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1、http:/烧结冷却机余热发电系统及其关键技术李冬庆(北京佰能电气技术有限公司)摘要： 根据烧结冷却机的工艺特点，分析了冷却烟气余热的特性及其影响因素，提出了建立烧结冷却机烟气余热发电系统的原则以及对系统的评价问题。同时，还就烧结余热发电系统的几个关键技术，如烟气参数选择、热力系统参数选择、冷却机密封改造、系统的运行控制等提出了作者的观点和建议。关键词： 烧结冷却机烟气余热发电系统经济的发展伴随着能源消耗的快速增长。大量化石燃料的使用对环境带来了一系列重大影响。 节能、减排和降耗已经成为一个全球性的焦点问题。研究开发新技术，充分利用现在工业过程中的废气、废热，提高余热资源利用效率和品质已经成为
2、一个重要课题。钢铁、有色冶金、 建材等高耗能行业消耗了大量的能源，同时因工艺的需要也产生了大量的中低温余热烟气资源， 由于工艺过程及技术等原因，这部分余热没有得到充分利用，被白白地排放到了环境中1。冶金烧结工艺就属于其中最为典型的一例。在钢铁企业中，烧结工序的能耗仅次于炼铁，占总能耗的10 20，其中约有30的能量是通过烧结冷却机以热烟气的形式排入大气，没有得到合理利用23。结合当前低参数余热发电技术， 本文在分析烧结冷却机烟气特性及其主要影响因素的基础上，提出建立烧结冷却机烟气余热发电系统，产生高效清洁的电能，实现对这部分资源的高效利用。2 冷却机烟气特性及影响因素21 烟气余热特性烧结机正
3、常生产时，经过烧结的热矿从烧结机的尾部落下，经单辊破碎机破碎后，通过热振筛进行筛分，再经溜槽落到冷却机台车上。烧结工艺需要高达1200的温度，在溜槽处的热烧结矿温度可达800左右，主要以辐射形式向外散热，自溜槽落到冷却机上的料温通常在 600以上。一般烧结冷却机根据大小在其下方布置有数台(35 台)冷却风机，对烧结矿料层强制鼓风冷却。经与冷却一段、 二段矿料换热后，在风罩内聚集的冷却风温度提高到 30050025。烧结生产的工艺特点决定了冷却机的高温烟气具有波动性，含尘量也具有不确定性，且处于一个相对稳定的动态过程。由式(1)可知，烧结矿在冷却机上放热，矿料温度逐渐降低，烧结矿的平均比热随之降
4、低6。因此，烧结及其矿料冷却工艺决定了冷却烟气具有波动性、不稳定性的特征。在冷却风的作用下，冷却矿料层中的微小颗粒随风带出，成为烟尘。 由于烧结矿破碎及筛分过程的不确定性，烟气的含尘量受到冷却风速及烟尘粒径的影响，也具有不确定性。Cp=0 115+0 257103(T373)0 0125105(T373)24 1868 (1) 式中： Cp烧结矿的平均比热，kJ(kg ) T烧结矿的绝对温度，K 22 影响烟气品质的主要因素烧结冷却机产生的烟气温度和余热总量是评价余热资源品质的重要指标，这与烧结矿的温度密切相关。冷却机烟气温度受到烧结料层厚度、烧结终点控制、冷却风温、冷却风速、冷却料层厚度、边
5、缘效应及冷却机密封状况等生产条件的影响。主要有以下几方面：(1)烧结料层厚度：厚料层烧结能改善燃烧条件，强化氧化放热反应，增强自动蓄热能力。有资料表明6：在烧结料层厚度为180220mm 时，料层蓄热量只占燃烧带入总热量的35 45，当料层厚度为400mm 时则蓄热量可达55 60。因此，提高烧结料层厚度能增强料层的蓄热能力，减少烧结过程中的热损失，使破碎筛分后进入冷却机的矿料保持较高的温度， 从而有效提高冷却烟气的温度和余热总量。当前， 大型烧结机的料层厚度已达到名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
6、 - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/700mm7，对采用余热系统发电非常有利。(2)烧结终点控制：烧结终点的控制对烧结矿温度会产生影响，进而影响破碎后落到冷却机上的矿温， 最终将对冷却烟气温度产生影响。日本有关研究表明，在保证烧结矿质量和成品率的前提下， 同时满足余热回收的烧结终点位置控制在烧结机最后一个风箱的前半部最合适。烧结过程中的过烧或欠烧也会影响冷却机出口的烟气温度和余热资源量。当烧结矿严重过烧时，在烧结机尾部烧结矿的冷却过程就已经开始了，导致进入冷却机的矿料温度偏低。当发生欠烧时， 烧结混合料中的碳未能得到充分燃烧，烧结饼
7、所含的热量低于正常水平，也导致烟气温度偏低；若欠烧的烧结饼在未烧透的情况下进入冷却机后发生二次烧结，放出热量，则导致冷却烟气的温度偏高，可达5006002。(3)冷却风温：提高冷却空气的初始温度能提高余热回收的效率和品质，也能控制并稳定余热回收的总量。有研究表明：当冷却介质初始温度为50时，换热后终温比常温能提高 15；当介质初始温度为120时， 介质终温比常温时高458。因此， 提高进入冷却机的气体温度， 能有效提高气体通过料层后的烟气温度，同时也能有效降低烟气温度波动的幅度，提高余热资源的稳定性。(4)冷却风速6：冷却风速与风量、冷却矿料层厚度、冷却料层空隙率等因素密切相关，对烧结矿的冷却
8、时间也产生影响，冷却风速与烧结矿平均最大矿块热传导速度密切相关。如图 1 所示， 无论烧结矿粒度大小，当风速达到一定值以后，增加风速都不能有效提高换热系数，改善冷却效果。当冷却风速在02ms 的区间时，提高风速(增大风量 )能有效加强烧结矿的冷却；当冷却风速大于2ms 时，提高风速不但不能提高冷却效果，相反，由于风速提高使冷却风量增加，将导致冷却机出口烟气温度降低。(5)冷却料层厚度：冷却料层厚度是影响烧结矿冷却速度和冷却介质终温的主要因素之一。有资料表明9：冷却机料层厚度每提高01m，冷却烟气温度提高约10。而且料层越厚，冷却越趋于均匀，温度波动幅度越小。因此，在相同条件下增加冷却机的料层厚
9、度，能提高冷却烟气的温度和余热资源总量。目前国内360m2以上的烧结机， 其冷却机的料层厚名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/度基本上达到了13001500mm。(6)边缘效应10：由于台车和风箱之间是相对运动的，再加上烧结矿在冷却机台车上布料不均匀，边缘效应在所难免，且直接影响冷却烟气的温度和流量。减轻和抑制边缘效应，有助于提高烟气品质。(7)密封条件：由于冷却机台车是按一定速度运动的，其台车下方风箱和
10、上方集气罩与台车之间存在着一定的间隙，需采取相应的措施进行密封。若密封效果较差，任何漏风都会造成集气罩烟气品质和余热资源的下降。(8)其他因素：除上述几个影响因素外，烧结矿温度和冷却烟气温度还受到诸如原料种类、配料结构、燃料消耗水平、冷却机台车速度等参数的影响，因此，它们也对冷却机烟气余热品质产生影响。3 烧结冷却机余热发电系统31 系统设计原则与目标余热发电系统作为主工艺流程的一个附属工艺过程，决定了它与常规发电系统有很大的区别。发电系统的建设和运行须以不影响主工艺的正常工作为首要原则；在此前提下发电系统的首要目标是安全、可靠与稳定； 其次才是如何最大限度地利用余热资源，提高余热利用的品质与
11、效率。 对余热发电系统而言，关键就是在主工艺生产条件下保证余热资源的连续与稳定， 再遵循能源梯级利用原理，将烧结冷却机的烟气余热用于发电，建立双压余热发电系统，使余热资源得到充分利用。32 烟风系统如图 2 所示， 经破碎筛分的烧结矿料通过溜槽落到冷却机台车上，随台车转动， 炽热的矿料依次通过冷却机I 段和段；冷却风在风机的作用下分别进入冷却机I 段和段的下部风箱，然后通过I 段和段矿料层，高温的烟气分别在I 段和段的集气罩内聚集。工段集气罩内的烟气通过烟道进入余热锅炉用于加热锅炉的中压过热器和部分中压蒸发器，在烟气温度降到与段烟气温度一致时在余热锅炉内与来自段的烟气混合，然后再通过锅炉剩余的
12、受热面；经过锅炉后的烟气温度降到140左右，在循环风机的作用下被再次分别送入冷却机工段和段下部的冷却风箱，用于冷却矿料。在I 段烟气管道上设有重力除尘器，将烟气中携带的矿尘沉降下来，减少对锅炉受热面的冲刷和磨损。为了充分利用余热资源，余热锅炉分别产生两种不同压力和温度的蒸汽，即中压蒸汽和低压蒸汽。系统正常运行时，循环风机工作， 原冷却机工段和段鼓风机停止运行。当余热锅炉系统故障时，可打开原冷却机工段和段鼓风机，关闭循环风机，此时余热烟气直接从冷却机工段和段烟囱直接排放，不影响主工艺的运行；同时， 在工段和段风箱末端均设有隔离风门，将此段风箱与其他部分隔离，形成独立的风箱，避免系统漏风。另外，上
13、述烟风系统还能实现烟气闭式循环和开式运行两种模式的切换，具有更大的可操作性和适应性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/33 发电系统如图 3 所示，余热锅炉产生的中压蒸汽作为主汽进入汽轮机，低压蒸汽作为补汽进入汽轮机补汽级， 中压和低压蒸汽在汽轮机内膨胀作功，推动发电机发电。作完功的乏汽在凝汽器内冷凝成水， 然后与系统补水一起通过凝结水泵送入锅炉，凝结水在锅炉内通过低压预热器加热后再进入低压汽包。低压汽
14、包中的水一部分在中压给水泵的作用下送入中压预热器，经加热后进入中压汽包，然后再通过中压蒸发器和中压过热器产生中压蒸汽；另一部分水则通过低压蒸发器和低压过热器产生低压蒸汽；在此过程中低压汽包还兼有除氧器的功能，实现锅炉系统自除氧。循环冷却水在循环水泵的作用下在凝汽器和冷却塔内循环流动，冷却汽轮机所排乏汽，保证排汽压力。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/34 系统评价指标在实际工程中， 为了评价烧结冷却机余
15、热资源的利用情况和烧结冷却机余热发电系统的效率，采用了相应的技术参数来对系统进行评价。具体如下：(1)烧结冷却机余热资源可用率1：指冷却机系统中可用烟气余热总量Q1占系统全部烟气余热总量Q0的百分数，即1= Q1Q0100(2) (2)烧结冷却机可用余热资源利用率2：指余热资源利用总量Q2占可用烟气余热总量Q1的百分数，它表示余热利用系统对可用余热资源利用的程度，即2= Q2Q1100(3) (3)余热锅炉热效率3：指蒸汽吸热量Q3占余热资源利用总量Q2的百分数，它是表示余热锅炉性能的参数，即3= Q3Q2100) (4) Q3=q(h1h2)t(5) 式中， h1为蒸汽焓 (kJkg)，h2
16、为给水焓 (kJkg)，q 为蒸汽流量 (kgh)，t 为时间 (h)。(4)汽轮机的相对内效率i：为蒸汽在汽轮机中做功的有效焓降Hi与理想等熵焓降Ht之比，它表示蒸汽在汽轮机中能量转换的完善程度，也即汽轮机组设计的完善程度，即i=HiHt=(h1 hc)(h1ht) (6) 式中， h1为蒸汽焓 (kJkg)，hc为实际排汽焓(kJ kg)，ht为理想等熵排汽焓(kJkg)。(5)机械效率 m： 考虑机械损失后汽轮机联轴器端的输出功率Pe与汽轮机内功率Pi之比，即m=Pe Pi=1 PmPi(7) 式中， Pm机械损失 (kW) 。(6)发电机效率g：考虑电机损失后发电机输出的电功率Pe1与
17、汽轮机轴端功率Pe之比，即g= Pe1Pe=1 PgPe(8) 式中， Pg电机损失 (kW) 。(7)汽轮发电机组相对电效率e1：表示在 1kg 蒸汽所具有的理想比焓降中有多少能量最终被转换成电能，即e1=img(9) 35 工程案例某钢厂 1 台 360m2烧结机设备参数如下：冷却机冷却面积396m2，烧结机利用系数13t(m2h)，冷却机料层厚度13001500mm，冷却机入口矿料温度700800，冷却机入口下料量700th，转鼓指数73。烧结冷却机余热发电系统参数为：冷却机I 段烟气温度400，流量350000Nm3h；冷却机段烟气温度300，流量350000Nm3h。系统采用双压自除
18、氧余热锅炉配一台补汽凝汽式汽轮发电机组。余热锅炉参数如下：中压蒸汽压力为196 MPa(G) ，温度 365，流量 46th；低压蒸汽压力为039MPa(G) ，温度 225，流量19th。汽轮发电机组装机参数如下：主汽进汽压力为190MPa(a)，温度为 355，流量46th；补汽压力为035MPa(a)，温度为210，流量为19th，系统额定发电量约为115MW ，装机容量为15MW 。4 系统关键技术及其它蒸汽发电是一个稳定连续的过程，由汽轮机的运行特性决定了所需要的蒸汽压力、温度和流量能连续和保持稳定。当前蒸汽轮机发电技术已经很成熟，但要与具体的工艺过程相适应，对具有显著主工艺过程的系
19、统却是一个新课题。要成功实现上述烧结冷却机余热发电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/系统，需要对烧结机整个主工艺过程进行深入了解，对主工艺与发电系统之间相互影响的关系进行分析， 并在此基础上实现最佳耦合。根据工程实践和理论分析，烧结冷却机余热发电系统的关键技术及处理方式主要有以下几个方面。41 烟气参数的确定由于烧结冷却机余热烟气的品质受到多种因素的影响，只能通过技术调整和结构改造在某种程度上减轻其影响
20、，而不能消除， 如何根据实际工艺过程确定烟气参数就显得尤为重要。分析实际工程中一些失败的案例发现，其最重要的一点就是对烟气参数(尤其是温度 )把握不准， 导致进锅炉的烟气达不到设计值，有时相去甚远， 结果必然引起锅炉出口蒸汽参数变化范围增大， 甚至满足不了汽轮机的最低运行要求，导致机组频繁起停，甚至长期不能运行。对于相同大小的烧结机来说，不同企业的矿石来源、配比、操作方式等不尽相同，所以烟气温度也会不一致，必须具体问题具体分析。因此，合理确定烟气参数是余热发电系统成败的关键。 在项目开始前要对现场参数进行实地标定，对运行日志进行统计和分析，在此基础上才能确定适合的余热发电系统烟气参数。图 4
21、为某钢厂 (360m2烧结机 )冷却机工段集气罩出口烟气平均温度T6与运行时间的关系，统计时间为120 天。由分析可知，烟气最高温度T5为 465，最低温度T1为 350，波动幅度达115，统计期内冷却机集气罩出口烟气的平均温度T4为 418，极端最高 (T5)或最低 (T1)烟气温度出现的概率极低，属于特殊工况。图中温度大于或等于T4(418)的时间占52，若以此温度作为锅炉的额定进气温度T3，则整个系统近一半的时间都不能在效率好的额定状态下运行，所定温度显然偏高，不利于系统的稳定、安全、高效运行。为了避免上述影响，同时兼顾低温烟气和余热利用率，将集气罩出口实际烟气温度T6大于锅炉额定进气温
22、度T3的比率提高到 85，即锅炉额定进气温度T3为 400，比平均温度T4约低 20，则在此条件下绝大部分时间内烟气温度满足设计需要，在剩余15的时间内，大部分的温度偏离T3不远，有利于系统运行，此时所确定的T3对余热发电系统来讲较为合理。以此温度进行设计，当实际温度偏低时锅炉产汽参数偏低，汽机滑参数运行也能正常工作；当实际温度偏高时，锅炉产名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/汽参数偏高， 但对于汽轮机来
23、讲仍属于低参数范围，汽机也能适应此参数的运行要求，实际发电量将增大。42 热力系统参数的选择在余热烟气参数确定后，热力系统参数的确定就成为系统设计的主要任务。确定热力系统参数的前提是要使发电系统能长期、连续、稳定、经济地运行，然后在可能的条件下降低工程设备的造价水平。热力系统的核心参数就是主蒸汽的温度、压力和流量。 主汽温度选择应该存在最佳值，温度选择越高， 一方面会使汽轮机的出力增大，另一方面则使余热锅炉的平均传热温差减小，锅炉的换热面积就要增大，设备造价就会提高。一般来讲， 主汽温度应比余热烟气温度低30以上 (即 T3T230 )，然后再通过优化进行选择。同样，主汽压力也存在最佳值。主汽
24、压力高， 则余热锅炉排烟温度就要提高，系统余热利用效率就会下降，此外，主汽压力对排汽湿度也有影响。所以温度、压力、机组容量是密切相关的，要相互匹配才行11。常规发电系统主蒸汽参数的熵值一般在6575kJkg之间选择较为合适，对于低温烧结余热发电系统其熵值选择范围较窄，一般在6972kJkg之间。主汽温度确定后， 再根据熵值选择要求和汽轮机设备参数系列来确定合适的压力。当烟气温度和流量、主汽温度和压力都确定后，系统主汽的流量也随之确定。对于单压余热锅炉来讲，排烟温度一般只能降低到200左右甚至更高。若要进一步提高余热利用效率和降低排烟温度，则需采用双压余热锅炉，实施余热资源梯级利用。在余热发电行
25、业， 双压系统除主汽参数之外可分为以下两种方式：一是由锅炉产生低压的饱和或过热蒸汽， 如冶金烧结冷却机余热发电系统；二是由锅炉产生温度较高的高压水，然后在闪蒸器中产生低压饱和蒸汽，如水泥回转窑余热发电系统。43 冷却机密封改造余热发电系统的稳定运行需要锅炉提供稳定的汽源，也即需要冷却机提供稳定的满足余热锅炉要求的余热烟气热源。为了保证烟气品质，提高余热资源的利用率，可对冷却机密封进行如下改造： 做好下部风箱的分隔与密封，在冷却机风箱内适当的位置设置隔板，将冷却机 I 段与段、段与后续冷却段隔开，并做好相应的密封，包括I 段起始端密封，以防止冷却风串漏；采用软性材料，减小台车与风箱之间的间隙，避
26、免冷却风短路；做好上部段与段集气罩的分隔，使烟气分别在各自集气罩内聚集，避免串风； 台车与集气罩之间也是相对运动的，采取措施减小烟罩下部和台车边缘之间的间隙，避免热烟气漏失；烟罩段起始端和段末尾端的密封，尤其是烟罩下部与冷却矿料层接触的位置要做好动密封处理。总体说来，采取上述措施的目的在于减少冷风混入和减少热风漏出。44 系统的运行控制余热发电系统依附于主体工艺，发电系统随烧结机的运转率是评价发电系统运行和经济性的一个重要指标。正常发电系统的运行控制技术已经非常成熟，不存在任何问题，而余热发电系统的关键就在于使主工艺和发电实现高度耦合。深入了解烧结工艺和发电系统的运行特点，采取相应的运行控制技
27、术显得非常重要。现有大型烧结机的年作业率一般都在93左右，即年运行小时数约为8150h，检修时间一般分临时检修、季(月)检修和年度检修。因此，处理好烧结余热发电系统稳定运行的问题可以从以下几个方面着手：(1)提高烧结工艺操作水平，促使烧结生产过程稳定，作业率提高。(2)在条件允许的情况下，应尽量采用多台烧结机配一套发电系统，即多炉一机系统，当其中某台烧结机检修甚至短期停机时不会导致发电机组停机，从而减少设备起停损失。(3)烧结机起动过程中，当机上开始布料时，余热系统就做生产准备，开始缓慢向余热锅炉供水，待水位达到规定值时，冷却机上的烧结矿料也差不多布到了冷却I 段和段，此时即可开启循环风机风门
28、，将热量送往余热锅炉生产蒸汽。这样，能使余热回收系统开机时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - http:/间缩短大约40 60min12。(4)烧结机短时停机(30min 左右 )的情况经常出现，在此情况下对一炉一机的系统而言，若不采取任何运行控制措施，一般停机10min 以上就将导致发电机组停机并解列。而从发电机解列到并网约需2h，若开机后烧结系统不稳定则需要时间更长，因此要避免在此情况下机组停启。 当运行人员得到
29、烧结系统停机通知后，可关小循环风机风门，降低冷却机转速，同时将发电机组的负荷快速降低到低限，以避免蒸汽不足导致机组停机13。(5)对一炉一机的系统，要充分利用烧结系统停机间隙进行发电系统的设备维护与检修，减少非计划检修，提高设备作业率。45 其它余热发电系统的烟气来源于主工艺过程，相对于常规发电系统而言，其热源品质低，在利用时更要细致考虑整个烟风系统的保温措施，如集气罩、 烟风管道、锅炉等，以减少散热损失。同样， 由于余热锅炉出口的蒸汽温度、压力都较低，所以在系统设计时要对蒸汽管道配置进行优化， 选择合适的管径和连接方式，尽量减少蒸汽压力和温度的损失，提高系统热电效率。一般情况下对于余热发电系
30、统而言，锅炉出口至主汽进口管道每百米压降为00501MPa，温降为38。5 结论1)鉴于烧结工艺过程的特点，烧结料层厚度、终点控制、冷却风温、冷却风速、冷却机料层厚度、边缘效应和密封条件等，都对余热烟气品质有一定影响。2)根据烧结工艺和冷却机集气罩出口风温的特点，遵循余热梯级利用原理，建立适合烧结冷却机余热发电的双压余热发电系统，有利于推进烧结工序的节能降耗。3)设计烧结余热发电系统时，烟气参数的确定和热力系统参数的选择非常关键，必须根据工艺情况在现场标定和分析运行记录等基础上，科学合理地确定烟气参数，同时要综合考虑机组运行效率和经济性来确定热力系统的参数，并进行系统优化设计。其次，还应加强冷
31、却机的密封，提高和稳定烟气品质；优化系统运行控制，使之与主工艺高度耦合。参考文献1 李冬庆张华，米静，张恒春 转炉饱和蒸汽发电系统及其参数选择J热力发电， 2008，(11)：5-92 王常秋，刘云翅片管式余热锅炉在东烧360m2烧结机上的应用J烧结球团， 2002，(11)：44-463 范方灵，顾华兴， 郑会军攀钢烧结冷却机废气余热利用J钢铁矾钛，2000，(6)： 46-514 梁正华，王明军热管技术在烧结冷却机余热回收中的应用J江苏冶金，2006，(8)：36-385 李玉红，赵国顺烧结余热回收技术及生产对策J炼铁技术通讯，2006，(7)：12-136 张惠宁主编烧结设计手册M 北京
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