烧结余热回收利用现状与发展

2018-01-28张树刚

天津冶金 2018年3期

关键词：烧结机热源余热

张树刚

（天津天铁冶金集团有限公司炼铁厂，河北涉县056404）

0 引言

随着我国钢铁产量的增加，以化石燃料为主的能源消耗结构给自然环境带来了巨大的负担，因此，必须将节能减排作为研究重点，从而实现可持续发展的战略目标。天铁烧结设备的余热回收项目势在必行，本文对符合天铁实际情况的余热回收方式进行了探讨。

1 烧结余热回收利用现状

1.1 烧结余热概况

烧结工序的能耗在钢铁企业的生产工艺流程中，仅次于炼铁的能耗，占总能耗的1/10至2/10，并且其中一半的热能消耗在了烧结烟气和冷却机的废气上，并没有得到回收和利用，烧结余热的回收与利用对象主要就是这一部分热能。天铁烧结余热利用可以分为以下两种形式：一种是动力利用，完成将热能向机械能或电的转化；另一种是热利用，即将余热利用在预热、干燥、供热、供暖等方面。在我国现阶段的烧结余热回收利用中，主要有余热锅炉回收生产蒸汽、发电、热风烧结、保温、预热物料等方式。天铁烧结在这一方面仅有余热锅炉的经验，在余热回收再利用方面还有很大的发展空间。

1.2 烧结余热特点

1.2.1 热源品质较低

只有头部和尾部为高温段的烧结机在生产时，其温度低于320℃的废气风箱约占总数的2/3，低温废气数量庞大；而在通过烧结矿冷却方式进行冷却之后，从冷却机排出的废气温度越来越低，烟气温度甚至有了300℃的温差，从450℃降低到150℃。经过测量结果表明，温度在300～450℃的高温废气仅为废气总量的3/10～4/10。而300℃以下的低温废气在废气总量中所占的比例甚至达到了60%。从整体上来说，烧结余热属中低品质热源，并且低品质占有较大的比例。

1.2.2 废气温度波动较大

在烧结生产过程中，由于烧结矿在烧结机中的烧成情况存在一定差异性，导致烧结废气和烧结矿在冷却过程中所产生废气的温度也存在差异。烧结矿的欠烧废气温度较高，而在过烧时冷却过程中所产生的废气温度较低一些。在烧结过程中，通过测量发现余热回收段的废气温度最高可达到520℃，废气的最低温度为280℃。大范围的温度波动，给烧结余热回收带来了一定困难，这也是烧结余热回收中迫切需要解决的问题。

1.2.3 热源的连续性难以保证

热源的连续性在整个余热回收的过程中占有重要比重，是余热回收的必备条件。烧结矿的热源产生条件是基于其所携带的物理显热，因此，只有保证烧结矿在通过烟气回收段中具有一定的连续性，才能保证烧结余热的热源提供是源源不断的。一旦烟气回收段中的烧结矿在不断循环中出现了停顿或者是中断现象，那么整个余热回收系统也会随之受到影响。由于各种原因，烧结生产过程中出现短时间停机的现象很难避免，经常出现烧结矿，也就是热源的中断现象，因此热源的连续性很难得到保证。

2 烧结余热回收利用的发展状况

2.1 国内烧结余热回收利用发展状况

我国国内许多烧结工厂在烧结冷却废气余热回收方面进行了大量工作实践，并已取得了一定的成效。天铁的余热回收经验不多，仅曾在三号烧结机（已拆除重建）中投入使用过余热锅炉系统。因此，天铁需要汲取其他钢铁企业余热回收的成功经验，结合天铁的实际情况，尽快发展自己的余热回收系统，实现节能降耗和降本增效。

2.1.1 蒸汽

在烧结余热的利用方面，宝钢二期做出了重要的表率。该厂在设计、设备引进等方面，与日本相关企业进行合作。在生产过程中，共有两套蒸汽的相关生产设备与装置：一套用于回收冷却机所产生的废弃；另一套则用于回收主排气余热。两套设备的同时投入对生产发展具有重要意义。宝钢企业原本使用的1号烧结机与3号烧结机并没有配备相应的装置用于进行余热回收，这种情况使宝钢在生产经营的较长一段时间内，排放了较多的粉尘以及废气，继而导致周围环境的污染以及在能源资源方面出现不必要的耗费。在“十一五”阶段，宝钢集团在实际的生产过程中将二烧余热锅炉的相关参数作为了实际工作中的参照标准，同时上述的烧结机也配备了相应的用于回收余热的装置设备，后期的生产过程中，废弃与余热均得到了较为充分的利用。统计发现，利用烧结机相应装置回收的余热进行蒸汽生产，其最终的获利总值高达73.2万t，产生了极为可观的经济效益。

热管技术是南京化工学院开发出的一种新型的余热回收利用技术。其工作原理具体为：首先，通过气化相变得过程实现热量的传递，促使传热效率发生一定程度的提升，该过程具有投资回收快，技术可靠性强的优势。就实际生产过程来看，为了利用好带冷余热，武钢一烧选择与具有技术优势的南京化工学院热管技术开发中心进行合作，将热管蒸汽发生系统安置在了武钢一烧4号带冷机上，进行低压蒸汽的生产工作。将该系统应用于生产实际中，运行情况安全可靠，并且实现了预期设计能力，产气量为4～5 t/h，烧结矿的平均产气量为50～60 kg/t，蒸汽压力为0.4～0.5 MPa。利用热管技术进行烧结余热的回收并产生蒸汽的烧结余热回收利用技术，在马钢二烧、武钢一烧、攀钢烧结厂等企业的投运，进一步证明了该技术的可靠性。

2.1.2 发电

在我国的烧结工序中，余热回收系统只在一小部分的烧结工序中进行设置，回收的余热也没有用于发电。随着资源问题和环境问题的日益加剧，烧结余热回收利用问题得到了日益广泛的重视，并有针对性地进行了大量的实践研究，已将饱和蒸汽发电机组进行了投运，但在烧结余热回收利用进行发电的过程中，仍然存在着一些问题。

马钢第一炼钢总厂于2004年进行了国内第一套余热发电系统的建设工作，并于2005年并网发电。在2006年，经过统计，该系统累积发电6100.51万kW·h，所产生的经济效益为2367万元，减少的CO2和SO2的排放量为8 000 t和300 t，在环境保护和经济效益建设上，都取得了进步。该电站采用的是自然循环废气锅炉，将热风循环技术、闪蒸余热发电技术以及汽轮机补汽技术进行了整合，使电站即使是在烧结机的参数数据经常调整的情况下，也能够长期保持稳定运行的状态。

2.1.3 热风烧结

余热的利用和节能的另一种表现形式就是热风烧结。从工艺需要的角度来说，许多烧结厂将一部分烧结废气用于预热混合料方面，并将废气作为助燃空气供给到烧结点火器和保温炉中。国内学者为了对热风烧结工艺进行研究，以梅山烧结料作为热风烧结的实验原料，以烧结矿的冷却废气作为热源，开展了分析研究。通过实验可知，烧结矿在冷却废气的过程中所产生的物理热，可以用燃料燃烧热进行替代，改变烧结料的原氧位，使其提高，并将热风温度保持在280～350℃，延长时间，从而大量形成粗使铁酸钙。这一工艺使烧结余热得到了有效利用，并将燃料的使用量降低了1/10，极具实验价值。

2.1.4 热水

20世纪80年代，已经出现将热交换管直接安装在降尘管内，以达到余热回收的目的。降尘管在这种情况下在履行本身“降尘”的职能外，还具备了“余热锅炉”的作用。这一余热回收的方法具有投资少、简单易行、见效快等特点，特别适用于财力、物力较差的小型烧结厂。通过进行现场测算后得到的数据表明，这一余热回收装置的性能指标达到了预期设计的程度，水温在这一装置的作用下提高了70℃，热水的生产量为6.34 t/h，每年可节约的标煤质量达到6 299 t，年经济效益创收达到26万元。天铁烧结已拆除的三号烧结机就曾经投入余热锅炉，效益可观。

2.2 国外烧结余热回收利用发展状况

自20世纪六七十年代开始，国外的一些国家就已经开展了对烧结余热的回收与利用工作。

2.2.1 余热预热烧结点火助燃空气

利用余热预热烧结点火助燃空气，是德国某钢铁公司进行的烧结余热回收利用研究。具体的做法是将三级循环冷却器安置在3号烧结机的卸矿处，以及冷却机的排气罩上，再将电除尘与冷却机的出口相连。除尘器的参数设置为：气流量285 000 m3/h，平均温度200℃，粉尘浓度＜30 mg/m3。风管将冷却机产生的废气导入到3个烧结机点火器中，用作助燃空气。通过这一过程，每台烧结机的每吨烧结矿都节约了30 MJ的热量。在4号烧结机连接点火器的同时，连接脱硫装置，则每吨烧结矿的热量消耗又降低了20 MJ，该系统每吨烧结矿的回收的总热量为40 GJ，占3号烧结机输入的总热量的6%。

2.2.2 蒸汽

20世纪70年代末期，日本的住友金属工业公司将完全循环的双通道方式作为烧结机冷却器回收装置的设计形式。烧结矿层受到循环风机和风管的二次循环，循环气的温度因此被提高至370℃，利用废热锅炉回收蒸汽。在利用余热进行蒸汽生产的企业中，日本的小仓厂的余热回收量最高，烧结矿每吨的蒸汽回收量达到了104.3 kg，压力为0.883～1.275 MPa，温度为273℃。烧结机废气余热回收情况最好的是新日铁公司的大分二号机，烧结矿每吨的蒸汽回收量为32.8 kg，压力为0.98 MPa，温度为213℃。

2.2.3 发电

日本对节能方面十分重视，其烧结厂的余热回收利用在国际上处于领先水平。20世纪80年代中期，余热回收与利用就已经在日本的各个烧结厂中得到了广泛普及。原日本钢管公司的扇岛厂和福山厂就是最早将冷却机废气产生蒸汽用于发电的系统，这也是世界上首个将余热回收系统投运到发电工作中的案例。该系统的工作原理是将100℃的循环空气鼓入环型烧结矿冷却器的高温部分，在通过冷却器后，这部分循环空气的温度将会达到350℃，之后将这些空气送入到特制的锅炉中，进行蒸汽的生产，蒸汽产量大约为14 kg/cm2，全部用于发电。