烧结余热发电系统设计

烧结余热发电系统设计

李伟明

(中冶东方工程技术有限公司  包头  014010)

摘要：对某钢铁公司烧结余热发电系统的整体设计进行综述，重点介绍了烧结余热发电系统的主要组成及工艺布置。该系统设计符合国家节能减排政策，将为该钢铁公司带来可观的经济效益。

关键词：烧结；余热；发电

0  引  言

在烧结矿生产过程中，特别是烧结矿由鼓风式环冷机及带冷机冷却过程中会排出大量温度为200~400℃的低温炯气，从而浪费大量可回收的热量，其热能量大约为烧结矿烧成系统热耗量的33％^[1]。如果低温炯气余热回收发电技术在这些烧结机环冷机上进行应用，势必将回收大量热能，从而提高烧结矿生产过程的能源利用率，降低工序能耗，为工厂带来十分可观的经济效益。

随着近年来低温烟气余热锅炉技术和低参数补汽式汽轮发电机组技术的不断发展和日臻完善，使低温烟气余热回收成为可能。下面将针对某钢铁公司正在建设中的烧结余热发电系统的设计进行综述。

1  烧结余热发电系统的选型方案

某钢铁公司新建2台160 m²烧结带冷机余热锅炉和1台280 m²烧结环冷机的余热锅炉共3台余热锅炉，与此配套新建1台补汽冷凝式汽轮机发电机组，机组额定功率为25 MW。

该烧结生产线上的烧结矿采用鼓风式环冷机及鼓风式带冷机，冷却机出口的废气温度约300℃～350℃。本设计中为了充分回收热能，余热锅炉到烧结冷冷却机之间的烟气采用再循环方式，烟气再循环能使余热锅炉进口烟气温度提高20℃～50℃。本设计中余热锅炉的烟气条件确定为进气温度388℃～390℃，烟气流量200000～300000 m³／h，从余热锅炉出口排出的烟气温度为160℃～165 ℃。

本余热锅炉分中温余热锅炉和低温余热锅两部分，中温余热锅炉用于烧结环冷机(或带冷机)高温烟气段的余热回收，产生中压过热蒸汽，低温余热锅用于烧结环冷机(或带冷机)中温烟气段的余热回收，可产生低压饱和蒸汽。中温余热锅炉设置省煤器、蒸发器、汽包和过热器；低温余热锅炉设置省煤器和汽包。

余热锅炉可以根据现场条件，将中温余热锅炉和低温余热锅炉组合布置，也可以分散布置。由于余热锅炉可以根据现场条件灵活调整设备形状和尺寸，使得设计、安装和维护带来极大方便。

余热锅炉采用立式自然循环锅炉，带上汽包，烟气自上而下通过锅炉。为增大换热面积，强化换热效果，余热锅炉受热面使用螺旋翅片管。余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器和汽包组成主要循环回路。

双压余热锅炉省煤器段的工质流量比锅炉后段大数倍，冷热流体热容量相当大，这样可防止出现局部温差过大，影响传热效果，从而保证了炯气余热的充分利用，中温余热锅炉出炉烟气温度可降至165℃左右。低温余热锅炉出炉烟气温度可降至100℃左右。

本烧结余热回收发电系统采用三炉一机的配置方式，即在现有3条烧结生产线环冷机及带冷机旁就近露天各布置一台余热锅炉，锅炉主蒸汽压力2．05 MPa，温度364℃～367℃，锅炉总出力约68t/h。

为充分利用双压余热锅炉产生的两种蒸汽，与锅炉配套的汽轮机发电机组采用补汽冷凝式汽轮机，这样可以最大限度提高热利用率，提供高品位的电能。

3   烧结余热发电系统的主要组成

本次设计的烧结余热发电系统主要包括：热力系统、给排水系统、电气自动化控制系统。

3．1  热力系统

1)汽水系统。

目前国内常用的烧结环冷机余热发电热力系统有两种类型^[2]，一种是采用双压余热锅炉产汽供汽机发电。该系统中余热锅炉产生两种参数的蒸汽，一种中压蒸汽(2．05MPa，367℃)作为主蒸汽送入汽轮机进行发电，另一种为低压蒸汽(0．5 MPa，200℃)，作为补汽补入汽轮机，增加做功提高发电量。蒸汽做功后凝结成冷凝水，由冷凝水泵送入除氧器除氧后，再由锅炉给水泵供至余热锅炉，循环使用。

这种系统的优点是系统简单，外网管道数量少。缺点是对余热锅炉与汽机间的距离有要求，当余热锅炉与汽轮机间的距离过远(一般超过150 m)时，低压蒸汽在输送过程中热损失很大，不利于能量的利用。

另一种是闪蒸方式的热力系统，该系统中锅炉给水一部分经过余热锅炉加热后生成中压蒸汽，并作为主蒸汽送入汽轮机进行发电，另一部分经余热锅炉省煤器后，变成高温饱和水，送回汽机问设置的闪蒸器，闪蒸出低压蒸汽(0．5 MPa，200℃)，作为补汽补入汽轮机，增加做功提高发电量。闪蒸后的水进入除氧器，经锅炉给水泵送至余热锅炉循环使用。

这种系统的优点是克服了余热锅炉与汽机间的距离要求，由于闪蒸器就布置在汽机间，使得闪蒸出的低温低压蒸汽质量好，热量不损失，提高了能量的利用率。

通过上述分析，针对某钢铁公司的实际情况，即烧结环冷机与汽机间距离较远(大于250 m)，应该采用中压余热锅炉与闪蒸器相结合的热力系统。但钢铁公司提出烧结料的加热蒸汽由本系统供给的要求，需要的蒸汽量10～13t/h，蒸汽压力0．3～0．4MPa。根据此要求，本设计中蒸汽系统采用双压锅炉的形式，低压蒸汽供就近的烧结机使用，当烧结机不使用时，为避免低压蒸汽远途输送至汽机的热损失，在余热锅炉的设计中考虑低压蒸汽的过热设施，将饱和蒸汽过热约50℃，再输送至汽机补汽发电。

2)烟气系统。

根据烧结环冷机及带冷机烟气温度分布情况，通常分为高温段、中温段和低温段，每段的温度范围一般分别为250℃～350℃，150℃～250℃和100℃～150℃。

本次设计的烟气系统为烟气循环系统，包括两部分内容，即环冷机高温段的烟气采用闭式循环系统和中温段采用开式系统。第一部分是将烧结冷却机高温段的烟气由烟道直接引入中温余热锅炉换热后，经过循环风机抽吸，送回烧结冷却机高温段下部的风箱；第二部分是将中温段的低温烟气引入低温余热锅炉换热后，经过引风机抽吸后，排人大气。

3)油系统。

机组润滑油和控制油均由一套供油装置提供。润滑控制油系统主要用于机组的润滑、调节和保护。

3．2  给排水系统

1)净环水系统。

新建余热发电机组冷却用水采用净环水，其中25 MW烧结余热锅炉发电机组用水量为5 600 m³／h，15 MW余热锅炉发电机组冷却用水量为5 200 m³／h，工作压力≥0．25 MPa，供水温度35℃，回水温度45℃，净环回水为有压回水，用后仅水温升高水质未受污染，回水利用余压上冷却塔，冷却降温后自流人泵站吸水井，经泵加压后供往用户循环使用。

2)除盐水系统。

余热锅炉补充水采用除盐水，除盐水用量30 m³／h，水质要求：电导率≤10μs／cm，SiO₂≤100μg／L。系统所需的除盐水均由厂区除盐水站供给，为保证系统运行稳定，在厂区附近设一除盐水储水箱，容积为400 m³，并设一台除盐水泵，作为除盐水外网的备用系统。

3)生产、生活及消防给水系统。

生产补充新水用量230 m³／h，生活用水量1 m³／h，根据GB 50016-2006《建筑设计防火规范规定》，室外消防用水量15 L／s，室内消防用水量10 L／s，同时发生火灾次数按1次考虑，灭火时间按2小时考虑，室内外生活、消防用水由全厂生活、消防给水管网统一供给。

4)排水系统。

生活、生产排水量57．8m³／h，生产排水水质符合GB 13456-92《钢铁工业水污染物排放标准》要求，与生活污水、雨水一起排人厂区现有排水明沟后流人现有污水处理厂。

3．3  电气自动化控制系统

1)电力系统。

本设计的25 MW发电机组，发电能力为24．6MW，扣除厂用电负荷4．4 MW，实际发电能力为20．2 MW。发电机端电压采用10．5 kV出线送至该钢铁公司总降的10 kV系统，并网点设在发电机出口断路器。该钢铁公司用电设施包括汽机间、余热锅炉、水系统及其他辅助设施等。本T程的动力变压器一次电压及高压电动机的端电压采用10 kV，低压动力负荷电压等级为380／220 V。

2)保护系统。

发电机变压器组、输电线路及厂用电系统的保护按现有的国家标准配置，发电机部分，输电线路、厂用电系统的保护装置采用微机综合保护装置。

发电机设并网同期系统，同期点设在发电机的出口断路器。主控室内设自动准同步装置和同步闭锁的手动准同步装置。

发电机设自动励磁调节系统，可以根据发电机出口电压自动调节励磁系统，保持电压恒定。

3)自动化控制系统(DCS系统)。

三机一炉系统及循环水泵站系统均采用仪电一体化的基础级计算机控制系统，以DCS作为控制站，以工业PC作为操作站，组成分布式结构。其中DCS系统控制工艺设备的运行，检测各生产设备的状态及工艺参数，并按确定的控制原则对各设备进行控制和调节。操作站主要功能是通过HMI动态画面实时地监控现场的生产状况、并根据实际情况对生产过程进行必要的控制和干预，还可进行趋势分析。操作站可记录、处理生产数据、打印报表、通讯等。

自动控制系统中，操作人员通过操作站、对控制站进行各种数据及信息的交换。

①操作功能。

操作人员在HMI上进行数据设定、管理及操作，包括各系统运转方式、设备运转方式的设定及系统和设备的运转控制，各调节系统的参数设定、工作方式的选择，过程参数回路显示和控制功能，以及对故障内容的设定。

②监视功能。

包括各系统设备的集中显示画面和分画面显示，重要电机运行参数的显示以及主要调节回路参数的显示。

③故障管理功能。

包括故障报警，故障HMI画面显示，对故障内容实时打印，以及控制系统自诊断及监视。

4  烧结余热发电系统的工艺布置

新建的汽机问分主跨和副跨两部分，主跨布置汽轮发电机组，副跨布置高压电气设备、锅炉给水泵、电缆夹层、低压电气设备、主控制室和除氧器。

280 m²烧结环冷机余热锅炉布置在环冷机附近的空地上。坐落在±0．000 m地坪上。占地面积为15 m×5 m，余热锅炉炉顶标高约20 m。

循环风机、引风机、炯囱均布置在余热锅炉的一侧，坐落在±0．000 m地面上。锅炉给水泵(4台，2工作，2备用)、定期排污扩容器(1台)、疏水扩容器(1台)、疏水箱(1台)、疏水泵(2台，l工作，l备用)、加药装置(1套)等布置在余热锅炉下面±0．000 m上。取样冷却器(2台)布置在锅炉平台上。除氧器(1台)设在锅炉上面。

160 m²烧结带冷机余热锅炉布置在带冷机的一侧，为不影响道路通行，余热锅炉坐落在7．000 m的平台上，占地面积为20 m×10 m，余热锅炉炉顶标高约27 m。

循环风机布置在余热锅炉的一侧，坐落±0．000m地面上。定期排污扩容器(1台)布置在±0．000m地面上。锅炉给水泵(4台，2台工作，2台备用)、疏水扩容器(1台)、疏水箱(1台)、疏水泵(2台，1台工作，1台备用)、加药装置(1套)等布置在余热锅炉下面。7．000 m平台上。取样冷却器(2台)布置在锅炉平台上。低压锅炉的烟囱布置在7．000 m平台上。除氧器(1台)设在锅炉上面。

5  结论

国家“十一五”规划纲要中明确提出：“单位国内生产总产值(GDP)能耗降低20％，主要污染物排放总量减少10％”的约束性指标。“十一五”规划提出：万元GDP能耗下降20％的目标，其核心是落实和实施科学发展观。《国家发展改革委办公厅关于组织申报节能、节水、资源综合利用重大项目和示范项目以及现役火电厂脱硫设施设备备选项目的通知》(发改办环资[2004]906号)，也明确了重点支持钢铁、有色、石油石化、化工、建材等高耗能行业节能技术改造项目。烧结余热发电是能源的二次回收利用，符合国家节能减排政策，本次设计的烧结余热发电系统通过回收排出的废烟气显热，使烟气温度由400℃降为160℃，利用烟气量77万Nm³／h。总发电量为9450×10⁴kw·h／a，扣除厂用电负荷实际发电量为6305×10⁴kW·h／a。因此，本文所述的烧结余热发电系统的设计是必要的、可行的。目前，该系统已进入设备安装阶段，很快将投入使用，为该钢铁公司创造可观的经济效益。

参考文献

[1]汪用澎，张信．大型烧结设备[M]．北京：机械工业出版社，1997

[2]陈学俊，陈听宽．锅炉原理[M]．北京：机械工业出版社，1991