我国烧结余热回收技术发展概述

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2018-07-02
简介
我国在建筑工业的生产中,加强大中型钢铁企业生产,提高国民经济,我国烧结余热回收利用存在的制约环节;提出了烧结余热回收与利用技术发展的2 种途径,为我国烧结余热回收的良性发展奠定理论基础。其他内容,请阅读文章!

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目前,我国大中型钢铁企业生产1t烧结矿产生1.44GJ的余热资源量[1,2],回收利用率(即回收利用的余热占余热总量的百分比)为35%~45%[2]。以2012年计[3],我国尚没有得到回收利用的余热资源约有8.0亿GJ。因此,烧结过程余热资源的高效回收与利用是目前降低烧结工序能耗乃至炼铁工序能耗的重要方向与途径之一。“十一五”期间,我国大中型钢铁企业在产业政策和经济杠杆的驱动下开始相继使用烧结余热发电系统。进入“十二五”中期,在我国钢铁工业受到了全球经济格局的困扰的情况下,烧结余热发电整体发展放慢了脚步。然而,我国烧结余热回收利用技术还相对滞后,尚缺少标杆性的示范工程,亟待发展。本文总结我国烧结余热回收各项技术及其特点,分析目前我国烧结余热回收利用存在的制约环节;提出了烧结余热回收与利用技术发展的2种途径,为我国烧结余热回收的良性发展奠定理论基础。2我国烧结余热回收与利用技术发展状况我国烧结余热资源的回收利用起步较晚。1987年,宝钢首次从日本新日铁引进余热回收的全套技术和装备,并在1台450m2烧结机上建成我国第1台大型现代化的烧结余热回收装置。2004年,马钢再次引进日本川崎技术及设备,在2台328m2烧结机上建成了国内第一套烧结余热发电系统。而后,2007年,济钢在消化吸收国外先进技术的基础上,依靠国产化设备,在1台300m2烧结机上建成了国内第2套烧结余热发电系统。2009年12月,国家工信部推出《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》,在此计划推动下,国内各大钢铁企业纷纷签订烧结发电合同,烧结发电发展势头强劲。截至2012年,我国钢铁行业有烧结机1200余台,总烧结面积约12.6万m2,余热回收设备配备比例约30%~40%,余热回收利用率为20%~30%,吨矿发电量为10~13kW·h。目前我国烧结余热回收利用的对象几乎都为温度较高的烧结矿显热冷却废气,且主要用于发电,即动力回收;鞍钢等少数企业将余热用于热风烧结与点火助燃等直接热回收;只有少数用于烧结混合料干燥。2.1动力回收(烧结余热发电)动力回收是将烧结余热资源转换为蒸汽后发电的一种余热回收方式。来自带冷机/环冷机高温段的冷却废气通入锅炉进行热交换,将作为热载体的锅炉循环水转换为蒸汽,再通过蒸汽推动汽轮机带动发电机实现发电。余热发电技术按余热锅炉形式划分可分为单压余热发电技术、双压余热发电技术、闪蒸余热发电技术和补燃余热发电技术。据不完全统[4-6]计,截至2013年10月份,我国已有45家钢铁企业建成54套烧结余热发电项目,共涉及109台烧结机,烧结机面积共27830m3,发电机组总装机容量为905.5MW,烧结余热发电技术推广比例达22%(按烧结机面积计算),形成了年节能192.3万t煤的能力。此外,值得一提的是,一种烧结环冷机用余热锅炉及其热电联供系统,包括炉体,所述炉体上开设有通过管路与烧结环冷机上高温段相连的高温废气入口、与中温段相连的中温废气入口、与低温段相连的低温废气入口以及循环风出口,所述高温废气入口和中温废气入口位于炉体的顶端,低温废气入口位于炉体的中部或中下部,所述炉体上开设有高压蒸汽介质出口,低压蒸汽介质出口以及热水介质出口,所述高温废气入口处设有中压过热器,所述高温废气入口和中温废气入口的下方设有高中温段处理总成,所述低温废气入口的下方设有低温段处理总成。该热电联供系统包括上述炉体和汽轮机。本发明具有结构简单紧凑、适用范围广,能量利用率高、发电量大,安全性能好、环保性好等优点[7]。2.2直接热回收利用技术直接热回收利用主要包括热风烧结、热风点火助燃和烧结混合料干燥3种形式。2.2.1热风烧结将200~300℃的环冷机冷却废气引入到烧结机热风烧结保温罩,作为热风烧结的空气源,以热风的物理热代替部分固体燃料的燃烧热,可节省固体燃料,使烧结料层上、下部热量和温度的分布趋向均匀,克服了表层热量不足的缺点,同时提高了烧结矿的强度,改善了烧结矿的还原性。鞍钢等我国部分大中型钢铁企业实施了热风烧结,具体实施方法是:将环冷机二段尾部的小部分环冷废气通过管道未经任何加压装置直接引入到烧结机台面进行热风烧结,热风烧结面积约为10~20m2。国外热风烧结技术中,可采用SO2含量较低且温度较高的那部分烧结烟气返回到烧结机的前半区,作为热风烧结的热源。例如,2001年12月,其在德国克虏伯·曼内斯曼钢铁公司的Huckingen工厂某烧结机上实施,降低固体燃料消耗5~7kg/t(烧结矿)[9,10];1992年,日本新日铁公司在某480m2烧结机上实施了烧结烟气分区选择性循环工艺,降低固体燃料消耗6%[9];2005年,奥地利Voes-Stahl公司在某烧结机上实施了EPOSINT工艺,降低固体燃料消耗2~5kg/t(烧结矿)[11]。2.2.2热风点火助燃将200~300℃的环冷机冷却废气引入到烧结机点火装置,作为点火助燃空气或预热点火助燃空气,不但提高点火煤气燃烧速度和温度,使助燃空气与点火煤气混合物的着火更容易、更迅速,从而节约点火煤气,而且改善点火质量,使表层烧结矿烧结质量提高,减少表层返矿量。以某360m2烧结机为例,点火采用热值为3140kJ/m3的高炉煤气(引燃采用焦炉煤气),若采用250℃、4.0万m3/h的环冷废气(取自于环冷三段)经过除尘和引风机加压后作为点火助燃空气,并假设环冷废气到达点火助燃装置时的温度为200℃,则可使点火燃料消耗量降8.20%,折合节煤1.11kg/t(烧结矿)[8]。2005年济钢烧结厂先后对两台120m2烧结机进行了热风点火的技术研究和余热综合利用改造;宝钢股份不锈钢事业部烧结机也采用环冷机回收的热空气进行热风点火。但实际生产中,将温度居中或较低的环冷废气作为点火助燃空气鲜有实施,最主要原因有:环冷废气若直接作为助燃空气,必须经过除尘,否则有可能对点火烧嘴造成堵塞;若通过换热预热助燃空气,则必须对环冷废气进行加压,布置换热器,但换热效果难以保证,且由于现有位置有限,使得换热器的布置十分困难;另外,基于经济等原因,对作为助燃空气的环冷废气未进行加压,也没有对其流量与温度进行监控,因此,助燃效果无法得知。因此,点火助燃在国内几乎没有得到推行,国外的文献中[12]将部分冷却废气作为点火助燃空气。2.2.3烧结混合料干燥将200~300℃的环冷机冷却废气引入到烧结机前布料处,对烧结混合料进行干燥,既可明显提高混合料温度,减轻料层过湿现象,又可使料层的孔隙率增加,减小气流流经料层的阻力,改善料层透气性,提高混合料温度,为料层内热交换创造有利条件,同时减少燃料消耗。以某360m2烧结机为例,干燥带长度为2.3m,干燥时间为51s,若以250℃、18.0万m3/h的环冷废气(取自于环冷三段)经过引风机加压后作为干燥热源,并假设环冷废气到烧结机台面时的温度为200℃,可使烧结混合料的初始含水率降低0.6%(假设含水率由7.5%降低到6.9%),可节煤0.77kg/t(烧结矿)[8]。但实际生产中,将温度较低的环冷废气作为烧结混合料干燥热源却鲜有实施,最主要原因有:由于现场烧结布料位置有限,使烧结混合料干燥装置的布置十分困难;另外,基于经济等原因,对作为干燥热源的环冷废气未进行加压,也没有对其流量与温度进行监控,因此,干燥效果无法得知。烧结混合料干燥在国内几乎没有得到推行,在国外也鲜有相关信息。2.3环冷机密封技术环冷机密封技术在提高烧结余热回收效率方面具有重大意义,该技术包括以下几个方面。(1)一种用于烧结设备中点火炉与台车之间的密封装置,包括风道,风道的进口风与一风源相连,风道的出口风设于点火炉的两侧墙内壁上,风源提供的风由进风口进入风道并由出风口喷向台车的栏板外壁,在侧墙内壁与栏板外壁之间形成将点火炉炉膛内部与外界隔离的风帘。并发明了一种用于烧结设备中点火炉与台车之间的密封方法,该方法为:设置一风道,并将风道的出口风设于点火炉两侧墙的内壁上,往风道中通入风,通过出风口将风道中的风喷向台车的栏板外壁,使点火炉侧墙内壁与台车栏板外壁之间形成风帘[13]。(2)一种烟气罩动密封装置,包括内环形液槽、外环形液槽、内插板和外插板;内环形液槽设置于台车内侧栏板内侧的异形梁壁上,外环形液槽设置于台车外侧栏板外侧的异形梁壁上,内插板与烟气罩的内侧板固定连接,其下沿置于内环形液槽的液面以下且与内环形液槽的槽底之间具有间隙;外插板与烟气罩的外侧壁固定连接,其下沿置于外环形液槽的液面以下且与外环形液槽的槽底之间具有间隙[14]。(3)一种环冷机非冷却区液密封装置,包括相适配的环形液槽和门型密封装置,门型密封装置的内、外侧环板均插装于环形液槽中,形成环形风道,冷却区与非冷却区的两个邻接处的环形风道中均设置有端部密封装置;两个端部密封装置及门型密封装置的内、外侧环板之间的环形液槽内,设置有隔离圈部件,环形液槽的底板上开设有贯通开口;隔离圈部件与环形液槽的底板封固连接,并向上延伸至液面上方,以将两个端部的密封装置及门型密封装置的内、外侧环板之间的环形液槽分隔形成中部无水区和外部有水区[15]。(4)一种可提高废气温度、提高余热回收效率、便于制作与安装的环冷机余热回收密封装置。该环冷机余热回收密封装置,包括密封罩、悬挂装置和拉紧装置,密封罩上端通过悬挂装置挂于机架上,两侧通过拉紧装置与机架相连,密封罩两侧壁的下方装设有当热板,当热板下方设有台车密封体,所述密封罩两侧壁外侧装设有橡胶密封板,橡胶密封板下端与台车密封体相接[16]。2.4我国烧结余热回收利用中存在的不足2种烧结过程余热资源中,烧结烟气显热回收仅处于研发阶段,烧结矿显热是目前得以回收利用的烧结余热资源。目前我国烧结余热回收的理论研究与技术攻关仍滞后于烧结余热工程的发展,烧结余热回收利用尚存在一定的不足。(1)对温度较高的冷却废气用于发电过程中,如何把烧结矿的显热转换为一定焓值和能级的热空气,即烧结矿“取热”问题,尚未得到根本解决。(2)仅对大约300℃以上温度较高的冷却废气所携带显热加以回收利用,而对温度居中的200~300℃冷却废气和烧结烟气所携带的显热未加以回收利用。针对以上情况,本文提出了我国烧结余热回收与利用的2种技术途径:烧结矿余热罐式回收发电工艺和烧结余热分级回收与梯级利用技术为我国烧结余热高效回收与利用的发展探讨了新的技术途径。3我国烧结余热回收与利用技术发展途径烧结余热高效回收与利用主要有2大类技术,一类是就目前烧结机存在余热部分回收、回收得到余热品质较低等难以克服的弊端提出的一种变革性技术,即烧结矿显热罐式回收;另一类是维持原有烧结机结构形式提出的分级回收与梯级利用技术。3.1烧结矿余热竖罐式回收发电工艺目前,环冷机原始设计是基于烧结矿冷却,而非余热回收,因此,其存在着烧结矿余热部分回收、漏风率较高、热载体品质较低等难以克服的弊端[17]。借鉴干熄焦中干熄炉结构与工艺,参考炼铁高炉的结构形式,提出了烧结矿余热竖罐式回收发电工艺[18-19]。竖罐式回收发电工艺系统主要由冷却罐体、余热锅炉、汽轮机-发电机等3大部分组成(图1)[20]。来自烧结台车的炽热烧结矿,进入冷却罐体内在预存段预存一段时间后,随着冷矿的不断排出下降到冷却段,在冷却段与循环气体进行热交换而冷却,再经旋转密封卸料阀等,然后经由专用皮带排出。冷却的循环气体在罐体内与烧结矿进行热交换后温度升高至500~550℃,经环形烟道排出,经过一次除尘后进入双压余热锅炉,依次经过高压过热器、高压蒸发器、低压过热器、高压省煤器、低压蒸发器、低压省煤器加热工质水,使冷却废气温度降低到110~150℃,排出的废气经二次除尘后由循环风机送入省煤器,然后重新循环至竖罐中。汽轮机排汽经除氧式冷凝器后进入省煤器预热之后进入余热锅炉的低压省煤器,低压省煤器出口的水分为2部分,一部分进入低压汽包,经低压蒸发器、汽包汽水分离后,蒸汽经低压过热器过热后作为补汽(200~260℃,0.3~1.1MPa)进入汽轮机;另一部分水经高压省煤器进入高压汽包,经高压蒸发器、汽包汽水分离后,蒸汽经高压过热器过热后作为主蒸汽(460~510℃,5~8MPa)进入汽轮机做功推动发电机发电。图1烧结矿余热竖罐式回收发电系统示意图与现行的烧结矿余热回收相比,竖罐式余热回收发电工艺具有如下优点[20]:(1)冷却设备漏风率较低,粉尘排放量明显减少。冷却罐体采用密闭的腔室对物料进行冷却,冷却气体在罐体内循环流动,罐体顶部设有水封槽等密封装置,罐体底部采用旋转密封阀等装置,良好的气密性使其漏风率接近于零。(2)气固换热效率、热载体品位高,有利于提高余热利用率。竖罐内冷却废气与烧结矿之间的逆向换热方式使得出口废气温度趋于稳定,且保持在较高的水平上[21]。罐式冷却由于预存段的存在,可以保证进入余热锅炉的烟气量处于一个稳定范围。(3)余热回收效果显著。以国内某360m2大型烧结机为例,进行节能效益概算分析可知,竖罐式余热回收方式热回收率可达80%,比传统环冷机或带冷机热回收率高出40%。3.2烧结过程余热资源分级回收与梯级利用技术针对目前我国烧结余热回收存在的回收区域过窄、利用形式单一、回收利用率低等问题,依据吴仲华先生“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”原则[22],以国家高技术研究发展计划和重大产业技术开发专项为依托,开发了分级回收与梯级利用技术[23-24]。分级回收与梯级利用技术是对冷却废气和烧结烟气按其能级进行分级回收,在优先用于改善烧结工艺条件的前提下,梯级利用不同品质的余热:对温度较高的余热实施动力回收,即生产高品质蒸汽而后发电;对温度居中的余热,或实施动力回收,或实施直接热回收;对温度较低的余热实施直接热回收,即热风烧结、点火助燃及干燥烧结混合料。烧结过程余热分级回收与梯级利用技术的工艺流程图如图2所示[23]。该技术包括3级余热回收与利用系统:(1)一级余热回收与利用系统。该系统设置在第1余热回收区,主要回收温度较高的冷却废气(如一、二级冷却废气)。将一级冷却废气连同大部分烧结烟气经除尘后通入余热锅炉,产生的蒸汽用于发电;锅炉采用烟气再循环方式,使锅炉入口的热废气温度提高50℃。(2)二级回收与利用系统。该系统设置在第2余热回收区,主要回收温度居中的冷却废气(如三级冷却废气)和烧结烟气。温度居中的冷却废气连同烧结烟气可被用于:经除尘后通入点火炉,作为助燃空气;返回烧结机台面,进行热风烧结;通入点火炉前,进行烧结料预热干燥。实质上,这部分利用的是冷却机中部靠前位置的废气。冷却废气各段划分和流量的设置主要取决于梯级利用情况。(3)三级回收与利用系统。该系统设置在第3余热回收区,主要回收冷却机尾部温度较低的冷却废气(如四级冷却废气、烧结烟气等),其主要用于干燥和预热烧结原料,为烧结工艺低能耗高质量创造条件。烧结余热分级回收与梯级利用技术遵循了温度对口、按质用能的原则,集成了烧结矿“取热”技术(烧结矿显热高效回收技术)、烧结烟气高效利用技术、烧结混合料干燥、点火助燃与热风烧结技术等先进单体技术,实现余热回收端与利用端“量”与“质”的匹配,最大限度地回收烧结余热,降低工序能耗。该技术应用于国内某大型烧结机,余热回收与利用指标处于国内领先水平[22]:吨矿发电量达到18kW·h,烧结工序能耗降低煤5kg,废气减排20%。鉴于此,烧结过程余热分级回收与梯级利用技术应尽快在我国大中型钢铁企业加以推广应用。4结论(1)烧结过程余热资源的回收与利用是降低烧结工序能耗和优化生产工艺的重要途径,是推进钢铁企业节能减排的重要突破口之一。我国烧结余热回收利用与发达国家相比(发展阶段不同),在余热回收利用率、吨矿余热发电量、污染物减排等方面存在一定差距。(2)烧结矿余热竖罐式回收发电工艺是对烧结矿余热回收利用方式的一次革新,它借鉴了干熄焦的思想,有效解决了传统冷却机存在的漏风率高、余热部分回收等先天不足,具有很好的应用前景。该技术亟待学术界、工程界同仁的共同研发。(3)烧结过程余热资源分级回收与梯级利用技术集成了多种余热回收利用先进技术,实现了余热回收端与利用端“量”与“质”的匹配,最大限度地回收烧结余热。该技术具有很好的示范意义,应积极在我国钢铁企业大力推广。
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