补燃型烧结余热利用燃料量与蒸汽产量的研究
2018-10-23徐迎超周玉磊寇彦德
徐迎超，樊 泳，周玉磊，寇彦德
（1北京首钢国际工程技术有限公司能源环保事业部；2北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心，北京 100043）
前言
补燃型余热利用目前在各行各业均已展开了研究，已不是什么新名词。燃气-蒸汽联合循环发电中补燃余热锅炉解决了余热锅炉蒸汽量和温度不达标的问题[1]，补燃可以提高联合循环中蒸汽动力装置部分效率[2]。哈尔滨锅炉厂针对水泥行业低温余热利用采用了外部补燃的锅炉，对不满足汽轮机进汽要求的蒸汽参数进行提高[3]。烧结余热利用补燃技术可以降低排烟损失，提高余热锅炉效率，因此提高了系统循环效率[4]。但是对不同蒸汽参数工况条件下补燃燃料量与蒸汽产量之间的关系，目前还未有人涉及。
本文结合首钢京唐550 m2烧结余热回收，补燃燃料采用高炉煤气（BFG），对不同蒸汽参数工况下燃料量与蒸汽产量之间的关系进行研究。
1 首钢京唐550 m2烧结环冷机概述
首钢京唐550 m2烧结环冷机设有6台循环冷却风机，每台循环风机对应4个风箱，将循环冷却风机对应的风箱的出风口设置为余热回收的入口，共可以设置6段烟气回收口。每台循环风机风量为60万m3/h，考虑到环冷机罩壳及风箱漏风，每段烟气回收量按40万m3/h设计，环冷机不同风箱出口空气温度见表1。
表1 环冷机风箱出口空气温度
根据表1中的不同风箱温度，可以计算出环冷机对应的6段烟气回收温度，见表2。
根据表1和表2中的参数，考虑只采用优质热源的原则，本次补燃型烧结余热利用取用I段、Ⅱ段及Ⅲ段前2个风箱热风。各段取用风量为I段40万m3/h、Ⅱ段40万m3/h、Ⅲ段9号和10号风箱共20万m3/h，热烟气共计100万m3/h。
表2 环冷机回收烟气温度
2 补燃型烧结余热利用不同蒸汽参数工况下燃料量与蒸汽产量的研究
补燃型烧结余热利用根据汽轮机进汽参数选取了以下三个工况进行燃料量与蒸汽产量的研究，余热锅炉模型均采用三压余热锅炉模型进行计算比较。
（1）高压高温工况
主蒸汽参数：P=9.81 MPa，T=540 ℃；
低压蒸汽参数：P=1.0 MPa，T=250℃；
低低压蒸汽参数：P=0.5 MPa，饱和。
（2）中温中压工况
主蒸汽参数：P=3.82 MPa，T=450 ℃；
低压蒸汽参数：P=1.0 MPa，T=210℃；
低低压蒸汽参数：P=0.5 MPa，饱和。
（3）次中温中压工况
主蒸汽参数：P=2.0 MPa，T=360 ℃；
低压蒸汽参数：P=1.0 MPa，T=200℃；
低低压蒸汽参数：P=0.5 MPa，饱和。
2.1 高压高温工况下补燃燃料量与蒸汽量的研究
根据图1可知，在无补燃工况下烧结环冷机余热回收无高压高温蒸汽产出，纯高炉煤气工况时可以产出高压高温蒸汽，且随着燃料量增加，蒸汽量增加。
图1 高压高温工况下补燃燃料量与蒸汽量的关系
在补燃余热回收工况下燃料量小于4万m3/h时，高压高温蒸汽产量高于纯高炉煤气，这说明余热回收在发挥作用，烧结环冷机2.0 MPa蒸汽和1.0 MPa的部分蒸汽受到高炉煤气能量的驱动转化为了高压高温蒸汽，所以比纯高炉煤气蒸汽产量高；燃料量在4万m3/h附近时，纯高炉煤气和补燃余热回收蒸汽产量有了交点，之后纯高炉煤气高压高温蒸汽产量大于补燃型余热回收，交点处说明烧结余热回收可被转化为高压高温蒸汽的蒸汽量已经用完，所以此交点是最佳补燃工况点。
在补燃余热回收工况下，1.0 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，随着燃料量的增加，蒸汽产量降低且趋于稳定；0.5 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，与燃料量的增加无关。
2.2 中温中压工况下补燃燃料量与蒸汽量的研究
根据图2可知，在无补燃工况下烧结环冷机余热回收无中温中压蒸汽产出，纯高炉煤气工况时可以产出中温中压蒸汽，且随着燃料量增加，蒸汽量增加。
在补燃余热回收工况下中温中压蒸汽产量高于纯高炉煤气，且燃料量小于1.2万m3/h时，中温中压蒸汽产量小于2.0 MPa的蒸汽产量，这说明烧结环冷机2.0 MPa蒸汽作为高炉煤气能量的驱动转化为了中温中压蒸汽主要来源，所以比纯高炉煤气蒸汽产量高很多；燃料量在4.75万m3/h附近时，纯高炉煤气和补燃余热回收蒸汽产量间距明显收窄，且趋于平行，这也说明燃料量大于4.75万m3/h时，余热回收能力的主要地位被高炉煤气取代，说明此点是补燃工况的最佳点。
图2 中温中压工况下补燃燃料量与蒸汽量的关系
在补燃余热回收工况下，1.0 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，随着燃料量的增加，蒸汽产量降低且趋于稳定；0.5 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，与燃料量的增加无关。
2.3次中温中压工况下补燃燃料量与蒸汽量的研究
根据图3可知，在无补燃工况下烧结环冷机余热回收可以产出次中温中压蒸汽，纯高炉煤气工况时也可以产出次中温中压蒸汽，且随着燃料增加，蒸汽量增加。
在补燃余热回收工况下次中温中压蒸汽产量高于纯高炉煤气，且高于环冷机余热回收2.0 MPa的蒸汽产量，这说明此时的次中温中压蒸汽产量为余热回收和高炉煤气的蒸汽产量的叠加，所以比纯高炉煤气蒸汽产量高很多；燃料量在4.75万m3/h附近时，纯高炉煤气和补燃余热回收蒸汽产量间距明显收窄，且趋于平行，这也说明燃料量大于4.75万m3/h时，余热回收能力的主要地位被高炉煤气取代，说明此点是补燃工况的最佳点。
图3 次中温中压工况下补燃燃料量与蒸汽量的关系
在补燃余热回收工况下，1.0 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，随着燃料量的增加，蒸汽产量降低且趋于稳定；0.5 MPa的蒸汽产量大于无补燃工况，与燃料量的增加无关。
3 结论
(1)补燃技术对蒸汽品质的提高有积极影响，从3种不同工况来看，次中温中压工况下虽然蒸汽产量提高了，但是蒸汽品质没有提高，所以在次中温中压工况下进行补燃的意义不大。
(2)补燃余热利用技术中余热利用起到主要作用的工况是中温中压工况，所以烧结余热利用补燃工况最好采用中温中压工况。
(3)从以上3种不同工况分析，可以得出首钢京唐550 m2烧结机余热利用最佳燃料补燃量为4.75万m3/h。
