三钢2#烧结机烟道废气余热的选择性利用

三钢2^#烧结机烟道废气余热的选择性利用

    江荣才

(福建三钢集团闽光股份有限公司烧结厂)

摘要  福建三钢闽光烧结厂利用热管技术有选择性地回收烧结机烟道废气余热，产生蒸汽用于发电，收到了明显的经济效益，为烧结行业余热利用，节能降耗开拓了一条新路。

关键词  余热回收装置  烧结机烟气  热管换热器  余热利用

1  前 言

         我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20％左右、主要污染物排放总量减少10％。作为能耗大户的冶金行业，节能减排已成为企业生存和发展的主要课题，越来越受到企业的重视。对于烧结生产过程中产生的大量热能，如何有效地回收利用，减少向外排放等问题，近些年来国内外专家做了大量的工作，也取得了可喜的成果和经济效益。在应用形式上，主要集中在回收烧结矿冷却过程的余热，即使是首钢烧结厂这样采用机冷工艺的烧结机，其烟道废气的余热利用也是设置在冷却段烟道上。在我国，烧结机大烟道烟气余热回收尚无先例^[1]。

         三钢闽光烧结厂根据烧结工艺特点和烧结烟气分布特点，充分利用烧结机尾部烟道废气(简称烧结烟气，下同)温度高、烟气量大的特性，克服空间狭小、气体含尘、烟气流速快等不利因素，在新建的一台180 m²烧结机(2^# 机，下同)大烟道上应用热管技术成功地将高温段的烟气热量进行选择性回收，填补了我国烧结机烟气余热回收的空白。

2  烧结机烟道烟气选择性余热利用技术的实施

2．1烧结工艺特点

         烧结生产具有烟气温度高、废气量较大的特点。根据烧结过程的温度曲线，烧结机头、中、尾部的温度是一个逐渐升温，然后逐渐降温的过程(见图1)。

         图1是三钢1^# 烧结机烧结过程典型的风箱温度分布曲线。该烧结机共有15个风箱，由图可见，靠近机尾的11^# ~15^# 风箱，废气温度超过了300℃，存在着大量可回收利用的余热资源。如果任其从烟囱排入大气，无疑会造成极大的浪费。为了节约能源，减少环境污染，三钢决定对上述余热资源加以回收利用。

         2^# 烧结机也有15个风箱，根据对每个风箱的实际测试数据，其总标况风量为530 000 m³／h，风机设计风量为8l0 000 m³／h。2^# 烧结机结构与已生产的1^# 烧结机相同，只是烟道尺寸不同。1^# 机没有大、小烟道之分；2^# 机因机头烟气选择性脱硫工艺的需要，分为大、小烟道。大烟道汇集烧结机中部5^# ～13^# 风箱的烟气，小烟道汇集烧结机头部l^# ～4^# 、尾部14^# ～15^# 风箱的烟气。

为了确定相关参数，我们对1^# 机进行了现场检测，实测运行参数如表l所示。
   
        根据表1所列参数，1^# ～10^# 风箱废气温度比较低，回收利用的效率低，且废气中含有一定的SO₂，为防止结露形成酸腐蚀，这些部位的废气余热不宜回收利用。11^# 风箱的废气温度虽然高达298℃，但考虑到10^# 与11^# 风箱之间有横梁，换热设备无法在这两个风箱之间安装，因此11^#  风箱的废气余热也无法回收。综合上述情况，只能回收12^# ～15^# 风箱的废气余热。由于烧结烟气中含有SO₂和高浓度粉尘，且流速快，若采用翅片管式蒸汽发生器回收烟道废气余热，一旦其中某根翅片管损坏，则整排翅片管都将丧失工作能力，并造成大量漏水，那么，换热设备及烟管都将遭受酸腐蚀，并影响后面的主抽风机和电除尘设备的安全运行。因此，我们选用热管式蒸汽发生器来回收烟道废气余热。热管的优点在于，当其中某根热管损坏时，不会影响其它热管工作，且单根热管(加热端)内的水量很有限，即使这根热管损坏，管内漏出的少量水也很快被蒸发，不会使废气中的SO₂形成硫酸。况且，热管冷凝段设在烟道外，单根热管冷凝段漏水，也漏不到烟道内。因此，采用热管式蒸汽发生器回收烟道废气余热是比较适宜的。

2．2余热回收系统的组成及工作原理

         该余热回收系统由软化水水池1、水泵2、热力除氧器3、热管蒸汽发生器4、汽包5、蒸汽过热器6等几部分组成，参见图2。其工艺流程如下：软化水池→加压水泵→热力除氧器→热管换热器→汽包→蒸汽过热器→公司蒸汽网。
         加压泵房内配备了5台锅炉离心泵、1台低位热力除氧器、1台连续排污膨胀器，负责所有蒸汽发生器的软水供应(包含带冷余热利用装置用水)。2台热管换热器并排安装在11^# ～12^# 风箱之间的大、小烟道上，蒸气过热器位于热管换热器的前端，汽包位于2^# 机尾的17．2 m平台上。

         水池的软化水经加压水泵打到低位热力除氧器，经蒸汽预热至104℃，带压进入汽包，经汽包再下降到换热器内；在换热器内转换为195℃的汽水混和物，该汽水混和物经直出管再进入汽包，进行汽水分离，汽包产生195℃的饱和蒸汽，工作压力为1．3 MPa。汽包产生的蒸汽再经过热器过热后加温到250℃，然后输入公司蒸汽网，用于余热发电(余热发电系统设在动能公司)。汽包设有液位控制器，分别与两台水泵联锁，控制水泵的启停。因烟气粉尘含量高，在热管换热器前的烟道下部和热管换热器下部均设有积灰斗，由电动双层卸灰阀控制定期排灰。

2．3余热回收装置

         余热回收装置由烟气进出口、上升管、汽包、下降管、热管换热器、过热器等组成，见图3。
2．3．1热管换热器

         由于热管比较适合于低温差传热，且沿管长的等温性能较好，因此热管式蒸发器的换热效率要略高于翅片管式蒸发器，这种换热器由热管蒸发器和汽包组成。但热管式蒸发器受热管工作温度的限制，即：当热废气温度超过420℃时就会有爆管的危险，影响热管的正常工作。因此，我们在大、小烟道的端部均设置了冷空气补充装置，当烟气温度超过临界值时，自动打开补气阀门。

         蒸汽发生的整个过程如下：热管换热器安置在1l^# ～12^# 风箱之间的大、小烟道上，高温烟气(大于350℃)将热量传给热管蒸发段内的工作介质，使其汽化后流向热管换热器的冷凝段；在冷凝段将热量传给热管外的水，使其汽化；热管内的工作介质在冷凝段放出热量后凝结，并在重力作用下，沿热管内壁返回蒸发段，如此循环。环行空间内的汽液混合物，通过连接管送至汽包内进行汽液分离；汽包内的饱和水由下降管送至热管束，构成汽水系统循环。

2．3．2  汽  包

    由于需要产生过热蒸汽，故要求汽包产生的蒸汽干度达到99％左右，为蒸汽过热创造条件。因此，设计好汽包内部装置，是获得高品质蒸汽的关键。由于进入汽包的汽水混合物蒸汽含量不大，蒸汽干度通常小于10％，故设计时采用了三级分离。

2．3．3过热器

        过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到额定的过热温度。过热器安装在热管蒸发器的前面，采用蛇形管结构，与热管蒸发器共同组成蒸汽发生器本体。高温烟气先流经过热器，将1．3 MPa、195℃的饱和蒸汽加热变成1．3 MPa、250℃的过热蒸汽，然后才进入热管蒸发器。

2．3．4卸灰装置

         在热管换热器前的烟道下部和热管换热器下部均设有积灰斗。由于烟道处于-17kPa左右的高负压状态，密封要求高，不能有漏气现象，因此，灰斗下方设有电动双层卸灰阀，控制定期排灰。

3  运行情况及效果

         2^# 烧结机大、小烟道余热回收装置于2007年8月8日与烧结机同步投产。大、小烟道热管蒸汽发生器的设计指标分别列于表2、表3。2008年3月～2009年2月，该余热回收系统的运行工况见表4。
         从上表可以看出，2^# 烧结机大、小烟道余热回收装置投入运行后，运行稳定，产汽量基本不受季节影响。除去2008年11月因安排年终检修，产汽量不足之外，平均月产汽量为2 827 t／月，正常水平为4．2 t／h。产汽量没有达到设计水平，这是因为该余热回收装置是根据1^# 烧结机单烟道工况下的实测数据进行设计的，由于2^# 烧结机采用了双烟道选择性脱硫设计，烟道配置与1^# 机不同，密封效果较好，主抽风机实际运行总风量(530 000 m³／h)大大低于设计风量(810 000 m³／h)，故影响了产汽量。但运行数据表明，该余热回收系统年产汽量仍可达到3～4万t，全部用于发电，按每吨蒸汽发电115度，电价0．5元／kWh计算，全年可获益191．5万元。此项工程投资约140万元，扣除运行费用，投资回收期不到一年。

4  存在的不足与建议

         由于烧结机大烟道烟气余热回收利用在国内外尚属首次，没有现成的经验可供借鉴，因此，在各方面还存在着诸多不足。从一年多来的生产情况看：一是实际产汽量没有达到设计水平，原因前面已作分析；二是烟气热量还没有得到完全利用，经过余热回收后的废气温度仍大于200℃，如能对烟气进行温度梯级利用，设置水温预热装置等，可进一步提高其余热利用水平；三是设计产汽量偏低，主要原因是受场地限制，没能将11^# 风箱的废气纳入余热回收，这很可惜。如能在烧结机设计时同步进行余热利用设计，或者在改造时将烟道废气引出，保证有足够的空间安装余热利用装置，加大换热面积，或可解决上述不足，增加产汽量。

5  结  语

         三钢烧结厂2^# 烧结机烟道余热回收装置建成投产并一次试车成功，开国内外烧结烟气余热利用之先河，为钢铁行业节能开辟了一条新的途径。该系统投产后，运行良好，节能效果与经济效益显著；其投资少，见效快，安全可靠；在已采用烟气脱硫的烧结机系统中，还能降低并稳定进入脱硫系统的废气温度，减少脱硫系统冷却水的消耗。

参考文献

[1]  田淑霞，刘庸等．首钢烧结厂烟道气的余热利用．烧结球团．2001．26(5)：40~42．