炉外补燃装置在烧结余热发电系统中的应用

庞 森 徐迎超 杨泽萌

(北京首钢国际工程技术有限公司)

目前“碳达峰、碳中和”已成为各个领域的高质量发展目标，钢铁行业作为碳排放的重点行业，面临巨大挑战。烧结工序的能源消耗占钢铁厂总消耗的10%～20%，烧结机产生大量的高温烟气经环冷机排向大气，不仅浪费能源，而且污染环境，烧结工序的节能减排是钢铁企业的重中之重[1]。

烧结余热回收利用能够显著降低烧结工序能源消耗，其中比较常用的余热利用方式是将烧结环冷机高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽推动汽轮发电机组发电。受到烧结原料配比、烧结机负荷波动和烧结机故障等因素影响，烧结余热发电系统存在频繁启停、负荷波动大、长期小负荷运行等一系列问题，导致烧结余热发电系统效率低下，大大缩短了设备寿命。

在烧结余热发电系统设计时，国内的工程技术人员大多采用静态工况计算，并未考虑动态工况，一旦发生燃料配比波动或负荷变化则烧结余热发电系统不能稳定运行。另外，烧结工序是主工序，第一要务是生产合格的烧结矿，余热发电属于附属，只能去适应烧结工序的生产状况。

1 带炉外补燃装置的烧结余热发电技术

1.1 传统烧结余热发电技术

我国第一套烧结余热发电系统为马钢引进日本技术建造的，在引进技术的同时我国技术人员进行了不断的改进和创新，随着近年来烧结余热发电技术的发展，形成了多种形式的烧结余热发电系统[2]。

典型的烧结余热发电系统如图1所示。正常生产时，环冷机烟气温度可达400～500 ℃，环冷机二段烟气温度在320 ℃以上，将环冷机内的高温烟气引入余热锅炉产生蒸汽，进而推动汽轮发电机组发电。经测算，每吨烧结矿余热回收蒸汽可达80～100 kg，吨矿发电量约为20 kWh。

图1 典型的烧结余热发电系统

1.2 传统烧结余热发电系统存在的问题及解决方案

传统烧结余热发电系统在实际运行过程中主要存在以下问题[3]：

(1)烧结环冷机漏风率高达15%～25%，引发热辐射散热、热风外逸和吸冷风等问题，进入余热锅炉的烟气温度低且不稳定，产生的过热蒸汽压力和温度都较低，发电效率低；

(2)烧结烟气量大，每吨烧结矿产生烟气4 000～6 000 m3。由于烧结料透气性变差及铺料不均等，烧结烟气系统的阻力变化较大，最终导致烟气量变化大，汽轮发电机组频繁启停；

(3)北方地区，秋冬季节环境温度低引起烧结烟气温度降低，余热锅炉因产生的过热蒸汽温度达不到汽轮机要求的最低进汽温度而被迫停产，使烧结余热得不到充分利用。

针对烧结余热发电系统存在的问题列出以下解决方案[4]：

(1)针对烧结环冷机漏风，采用水密封技术改善环冷机的密封性，可大大降低烧结环冷机的漏风率；

(2)在烧结余热发电系统中增设补燃装置，降低烧结机工况变化对余热发电系统的影响。

1.3 带炉外补燃装置的烧结余热发电技术

炉外补燃装置是，利用煤气燃烧产生的高温烟气，通过换热器加热烧结余热锅炉产生的饱和蒸汽，增加蒸汽过热度，满足汽轮机对蒸汽过热度要求的一整套装置[5-6]，如图2。炉外补燃方式将蒸汽的蒸发汽化和过热放在两个不同的装置内，水蒸气的汽化过程需要的热量要远远大于过热过程的，所以炉外补燃方式不需要加热环冷机烟气，只加热余热锅炉出口的饱和蒸汽即可。炉外补燃装置具有换热温差大，换热效率高，燃料消耗少等优点，可用于烧结余热发电系统的新建或改造项目。

图2 带炉外补燃装置的烧结余热发电系统

2 炉外补燃装置在烧结余热发电技术中的应用

2.1 烧结余热发电系统运行情况

某钢铁厂现有1台180 m2烧结机和1台198 m2烧结机，2台烧结机各配1台环冷机及1套余热回收系统，2座余热锅炉共用1套汽轮发电机组。余热锅炉采用热风循环双压型式，每台双压余热锅炉蒸汽设计参数为：高参数蒸汽压力1.6 MPa，温度360 ℃，流量26.5 t/h；低参数蒸汽压力0.5 MPa，温度190 ℃，流量6.5 t/h。余热锅炉产汽供入补汽凝汽式汽轮发电机组，汽轮发电机组额定功率12 MW。

机组投产至今，受烧结工艺生产原料、产量、设备等因素影响，进入余热锅炉的烟气温度低，产汽量及蒸汽过热度达不到汽轮机进汽要求(汽轮机进汽温度≥250 ℃)，造成汽轮发电机组频繁停机或低负荷运行，严重影响项目的经济性和设备利用率。烧结余热发电系统设计值与实际运行值如表1。为了实现烧结余热发电机组的有效利用，提高发电效益，对现有系统进行补燃技术改造，在汽轮机和余热锅炉之间增加炉外补燃装置，使过热蒸汽达到汽轮机的进汽要求，供汽轮机发电使用，改造前后烧结余热发电系统运行指标如表2。

表1 烧结余热发电系统设计值与实际运行值

表2 改造前后烧结余热发电系统运行指标

2.2 能源利用效率分析

对整个补燃系统进行能源利用效率分析，分别在烧结环冷机低、中、高负荷的工况下选取三个工况点，考核系统的能源利用效率。

(4)

式中：η为补燃系统能源利用效率，%；Q2为增加炉外补燃装置后系统单位时间多出的发电量，kWh；Q1为炉外补燃装置单位时间消耗的煤气量，m3/h；煤气热值3 140 kJ/m3。

炉外补燃装置的排烟温度为200 ℃，炉外补燃装置热效率为85%，煤气燃烧产生的热量一部分传热给过热蒸汽，另一部分通过排烟散失，根据能量守恒：

(q1Δh1+q2Δh2)/η1=3 140×Q1

(2)

式中：q1Δh1为单位时间内高参数蒸汽吸热量，kJ；q2Δh2为单位时间内低参数蒸汽吸热量，kJ；η1为炉外补燃装置热效率，%。

分别对环冷机高、中、低三个负荷下补燃系统的煤气消耗量、能源利用效率进行计算，结果见表3。

表3 烧结余热发电补燃系统参数

烧结机低负荷运行时，余热锅炉产生的蒸汽温度为230～260 ℃，无法用于发电。 增设炉外补燃装置后，余热锅炉产生的蒸汽经炉外补燃装置加热到360 ℃送入汽轮机，发电机负荷约为6 180 kW，炉外补燃装置可以保障低负荷下的烧结机余热用于发电。通过消耗少量的煤气，提高了汽轮发电机的发电效率，从而使补燃系统的能源利用效率可以达到293%，起到了以小博大的作用。补燃装置通过动态调整，可以稳定进入汽轮机的蒸汽温度，增加烧结余热发电系统运行的稳定性，减少停机频率，极大地增加了烧结余热发电系统的可用时间。

烧结机中负荷运行时，余热锅炉产生的蒸汽温度为260～290 ℃，未投入炉外补燃装置的情况下，汽轮发电机组在中负荷(5 600 kW以下)下运行。增设炉外补燃装置后，余热锅炉产生的蒸汽经炉外补燃系统加热到360 ℃送入汽轮机，汽轮机负荷在8 000 kW左右，补燃系统的能源利用效率可以达到204%。

烧结机高负荷运行时，余热锅炉产生的蒸汽温度为290～320 ℃，未投入炉外补燃装置的情况下发电机负荷在9 000 kW左右。增设炉外补燃装置后，汽轮发电机组负荷在9 800 kW左右，显著增加了发电量，补燃系统的能源利用效率可以达到55%。

3 结语

通过对某钢铁厂原烧结余热发电系统进行炉外补燃改造，燃烧少量的煤气加热余热锅炉产生的蒸汽，达到提高汽轮发电机组效率和运行稳定性的目的。在烧结机中、低负荷运行时，炉外补燃装置可以稳定进入汽轮机的蒸汽温度，极大地改善了汽轮机的运行状况，补燃系统的能源利用效率可以达到204%～293%，起到了以小博大的作用，具有极大的经济效益。