152m2步进烧结机余热发电项目研究

王华山，邱万民

（1.天津钢管制造有限公司，天津 300301；2.中冶天工集团有限公司，天津 300308）

0 引言

日前工信部公布了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》，计划在重点大中型钢铁企业中有针对性地推广烧结余热发电技术，为钢铁企业在日益激烈的市场竞争中进一步降低生产成本、实现节能降耗发挥积极作用[1-2]。某钢铁企业现有一台152m2步进式烧结机，烧结冷却机与烧结机一字布置在烧结机后部。烧结机风箱温度从1#出口风箱到19#出口风箱平均温度值从70℃到370℃，烧结冷却机风箱温度从20#出口风箱到41#出口风箱平均温度从400℃到70℃左右。为充分回收利用烧结冷却段余热、降低烧结工序能耗，该公司决定联合设计单位开展152m2步进式烧结机余热发电项目。该项目以152m2步进式烧结机冷却段高温烟气为热源，采用余热锅炉产生低压饱和蒸汽，用凝汽式螺杆膨胀机组进行发电。

该项目自投运以来，经过调试消缺，运行基本正常。但由于步进式烧结机间歇产热，导致余热蒸汽的产生量波动太大，仅能维持螺杆膨胀机组的勉强运行，在引进保压汽源后，发电量达到设计指标。由于步进式烧结机冷却段余热发电项目在国内成功开发的案例很少[3]，因而本文着重分析了步进式烧结机余热利用发电项目在设计、施工、运行中值得注意的关键技术。

1 步进式烧结机余热发电工艺

1.1 步进式烧结机概况

该企业步进式烧结机有效面积152m2，烧结台车规格为4m×2m，栏板高度为850mm，料层厚度为800mm，烧结机利用系数1.35t/m2·h，年产烧结矿150 万吨。烧结机冷却方式为带冷机冷却，带冷机对应的冷却风箱为20#～41#，烧结机冷却段烟气温度为400℃～700℃。烧结机冷却主抽风机为1 台，风量为520000Nm3/h，风机工作温度为200℃（短时300℃），风机风压为-10000Pa。

1.2 发电工艺流程

该该发电项目是在烧结机旁建设一座余热锅炉，利用烧结冷却段高温烟气生产低压饱和蒸汽，然后输送至烧结主抽风机房后的螺杆及凝汽式螺杆发电站进行发电[4]。烧结余热发电系统流程如图1所示。

图1 烧结余热发电系统流程图

1.3 发电设备主要构成

1.3.1 余热锅炉

烧结余热锅炉采用单压自然循环余热锅炉。余热锅炉设计经济出汽量为15t/h，最大出汽量18t/h；蒸汽压力1.1MPa，温度184.07℃；设计烟气量为23万Nm3/h，锅炉进口烟气温度300℃，出口烟气温度160℃；锅炉给水温度45℃。余热锅炉配套设施有软水制备系统、吹灰卸灰装置、仪电系统和PLC控制系统等。

1.3.2 发电站

烧结余热发电驱动采用蒸汽型螺杆膨胀机组，发电机采用高效异步发电机，整个烧结余热发电系统分为两极。第一级为背压式螺杆膨胀发电机组，型号为KSGe745150/550-V，螺杆膨胀机进汽压力为0.8MPa，出汽压力0.15MPa，发电机功率1400kW；第二级为凝汽式螺杆膨胀发电机组，型号为KSGe366143G2/245，螺杆膨胀机进汽压力为0.15MPa，凝汽端压力0.015MPa，发电机功率800kW。整个发电系统膨胀机组配套设施有稀油系统、进汽过滤和调节系统、安全放散系统、仪电系统和PLC控制系统等。

2 烧结余热发电系统采用的关键技术

2.1 烧结机冷却段中间隔离的设计

该烧结机原有冷却段风箱21 个，风箱之间在上部是贯通的，未有隔层，其冷却段的高温部分与低温部分不能区分开，使得高温部分与低温部分的阻力在整个烧结冷却段风箱间自成平衡[5]。

经过严格的计算后，为争取回收更多的热量，结合烧结本体现场实际构造情况，决定选取该烧结机冷却段前11 个风箱的高温烟气作为烧结余热锅炉的热源。因此在冷却段31#与32#风箱间增加一套隔离装置，将冷却段高温烟气部分与低温烟气部分隔离开来。在后期的调试运行中，此技术非常关键，成为项目成功的必要条件之一。

2.2 余热锅炉的选型设计

烧结冷却段高温余热蒸汽锅炉的选型是整套系统运行稳定的关键，要充分考虑烧结系统生产的波动性，做到满产高温下锅炉汽包额定出力含的住，确保发电系统生产的安全、稳定性[3]。

为此，该项目充分考虑烧结满产的最大风量及最高温度，并结合锅炉投资的经济性，选择15t/h 蒸汽量作为锅炉的额定出汽量，锅炉最大出汽量可达18t/h。在夏季烧结机达产情况下，中午时分锅炉出汽量要达至20t/h，但在冬季时，烧结烟气温度一直徘徊在200℃～270℃之间，锅炉出汽量很小，仅能为系统的采暖提供热源。

2.3 螺杆发电站的选型设计

考虑到烧结生产的波动性，以及产量随市场的波动变化，在发电机设备选型上，着重考虑工作范围宽，抗波动强，适应低压饱和蒸汽的要求，对蒸汽水质要求不高，皮实耐用的发电机组。针对以上要求，特选择螺杆发电站。为适应余热蒸汽的变化，同时充分回收利用余热蒸汽，螺杆发电站建设有两极发电机组，第一级螺杆膨胀机进汽压力为0.8MPa，出汽压力为0.15MPa；第一级螺杆膨胀机出汽作为第二级螺杆膨胀机进汽，第二级螺杆膨胀机出口压力为0.015MPa，两套螺杆膨胀机窜极发电。该项目实施后,合计可以达到净发电量1648kW（已扣除机组自耗电和凝汽器耗功）。但在实际运行中，由于烧结生产的波动，第一级发电机组长期处于停滞状态，直至引入了保安汽源，使得整个发电系统机组得以稳定运行。

2.4 是否采用有机工质（ORC）

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器、螺杆膨胀机、冷凝器和工质循环泵四部分组成。有机工质在换热器中从余热介质中吸收热量，生成具一定压力的蒸汽，蒸汽再推动螺杆膨胀机转动做功，从而带动发电机进行发电。从螺杆膨胀机排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。一般在低温余热发电中采用的有机工质包括：R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。在使用过程中，有机工质会因系统管路及设备的跑冒滴漏而需经常补充，导致ORC运行成本增加，而ORC 的使用，又能将热源吃干榨净，尽可能地利用有限的热能做功发电。因此如何衡量ORC 的投资成本、运营成本及ORC 所产生的发电收益，是决定是否选择有机工质的关键。另外，是否选择有机工质用于温度波动性很强的步进式烧结余热利用是值得进一步探讨的问题。

3 发电系统存在的问题

（1）烧结配料的变动对烧结烟气温度影响较大。一般烧结主抽进气温度控制在90℃～110℃之间，正常是稳定在105℃，抽风机风门开启85%，由此再决定冷却段抽风机风门的开度。而台车行走得快慢，料层的厚薄，混合料的成分都直接影响到烧结的料温。而在料温低的情况下，往往通过限制推料速度来保证烧结主抽风机进口风温，这直接导致冷却段料温急剧下降，影响了锅炉的产汽量。而每天两次的烧结换料，更使得上料出现间断，常常导致余热锅炉无以为继。因该项目为合同能源管理项目，烧结厂为降低自身单耗，通常对冷却风机进行限流，这也影响了锅炉的产汽量。

（2）该项目选用的凝汽抽汽型螺杆膨胀机组运行不稳定，振动过大，还有待时间的检验。

（3）从项目实际运行情况来看，为降低投资成本，未采用有机工质ORC，而直接采用凝汽抽汽型螺杆膨胀机组。与其他企业在利用波动性较大的低温低压饱和蒸汽发电项目上采用有机工质ORC螺杆膨胀发电机组相比，明显采用有机工质ORC螺杆膨胀发电机组的运行更稳定，发电效益更好。

（4）而采用机力冷却器对螺杆膨胀机组排出的蒸汽进行冷凝，这对冷却水的要求较高。普通水质容易产生沉淀，堵塞机力冷却器，影响系统的运行，同时，因蒸发、喷溅、挥发、排污等因素导致水的消耗过大，应有充足的冷却水源进行及时补充。而机力冷却器的电能消耗也是螺杆膨胀发电机组自身耗能的大用户。

4 结语

该项目在步进烧结机余热利用发电上做了成功的尝试，由于螺杆膨胀发电机组本身的特性，对烧结余热利用的整体设施提出了很高的要求。同时，也倒逼烧结生产整体稳定性的提升，这为烧结降低能耗提供了一个可行的途径。

但从实际运行经验来看，单台步进式烧结机进行余热发电的盈利还是蛮难的，在没有外部有效的保压汽源情况下，还是建议不上余热发电项目。若采用有机工质ORC发电技术，虽然能确保螺杆膨胀发电机组的运行稳定性，保证机组的连续运转，却很难做到盈利[6]。因此对于单台步进式烧结机余热利用来说，仅是提供余热蒸汽还是可行的，将余热锅炉产生的过热蒸汽通过单向阀进入蒸汽管网，也是可行的。