摘要:
鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序的能耗僅次于煉鐵工序，一般為鋼鐵企業(yè)總能耗的10％～20％。我國(guó)燒結(jié)工序的能耗與先進(jìn)國(guó)家相比有較大差距，每噸燒結(jié)礦的平均能耗要高20kgce。在燒結(jié)工序總能耗中，有近50％的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣，即浪費(fèi)了熱能又污染了環(huán)境。據(jù)日本某鋼鐵廠熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)表明，燒結(jié)機(jī)的熱收入中燒結(jié)礦顯熱占28.2%、廢氣顯熱占31.8%。可見，燒結(jié)廠余熱回收的重點(diǎn)為燒結(jié)廢(煙)氣余熱和燒結(jié)礦(產(chǎn)品)顯熱回收。燒結(jié)余熱也是目前我國(guó)低溫余熱資源應(yīng)用的重點(diǎn)。
一、燒結(jié)余熱利用方式與現(xiàn)狀
燒結(jié)余熱主要利用方式有（1）在點(diǎn)火前對(duì)燒結(jié)料層進(jìn)行預(yù)熱；（2）送到點(diǎn)火器，進(jìn)行熱風(fēng)點(diǎn)火；（3）實(shí)行熱風(fēng)燒結(jié)，回收燒結(jié)過(guò)程的熱量和成品礦顯熱，降低燒結(jié)能耗；（4）利用余熱鍋爐回收燒結(jié)或冷卻熱廢風(fēng)，所產(chǎn)蒸汽用于預(yù)熱燒結(jié)混合料或生活取暖等，或者進(jìn)行蒸汽升值發(fā)電。
目前，我國(guó)大型燒結(jié)廠普遍采用了余熱回收利用裝置，但多數(shù)中、小燒結(jié)廠的余熱仍未得到有效利用。國(guó)內(nèi)重點(diǎn)大中型企業(yè)，鋼鐵協(xié)會(huì)會(huì)員單位在2006年鋼鐵協(xié)會(huì)調(diào)研時(shí)，只有不到三分之一的燒結(jié)機(jī)配備了燒結(jié)余熱利用設(shè)備，大部分是蒸汽回收并入全廠動(dòng)力蒸汽管網(wǎng)，很少利用余熱發(fā)電的。近年來(lái)，隨著低溫?zé)煔庥酂徨仩t技術(shù)和低參數(shù)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電成為可。
二、燒結(jié)余熱利用與發(fā)電技術(shù)
目前我國(guó)燒結(jié)余熱利用的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于：由于存在漏風(fēng)率高導(dǎo)致廢氣溫度降低，又要保證進(jìn)入除塵器前廢氣溫度在露點(diǎn)以上等原因，回收利用燒結(jié)余熱較困難。因此，如何降低漏風(fēng)率以提高燒結(jié)機(jī)煙氣溫度，以及在保證燒結(jié)廢氣除塵所需溫度條件下，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)尾部高溫段廢氣顯熱回收？燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電核心技術(shù)的消化吸收和本土化，是燒結(jié)余熱回收的重點(diǎn)。如開發(fā)此技術(shù)將燒結(jié)礦余熱充分利用，則鋼鐵行業(yè)年可節(jié)約能源約900萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。燒結(jié)余熱發(fā)電是利用低溫余熱的一個(gè)有效途徑，但目前來(lái)說(shuō)應(yīng)用很少，且存在一些問(wèn)題，在運(yùn)行過(guò)程中，由于燒結(jié)機(jī)和環(huán)冷機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，余熱回收系統(tǒng)的工作參數(shù)也將隨之變動(dòng)，輸出的蒸汽壓力、溫度、流量也將發(fā)生變化，從而影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。所以在燒結(jié)機(jī)冷卻機(jī)廢氣顯熱回收總體方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)中，重點(diǎn)是開發(fā)余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)控技術(shù)。帶冷機(jī)余熱回收方案見下表：
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名稱
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高溫段
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中溫段
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低溫段
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溫度/℃
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450-300
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300-200
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200-150
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回收方式
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熱交換
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直接利用
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直接利用
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用途
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余熱發(fā)電
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熱風(fēng)燒結(jié)，熱風(fēng)點(diǎn)火
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料礦預(yù)熱，原料
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從燒結(jié)機(jī)尾部風(fēng)箱排出的廢氣,溫度可達(dá)300度左右,從燒結(jié)機(jī)卸下的熱燒結(jié)礦溫度一般在600—750度之間,當(dāng)熱燒結(jié)礦在在冷卻機(jī)的前段用空氣冷卻時(shí),也可產(chǎn)生300度以上的熱廢氣,這兩部分熱廢氣所含的熱量大約相當(dāng)于每噸燒結(jié)礦0.4—0.5GJ,占整個(gè)燒結(jié)礦熱能消耗的23--28%,是燒結(jié)工藝中一項(xiàng)較大的余熱資源,在日本已經(jīng)對(duì)這部分余熱資源通過(guò)安裝粗除塵器和余熱鍋爐發(fā)生蒸汽進(jìn)行了較充分的利用, ,日本有8臺(tái)燒結(jié)機(jī)回收這部分余熱,回收熱量達(dá)每噸燒結(jié)礦105MJ,相當(dāng)于3.6公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。和歌山等廠回收的蒸汽為每噸燒結(jié)礦約20公斤。見下表：日本燒結(jié)廢氣余熱回收設(shè)備操作指標(biāo)。
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廠??? 名
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和歌山NO.5
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小倉(cāng)NO.3
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鹿島NO.2
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投產(chǎn)年月
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1981.9
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1981.10
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1981.12
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燒結(jié)礦產(chǎn)量
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T/D
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3648
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4916
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10013
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燒結(jié)礦焦耗
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KG/T
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49.9
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42.7
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44.7
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鍋爐入口廢氣溫度
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296
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328
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186
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鍋爐出口廢氣溫度
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?
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207
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216
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162
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回收蒸汽
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T/H
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3.5
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4.2
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1.5
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回收蒸汽
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T/噸
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21.4
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18.7
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3.6
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日本采用鼓風(fēng)環(huán)冷方式冷卻燒結(jié)礦,冷卻機(jī)料層厚度800--1600MM,環(huán)冷機(jī)出來(lái)的廢氣溫度為250--450度,各大鋼鐵公司都有燒結(jié)礦余熱利用技術(shù):
(1)新日鐵,1979年在入幡廠建成世界上第一臺(tái)燒結(jié)礦低溫余熱透平,發(fā)電能力5700千瓦該裝置是利用鼓風(fēng)環(huán)冷機(jī)的300--400度的廢氣(35萬(wàn)標(biāo)立米/時(shí))獲得250度的熱水(約140噸/時(shí)),用它驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。排出的蒸汽經(jīng)汽水分離后,蒸汽(壓力0.596MPA,25.6噸/時(shí))進(jìn)入閃蒸透平的第一級(jí),熱水經(jīng)逐段閃蒸(降壓蒸發(fā))后,順序進(jìn)入透平的后三段,透平共有6級(jí)。
熱水透平的效率雖然比蒸汽透平低，但是熱水的回收率高，回此這種熱水發(fā)電方式對(duì)大量的中低溫余熱源來(lái)說(shuō)，還是很有前途的。另外，該系統(tǒng)是用水作工質(zhì)，其成本比有機(jī)工質(zhì)便宜得多，為了進(jìn)一步提高效率，可采用蒸汽－－熱水混合噴射透平，也可考慮與熱水供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合，組成復(fù)合系統(tǒng)。
(2)新日鐵君津廠1981年在3號(hào)燒結(jié)機(jī)的冷卻機(jī)上,建成一套利用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)F--85循環(huán)的余熱發(fā)電裝置,簡(jiǎn)稱ORCS,功率為12500千瓦,設(shè)備費(fèi)25億日元,三年收回投資。
燒結(jié)礦冷卻機(jī)廢氣(69萬(wàn)標(biāo)立米/時(shí),溫度345度)送入鍋爐,廢氣余熱使低沸點(diǎn)介質(zhì)變?yōu)檎羝?帶動(dòng)蒸汽透平發(fā)電。
使用后的低沸點(diǎn)介質(zhì)在冷凝器內(nèi)冷凝后返回鍋爐循環(huán)使用。由于這種媒體的沸點(diǎn)比水低,蒸發(fā)潛熱小,加之其比容僅為水的五分之一,所以發(fā)電效率高,在同一條件下,其發(fā)電效率比蒸汽高10--15%,且不自燃,無(wú)毒,無(wú)腐蝕性,是理想的工質(zhì),缺點(diǎn)是價(jià)格較高。
(3)日本住友金屬工業(yè)公司和歌山廠,采用二道冷卻方式回收燒結(jié)礦的顯熱,該廠冷卻 機(jī)的料層厚度較薄(700)MM,所以,排氣溫度只有200度。回收這種低溫余熱,在技術(shù)上有一定困難,經(jīng)濟(jì)合理性較差。為了提高余熱回收效率,該公司研究成功二道冷卻方式余熱回收技術(shù),并于1979年3月在和哥山廠建成一臺(tái)這種裝置,運(yùn)轉(zhuǎn)情況一直很好,取得了顯著的節(jié)能效果,并在5號(hào)燒結(jié)機(jī)上建成一臺(tái)。
冷卻機(jī)排熱回收方法中,一般采用直接交流方式,又稱為一道冷卻方式,為了提高排氣溫度,將冷卻機(jī)罩分段,使低溫段的冷卻空氣空氣通過(guò)高溫段以后再排出,日本人把這種方式稱作二道冷卻方式,二道方式雖比一道方式的設(shè)備復(fù)雜一些,但對(duì)于同同樣的傳熱容積,其氣體流速為一道方式的二倍,回收的熱量比一道方式增加40--50%,即使在在冷卻料層比較薄的情況下,也可以得到高溫廢氣,大大提高了余熱回收率及回收效果。和哥山廠采用這種技術(shù)后,回收每噸燒結(jié)礦的顯熱可以產(chǎn)生6.37MPA蒸汽,換算為熱量,相當(dāng)于16.75*10000KJ/噸礦,也就是說(shuō),采用這種方式回收的余熱,相當(dāng)于生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦所消耗熱量的10%。 該廠實(shí)踐證明,二道冷卻方式對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量沒(méi)有什么不良影響。
而在我國(guó)才剛剛起步，寶鋼、鞍鋼等單位均安裝了冷卻機(jī)熱廢氣余熱鍋爐。梅山在燒結(jié)機(jī)尾至環(huán)冷機(jī)前段安裝了利用燒結(jié)礦輻射熱的余熱鍋爐，每小時(shí)可產(chǎn)生蒸汽1.1—2.1噸,鞍鋼東燒廠將熱返礦槽上的串水橫梁的冷卻水,通過(guò)串聯(lián)提高熱水溫度,用于生活。如果使用生石灰的燒結(jié)廠,也可將熱水用消化生石灰,可取得節(jié)約蒸汽并改善生石灰消化條件的雙重效果。
寶鋼燒結(jié)余熱鍋爐投運(yùn)以來(lái)，年發(fā)生蒸汽31萬(wàn)噸，每年還可以從廢氣中回收鐵礦粉末約1萬(wàn)噸返回?zé)Y(jié)利用。見下表：寶鋼燒結(jié)余熱回收參數(shù)。
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項(xiàng)目
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回收率
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回收總量
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折合標(biāo)煤
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降低噸鋼綜合能耗 kgce/t-s
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燒結(jié)余熱鍋爐
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68.20kg/t
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31.22萬(wàn)噸
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3.5
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2.95
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