梅钢烧结余热锅炉改造方案优选探究

闫 磊

（梅山钢铁能源环保部,江苏南京 210039）

前言

烧结是钢铁企业生产耗能大户，烧结工序总能耗中近50%热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气，回收利用这部分热能意义重大［1］。梅钢十分重视低品质余热资源的回收。5#烧结冷却机高温段废气350 ℃以上余热已经全部回收利用。环冷热废气配置一套余热锅炉，产生1.27 MPa、297 ℃的过热蒸汽用于生产工序需要，同时实现节能降耗的目的。

5#烧结环冷余热锅炉指标呈逐年下降趋势，目前维持在69 kg/t，较设计值低20 kg/t，较同规模4#烧结低30%，因此亟需对5#烧结余热锅炉改造，提高能源回收水平。

1 余热锅炉工艺流程

5#450 m2烧结机采用-16.5 kPa 高负压、700 mm 厚料层、强化制粒、蒸汽预热混合料、无动力热风烧结等先进工艺。冷却机上部铺满烧结矿、下部风道，外界空气经风机鼓入风道，在压差作用下穿过烧结矿层与之换热，冷却烧结矿后产生的热风经收集排入烟囱。充分利用了环冷热废气的余热，既有利于烧结矿的冷却，又可最大限度地生产蒸汽，减少外部蒸汽管网的供给。

5#烧结余热回收工艺流程见图1。高温废气经过多管除尘器到达余热锅炉，余热锅炉分两段布置，废气经除尘后到达中压余热锅炉，经中压过热器、中压蒸发器、中压预热器，再经低压余热锅炉,使烟气温度降低到155 ℃以下，通过引风机送回到环冷机下部风箱内。系统产生低压过热蒸汽（45 t/h，1.27 MPa，≥297 ℃）供管网，低压饱和蒸汽（7 t/h，0.3 MPa）供系统自身热力除氧用。

图1 5#烧结余热锅炉蒸汽回收系统示意图

2 余热锅炉现状

5#烧结环冷配套余热回收系统于2011 年投产运行，设计参数见表1。

回收系统平稳运行9 年，根据现场运行数据统计，平均产汽33 t/h，吨矿69 kg/t，仅为设计值75%。回收水平劣化原因如下。

表1 余热锅炉设计参数表

2.1 锅炉换热效率下降

锅炉长周期运行，性能出现衰减；同时由于环冷机来的烟气粉尘粒径较细，多管除尘器对此粒径粉尘的去除效果不理想，使得进入锅炉的粉尘量大大增加，同时设计的清灰装置吹灰效果不佳，使得锅炉无法得到有效的清灰，长此以往导致锅炉换热管壁面积灰，见图2。局部甚至发生灰堵，影响了锅炉传热效率，产汽能力也随之下降。

图2 蒸发器换热面

2.2 锅炉局部焊缝泄漏严重

锅炉本体近几年陆续出现腐蚀泄漏问题，经检查余热锅炉的焊缝泄漏点主要集中在换热管束与下降联箱的焊缝连接部位。设备泄漏部位由于维修困难，只能进行封堵，目前封堵管束约占8%～10%。另一方面泄漏蒸汽对蒸发器换热面造成严重腐蚀，造成锅炉的有效受热面下降，锅炉的热效率降低。如图3、图4所示。

结合炉膛内外检查锅炉局部焊缝泄漏严重原因：由于多管除尘器除尘效果不理想，导致换热面积灰（积灰分布呈现四周密集中间松散的状态），管束间的流通面积减小，烟气流经管束的流速增加，引起了换热管束振动，从而造成焊缝疲劳开裂、泄漏。同时由于锅炉换热管束采用传统结构形式：管束与下联箱焊接在锅炉内，不利热胀冷缩过程应力的释放，从而造成换热管与联箱的焊缝承受较大的内应力，长此以往引起焊缝的开裂、泄漏，导致水分进入炉膛，浸湿换热管束周围的积灰形成灰浆，长期浸湿管束造成板结，进一步加剧泄漏的产生。

图3 下联箱焊缝处泄漏

图4 蒸发器换热面腐蚀图

2.3 回收系统阻损高

循环风机设计工况额定转速985 r/min、流量58万m3/h；根据运行实际，在风机达到963.3 r/min 时，烟气流量仅为44 万m3/h。数据表明在风机接近额定转速时，流量远远未达设计值，造成该情况的原因是整个烟气系统的阻损高。为保证进入余热锅炉的烟气量，需减少系统的阻力降。

3 余热锅炉改造方案对比与选择

5#烧结余热锅炉设计两种改造方案：一是锅炉功能原样恢复，使目前回收指标恢复到原设计水平；二是锅炉提压升级改造，设计与3#烧结竖炉发电机组相适应余热蒸汽2.1 MPa，≥360 ℃，供给汽轮发电机组使用。

下面从锅炉设计参数、解决问题、方案本身存在缺陷三个维度对比两种方案，具体见表2。

对比两种方案投资额仅相差5%。方案一夏季余热锅炉不能满负荷工作，蒸汽有约5.5 t/h 富裕。方案二除满足公司管网蒸汽平衡外，年增加发电2 166 万kWh，最终选择方案二5#烧结余热锅炉提压升级改造。

表2 两种方案对比

4 改造内容

4.1 锅炉本体

锅炉换热器的管束采用水平布置，结构上进行优化设计，采用水平U 型管蒸发器，减少焊接应力，从结构上解决局部积灰过多的情况，有效防止因换热面局部积灰造成泄漏。外置集箱采用多管头结构，由于换热管束的所有焊缝都在烟气通道外，有效防止烟气对焊缝的直接冲刷、腐蚀，延长设备的使用寿命。在换热管束中间设置支撑管板，使其与两侧的端部管板形成一个整体，增加整个管束模块的刚度，避免管束产生振动。另外在换热管束端部两侧换热板开大孔，翅片支撑在管，在上升、下降管侧的集箱处设置限位支架，保证换热管束可以沿管道轴向自由膨胀，确保不对换热管产生任何不良影响，达到热胀冷缩过程应力的释放，解决换热管与联箱焊缝的开裂、泄漏问题。同时在换热管两端采用钢板密封，将上升、下降集箱、弯头封闭在烟气通道外的密闭腔体内，亦能避免烟气的泄漏。设备换热管束端部焊缝处均采用外保温结构，便利于现场检修。余热锅炉水平U型管蒸发器结构图见图5。

图5 余热锅炉水平U型管蒸发器结构图

为强化锅炉换热面单位面积换热系数，对换热管束表面焊接翅片管。翅片管焊接采用新型技术，翅片管在无缝钢管外圆上按一定的螺距缠绕钢带，以高频电流作焊接热源，使接触面达到塑性可焊状态，钢管与翅片材料之间达到固态原子间结合，从而实现接触面的塑性焊接。防止锅炉运行随着使用年限增长换热翅片脱落，影响换热效果。

4.2 烟气系统

为降低烟气系统阻力，提高循环风量，将多管除尘器改造成重力除尘器，降低除尘器运行阻力，将系统风量提高4 万m3/h，多产3 t/h 蒸汽。多管除尘器改造成重力除尘器后，进入余热锅炉本体烟气含尘较改造前大大增多，为减少烟气粉尘的影响采用如下技术措施：

(1)在锅炉进口迎风面设置两排防磨翅片管，以减少对后部换热管的磨损。

(2)控制锅炉换热管间的流速在8 m/s 左右，既保证了烟气中粉尘能够被带走，同时控制了换热管的磨损。

(3)考虑粉尘对风机的影响，对风机的机壳进行喷涂陶瓷涂层处理，对叶轮的耐磨处理考虑耐磨堆焊。

4.3 清灰输灰系统

为持续保证锅炉高效，设计清灰、输灰系统，在锅炉本体各级换热面上设置全自动声波吹灰器24台，根据系统的运行情况，周期性地对余热锅炉换热面在线全面清灰，防止粉尘在换热面上堆积。底部设置气力输灰装置，气力输灰系统采用压缩空气作为气源，保证能及时将锅炉底部的积灰输走，减少现场的人工操作。

4.4 自动控制

锅炉操作控制系统升级。实现自动清灰输灰，水质在线监测化验，根据水质指标实现自动加药，生产关键参数及现场数据监控，生产区域监控，系统操作运行智能化、无人化。

5 效益测算

5#余热锅炉提压升级改造前后效益对比见表3。

表3 竖炉发电机组改造前后效益对比

通过对5#烧结余热锅炉进行提压升级改造，在保证当前蒸汽系统平衡的前提下，提高竖炉发电量2 166万kWh，提高了锅炉能效、降低了抽补汽，节能效果十分显著。