烧结余热发电热源高效回收利用设备改造

张 平

（河钢唐钢能源科技分公司，河北唐山 063000）

引言

所有热源本身都是具有品位（热源质量）的，热源的温度不同，品位也就有所差异。热源梯级利用理论就是针对不同品位热源实现高效利用而提出的。在烧结余热发电热源获取中，依照环冷机取温点不同，对热源等级进行划分，遵循“高质高用，低质低用”的原则，将高品位热源应用于锅炉的高品位段，中品位热源应用于锅炉的中品位段，低品位热源应用锅炉的低品位段，改变原有的对不同品位热源温度烟温进行混合后再利用的工艺模式，实现不同工作区域对不同热源的效能转换，实现烧结环冷及与余热锅炉之间的等级匹配，完全遵循能源的佣损分布理论和能源梯级利用理论，实现工作机组的效率提升。

1 唐钢烧结余热发电热源获取的改造方案

唐钢现行烧结余热发电热源回收是从烧结冷却机的高温段和中温段获取烟气后进行混合，将混合的烟气从锅炉炉顶、送入余热锅炉近期管道，废气从余热锅炉的下端出口排出返回烧结余热环冷机，这种单进口单出口的工艺模式对热源的利用效率较低，损失很大，同时对烧结环冷机的烟温影响也较大。目前唐钢烧结余热发电环冷机的热源具有不同的品位等级，目前的生产工艺中，只对烧结环冷中的高温热源进行了有效回收，还有相当一部分热源并没有加以利用，能源损失很大，同时也会对环境有所污染。针对这一生产实际情况，遵循能源梯级利用理论，对现有的烧结取温点和余热锅炉进行设备改造，将锅炉改成三进口模式，提升烧结的烟气回收利用率，从而提升余热发电机组的工作效率。

目前唐钢烧结余热发电作业区的烧结余热发电锅炉进口混合烟温330℃左右，采用的是单进口单出口的工艺模式，烟气在锅炉中经过热能交换后，出口烟温150℃左右。经过设备改造，余热锅炉改成三进口单出口的工艺模式，完全遵照了能源的梯级利用理论原则，对不同品位的烟温分别回收，如图1所示。唐钢烧结余热发电三进口工艺模式分别从烧结环冷机的高温段、中温段和低温段获取烟温，对应锅炉的三个工作区域：过热器，蒸发器，省煤器。三个工作区域自上而下阶梯立式结构，三室相通。其中锅炉的高温工作区域与烧结高温获取烟道相对应，获取烟温的温度范围大约400～450℃，烟气经过热交换后，进入到锅炉的中温工作区域继续进行热交换；锅炉的中温工作区域与烧结中温烟气管道相对应，获取烟温的温度范围大约300～380℃，与高温交换后的烟气混合后继续进行热交换，进入到锅炉的低温工作区域继续进行热交换；炉的低温工作区域与烧结低温烟气管道相对应，获取烟温的温度范围大约大约250～280℃，与前两个工作区域交换后的烟气混合后继续进行热交换，最终废气经过锅炉出口排出送回烧结环冷机。这种多进口的余热锅炉将烧结余热的热源做到了最大化的利用，对热源回收完全按照梯级利用理论模式设计，改造后的余热锅炉热源利用率和烟气回收了都有了显著的提升。

图1 三进口系统

2 唐钢三进口双压烧结余热锅炉设备装置

在余热发电系统当中，余热锅炉是最重要的单体设备，一般情况下余热发电锅炉都采用单进口单排气口的模式。三进口烧结余热锅炉对冷却机不同品位热源进行有效划分后分段回收，保证冷却机中的热源可以得到最为充分的回收，所以说研发三进口烧结余热锅炉对整个烧结余热发电系统优化具有重要的指导意义。三进口烧结余热锅炉结构采用上窄下宽的模式，根据热源的温度从不同的烟气管道进入烧结余热锅炉内，对应不同温度的工作室，为了适应热源烟气流量的变化，一般都采用双压的汽水工作系统，不同参数的蒸汽从汽轮机的主汽口和补汽口进入汽轮机联合做功。唐钢烧结余热三进口双压式余热锅炉改造设备配置见图 2所示，余热锅炉采用立式布置，配备双汽包，具备以下几方面的特点：

1）余热锅炉成立式梯形结构，上窄下宽，自上而下分别为锅炉的中压过热器、低压过热器，中压闪蒸器、低压蒸发器，中压省煤器、低压省煤器。这三个工作区在锅炉中划分为高温室，中温室和低温室，相互连通。每个工作室的上部设置热源的进气口，三个进气口对应烧结冷却机的高温段，中温段和低温段，遵循梯级理论模型，根据热源与工作室的温度进行匹配，同时在低温工作室下部设置烟气排放口，最终将所有的混合烟气排出。

2）为了延长锅炉的使用寿命，在锅炉高温室内设置螺旋管圈水冷壁，水冷壁的内壁三面水平，其中一面可以采用倾斜的结构模式代替原有垂直的模式，这样的布置方式有利于于热废气以叉流方式同螺旋管圈水冷壁内水蒸汽进行热交换，冷却水动力稳定，散热强度高，同时也简化了锅炉的内部结构，节约了成本开支。其余两室都不设置水冷壁，采用裸壁的布置方式，但必须做好锅炉本体的密封和绝热。

3）为了增强锅炉内部的热交换效果，优化锅炉的内部结构，锅炉中的过热器，蒸发器和省煤器均按照原设计模式采用蛇形环肋管错列逆流布置，这样的布置方式对于安装质量，施工周期以及成本开支方面都十分有利。

4）三进口余热发电锅炉由于热源气流在锅炉内部进行混合，所以容易出现气流紊乱扰动的现象，产生偏热差。为了有效避免这些现象的出现，锅炉热源进气口都与锅炉本体设置一定的倾斜角度，让热源烟气沿锅炉四周进入余热锅炉，不同工作室也可以多设置几个热源进气口，在进气口上可以安装调压风门来控制进气量。也可以利用原有的进气口处气流挡板来调节热源烟气的方向和流速，这些方式都可以有效的消除热偏差。对气流稳定的调整措施有效的控制了烟气的流速和温度，从而提升高炉的工作效率。

5）烧结余热发电锅炉由于受热膨胀，各个工作区域都存在轴向或者径向的膨胀问题，在烟气管道上也会出现膨胀的现象。为了更好地消除这类现象可以在各个衔接部位加装膨胀节，锅炉内部的过热器，蒸发器和省煤器由于本身就采用了蛇形弯管布置形式，自身就对热膨胀有良好的吸收作用，所以无需加装任何设备。由于热膨胀的存在，对于锅炉本体要定期检查密封情况，用可靠的密封材料进行密封绝热处理。

图2 唐钢烧结余热三进口双压式余热锅炉改造设备配置

3 改造后热能系统的计算与分析

针对唐钢360 m2烧结冷却机热源参数进行统计分析，对三进口双压余热锅炉改造后热能系统进行模拟计算。改造后大致系统工艺流程如图 3所示。

对应余热发电锅炉的高温工作区域与烧结高温获取烟道相对应，获取烟温的温度范围大约400～450℃，烟气经过中压过热器和低压过热器热交换后，进入到锅炉的中压蒸发器和低压蒸发器继续进行热交换；锅炉的中温工作区域与烧结中温烟气管道相对应，获取烟温的温度范围大约300～380℃，与高温交换后的烟气混合后与中压蒸发器和低压蒸发器进行热交换，进入到锅炉的中压省煤器和低压省煤器继续进行热交换；炉的低温工作区域与烧结低温烟气管道相对应，获取烟温的温度范围大约大约250～280℃，与前两个工作区域交换后的烟气混合后与中压省煤器和低压省煤器进行热交换，最终废气经过锅炉出口排出，送回烧结环冷机。

余热锅炉经过这样的工艺模式设备改造最终产生的中压蒸汽温度为380～410℃，压力可以达到3～3.6 MPa，作为汽轮机主蒸汽进行机做功，同时产生低压蒸汽温度为260～300℃，压力为0.25～0.6 MPa，以补汽的形式进入汽轮机做功，大幅的提升了现行余热发电汽轮机的工作效率。对生产数据根据

图3 双压式余热锅炉三进口工艺模式改造后热系统图

表1 余热发电锅炉三进口工艺模式改造后 损分布

对系统中的热量和烟气各参数进行统计分析如下：

（1）烧结冷却机热源品位参数

高温段废气流量：100×104m3/h；

中温段废气流量：220×104m3/h；

低温段废气流量：180×104m3/h；

低温段废气温度：410℃；

中温段废气温度：310℃；

低温段废气温度：270℃。

（2）烧结余热锅炉设计及运行参数

相对内效率：0.85%；

机械效率：0.93%；

发电机效率0.93%；

热端温差：28℃；

高温段接近点温差：10℃；

高温段窄点温差：18℃；

低温段接近点温差：10℃；

低温段窄点温差：18℃；

除氧器进口温差：90℃；

保热系数：0.95。

（3）汽轮机运行参数

主汽流量：75 t/h；

主汽压力:2.3 MPa;

主汽温度:330℃;

补气流量:35 t/h;

补气压力:1.3 MPa;

补气温度:250℃;

抽气流量:1.5 t/h;

抽气压力:0.11 MPa;

抽气温度:130℃;

排气压力:0.082 MPa。

（4）烧结余热发电设备运转效率

发电功率:18000 kW;

水泵消耗功:5000 kW;

发电净功率:13000 kW;

余热利用率:0.65%;

废气出口温度:130℃;

废气出口流量:380×104m3/h。

根据以上总数值可以得出结论，如果烧结热源品位相同的条件之下，对余热锅炉进行三进口模式的设备改造之后，整个余热发电系统的值的效率大幅提升，同时有效控制了烟气出口的损，汽轮机发电效率势必会有明显提升。 通过数据计算分析得出结论，对唐钢双压式余热发电锅炉进行三进口工艺模式的设备改造后，整个系统的发电功率为24.2 MW，比现行发电模式增加2.6 MW，综合考虑在生产实际当中的相关附属泵组电能消耗，最终整个余热发电系统的发电净功率增加了 1.8 MW。与此同时，由于对烧结余热的热源进行有效的充分利用，使得烧结环冷的回风温度大幅降低，提升了烧结机的工作效率，其中热源利用率和fffff4效率比原有运行状况提升了10.2%和8.5%。

4 总结

对唐钢烧结热发电系统的锅炉遵循梯级利用理论原则进行有效改造后，对采用的三进口工作模式进行了模拟计算和数据分析汇总，后期应将现有的25 MW发电机组更换为30～40 MW的发电机组，这样的设备匹配从效能利用上更为合理。这种基于梯级利用理论的热能回收原则，出了应用于烧结余热发电工艺模式当中，还可以用应用于化工和建材等领域，相信在不久的将来该设备改造方案和工艺模式可以在整个余热回收系统中得到更为广阔的推广。