况的变化控制进入余热锅炉的烟气量,而且对经引风机进入到主抽电除尘器入口烟道母管上余热锅炉排出的烟气压力、流量均有较严格的要求,以保证烧结机运行的稳定。由此,该方案对烧结系统和余热锅炉系统的控制要求很高;方案二使烧结机控制系统与余热锅炉控制系统各自独立,互不干扰,运行相对稳定、安全可靠。但该方案由于余热锅炉排出烟气不回烧结大烟道,故使主抽除尘器入口烟道的温度较方案一低,容易导致烟气对烧结设备的结露腐蚀。

针对烧结烟气及烧结矿冷却废气余热的特性,结合以上两种方案的权衡比较,我们开发了烧结机尾烟气与冷却废气余热联合回收发电系统。

本系统的特点:

在烧结机和烧结矿冷却机生产线上,分别配置一台烧结余热锅炉和冷却余热锅炉,联合回收烧结烟气和冷却机废气显热;

烧结机尾部大烟道烟气高温段前设置一高温插板阀,高温烟气经过烧结余热锅炉充分换热后,控制烟气出口温度170-190℃,由引风机送回大烟道前段,与低温烟气混合,保证烟气温度在酸露点温度以上(130℃),经净化处理后排到大气中;

烟气由冷却机高中温段引出,高温和低温废气管道合并一路进入冷却余热锅炉,热交换后的废气通过余风再循环技术送回冷却机,循环冷却;

冷却余热锅炉采用双压系统、立式自然循环结构,蒸发器及省煤器采用螺旋翅片管;冷却余热锅炉下部设置公共省煤器,预热锅炉给水后,分别送至冷却余热锅炉和烧结余热锅炉的省煤器。

烧结烟气与烧结矿冷却废气余热联合回收发电系统详见图4。

图4 烧结烟气与烧结矿显热余热联合回收发电系统示意图

3 余热发电技术应用与瓶颈

3.1 技术应用

目前,该技术已在我们的烧结余热发电工程中得到应用。

以某烧结厂一条265m2烧结环冷生产线为例,进行技术经济分析。可以回收利用的余热资源如下:

烧结机尾可回收烟气量:15×104Nm3/h,烟气平均温度:320℃;环冷机高温段可回收废气流量:36×104Nm3/h,废气平均温度:380℃。

通过热力计算,得到:

烧结余热锅炉产生压力为1.5MPa,温度300℃,蒸汽流量为11.9t/h,排烟温度为189.2℃;

环冷余热锅炉高压段产生压力为1.5MPa,温度360℃,蒸汽流量为34.2t/h,低压段产生压力为0.38MPa,温度170℃,蒸汽流量为6.1t/h,排烟温度为125℃。

汽轮发电机组的发电功率为8850.9kW,年发电量为7435万kWh,扣除电站自耗电量后,年供电量为6096万kWh;折合节约标煤量约为2.13万t/a,相应地减少温室气体CO2排放量约为5.67万t/a;按售电电价(含税)0.58元/kWh计算,则在正常生产条件下,每年的售电收入约为3536万元。由此分析可见,该技术具有十分显着的经济、社会和环境效益。

烧结烟气与烧结矿冷却废气余热联合回收发电系统与单纯的烧结矿冷却废气余热发电系统相比,经过计算分析,系统发电功率增加23.2%,充分说明该技术充分地回收利用烧结工艺余热资源,使得烧结工序能耗降至更低,为钢铁企业增加更大经济效益,为社会和生态环境增加更大的环保效益。

3.2 技术瓶颈

烧结机尾烟气余热回收的技术瓶颈或技术难点,主要体现在以下几点:

1. 烧结机尾部几个风箱的烟气温度虽然可达到300-380℃,但废气中含有SOx和粉尘,尤其是烟气中的SOx,如果烟气温度低于其露点温度,会出现设备结露现象,极容易引起烧结机大烟道、除尘器设备以及主抽风机的叶片甚至是余热回收设备(余热锅炉)的金属腐蚀,严重的状况会导致烧结系统无法正常运行。

2. 烟气中的粉尘是颗粒直径细小,致密度大,硬度高的铁矿石粉末,对烧结余热锅炉受热面以及引风机叶片的冲刷磨损不容忽视。

因此,利用烧结机尾部烟气余热发电,大烟道、除尘器、主抽风机以及烧结余热锅炉和主抽引风机的材质应考虑应用耐酸腐蚀的材质,以延长设备的使用寿命。

3. 为了避开烧结烟气的酸露点,防止烧结设备的腐蚀,则要求烧结余热锅炉的排烟温度不能太低,烧结余热锅炉的排烟温度控制在170-190℃的范围内,保证烧结机主抽风机的入口烟气温度在130℃左右。

但是采用这种方案,不但需要根据烧结机运行工况的变化控制进入余热锅炉的烟气量,而且对经引风机送回烧结机大烟道的烧结余热锅炉排出的烟气压力、流量均有较严格的要求,以保证烧结机运行的稳定。因此,该方案对烧结系统和烧结余热锅炉系统的控制提出很高的要求。

4 总结

通过上述技术和经济分析,以及国内外钢铁企业烧结机尾高温烟气余热回收装置成功运行的实践,证明了烧结机尾高温烟气和烧结矿冷却废气余热联合回收系统从技术层面上而言是完全具体可行性。

但是针对烧结机尾烟气余热回收技术难点,本文认为在烧结余热发电工程的设计中有以下四点值得注意:

I. 科学设计烧结余热锅炉的排烟温度,以确保避开烧结烟气的酸露点,防止对烧结设备和余热回收设备的腐蚀,保证烧结系统和余热回收系统均能保持长期的稳定运行。

科学、合理地选择烧结余热锅炉的排烟温度,这需要我们针对不同的烧结机生产条件下的实践中不断地、反复地进行试验和改进,以及及时的总结,找出其中的规律。

II. 余热回收设备的材质选择,在必要时,烧结余热锅炉和引风机等设备的材质应选择耐酸腐蚀的材质;同时对烧结机大烟道和除尘器和主抽风机的进行适当的改造,进行耐酸腐蚀的保护措施。

III. 主抽除尘器多采用静电除尘器,也可以采用高抗结露的布袋除尘器替代静电除尘器。

IV. 总结烧结机尾部烟气余热回收系统的控制与烧结机工艺控制的相互关系,确保烟气余热回收系统能够很好的适应烧结系统,既确保烧结工艺系统的安全、稳定运行,又能充分回收利用机尾高温烟气的余热能源。

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