烧结环冷机低温烟气余热发电的控制研究

【摘要】 据统计,2007～2012年间,我国钢铁行业能耗约占全国能耗的14.2%,是国内的第一能耗大户。在钢铁生产中,烧结是仅次于炼铁的第二大能耗工艺,约占钢铁企业总能耗的12%～20%,其中,冷却机废气和烧结机烟气带走的显热又占整个烧结工艺全部支出热量的50%。对冷却机废气余热进行回收是降低钢铁企业能耗,发展循环经济的重要途径。本文基于我国烧结冷环机热废气余热利用现状,分析了现行技术的不足及其产生原因,提出一种新的环冷机余热发电的控制方法,并对其工程应用进行了对比分析,节能效果显著。

【关键词】 钢铁厂余热发电控制

烧结环冷机在工作时,会向外排出大量200～450℃的中低温废气,这部分废气带走的显热占整个烧结工艺全部支出热量的一半以上,余热利用潜力巨大。国内外理论研究和工程实践已经证明,完全可以在保证烧结系统正常生产的前提下,基于余热品味分析,实施能量梯形利用技术,用来生产蒸汽发电。

1 控制方法的相关背景、前提条件

1.1 控制方法的相关背景

在我国,对烧结低温余热发电的研究在上个世纪七八十年代就已经开始,第一套自主研发的余热发电项目也已于2004年在马钢建成投产。截止目前,国内180余台大中型烧结机已经有三分之二以上都已建成或在建环冷机余热发电项目,但从已投运的项目的运行状况看来,绝大部分系统的实际发电量远小于设计指标,约为设计值的60%～70%,与国外发达国家相比差距较大。造成这种差异的原因,除了国内烧结工艺不稳定,余热发电系统设计参数选取不当之外,还与国内现行的烧结余热发电系统控制不完善有很大关系。现阶段,余热发电系统与外部烧结生产工艺之间的衔接和配合,尤其是余热锅炉与环冷机热风罩之间的取风衔接控制不完善,导致取风过程中环冷机Ⅰ、Ⅱ段中、低温热风混合和冷风漏入加剧,降低了余热锅炉效率。如能对这部分控制加以完善,则可以进一步降低烧结工序中的能耗指标,实现能源的深度梯级利用。

1.2 控制方案的前提条件

该方案能充分利用烧结环冷机废气余热,最大限度地转化为电能,余热发电能力与现有的烧结环冷机纯中低温饱和蒸汽余热发电技术相比提高30%以上,并改善了对环境的影响。钢铁厂利用烧结环冷机上的纯低温余热进行发电,是以不影响钢铁企业正常生产为前提条件的,并在此基础上,尽可能增加余热的发电量。其基本思路是,充分利用科学技术,用计算机对系统进行优化控制,最大限度的降低所需的成本。同时,尽量利用企业现有的设施和装备,采用国内外成熟的工艺流程,实现可靠稳定的控制。

2 烧结环冷机上的纯低温余热发电控制方案

本文介绍的余热发电系统主要包括环冷机热废气循环系统、余热发电控制系统和DCS检测控制系统。

2.1 环冷机热废气循环系统控制

本工艺设计的重点和核心技术是环冷机热废气的循环系统,采用热风全循环工艺,经余热锅炉回收热量后的烟气全部送入环冷机再循环利用。具体工艺如下:在环冷机Ⅰ、Ⅱ段集气烟筒上分别设有电动蝶阀和烟气连通管,在余热锅炉出口设有循环风机和烟道、旁路烟囱等。电动蝶阀和烟气连通管分别设置在集气烟筒的顶部和中部,而集气烟筒的位置则与冷环机Ⅰ段、Ⅱ段高温段风箱的位置密切相关,设置在顶部,对应于高温段风箱的上部风罩。当余热锅炉正常工作时,电动蝶阀关闭,部分环冷鼓风机停运,热废气全部进入余热锅炉,在炉内回收部分热量后,烟气温度降至140℃左右,经炉后的循环风机送回至环冷机Ⅰ、Ⅱ段底部风箱,循环利用。当余热锅炉系统出现故障时,电动蝶阀打开,热废气从集气烟筒排出,以保证环冷机的正常运行。这种循环技术的优点在于可以提高环冷机Ⅰ、Ⅱ段底部风箱的冷却风温度,从而提高余热锅炉高、低温段入口的热风温度和锅炉的利用效率,同时又不影响烧结矿的冷却和正常生产(图1）。

2.2 余热发电控制流程

（图2）实现烧结环冷机上的纯低温余热发电,需要由余热锅炉、汽轮机、凝汽器、凝器水泵、给水泵、除氧器、高压集汽箱以及低压集汽箱相互配合,形成一个完整而又稳定的热力循环系统。如上图2所示,汽轮机排汽经冷却后的凝结水和化学补充水经凝结水泵打至除氧器暨低压锅筒中,在除氧器中除氧后由给水泵送至余热锅炉,在炉内分成两部分,一部分水经高温段受热面(省煤器、中压蒸发器、中压锅筒、中压过热器等)吸热后变成中压过热蒸汽,直接进入汽轮机中用于发电;另一部分水经低温段受热面(副省煤器、低压蒸发器、低压锅筒、低压过热器等)吸热后变成低压过热蒸汽后,送往汽轮机补

图1烟气循环流程

1-余热锅炉;2-除尘器;3-1#切换挡板门;4-2#切换挡板门;5-循环风机;6-旁路烟囱;7-烟囱烟道档板门;8-循环风机出口烟道挡板门;9-循环风机进口烟道挡板门;10-冷风门

图2烧结环冷机余热发电工艺流程

1-余热锅炉;2-汽轮机;3-发电机;4-凝汽器;5-凝结水泵;6-给水泵;7-除氧器即低压锅筒;8-高压集汽箱;9-低压集汽箱

图3烧结工序能耗统计

表1烧结能耗对比

口,做功发电。在此过程中,除氧器暨低压锅筒既具有除氧功能,同时又作为低压锅筒实现低压给水和低压蒸汽的储存、分离和供给。余热锅炉的给水量由计算机根据实际需要进行控制,同时,计算机通过一定的算法给出最优控制方案,通过调节进入到汽轮机中的蒸汽量,达到节约资源的目的。

2.3 DCS检测控制系统

对于系统中的供水量、锅炉的水位、蒸汽的温度和压力的显示控制均采用DCS检测控制系统,该控制系统设置在烧结主控制室,方便管理。

给水量的控制采用变频调速泵,根据锅炉水位的变化及时调整供水量,使锅炉安全运行。锅炉的水位、蒸汽的温度和压力的显示控制部分与热风阀门的开度控制联锁,当烧结矿生产不稳定时,通过调节热风阀门的开度控制烟气流量,使锅炉稳定工作。此外,设置锅炉水位报警和蒸汽压力报警系统,保证工艺流程的安全性。

2.4 设计特色

(1)采用双压双通道类型的立式余热锅炉。与单压系统锅炉相比,能最大限度吸收烟气余热。该锅炉将产生的2.0Mpa中压蒸汽作为主蒸汽送入汽轮机发电,将0.49Mpa的低压蒸汽作为补汽送往汽轮机。

(2)余热锅炉的热源来源于冷环机Ⅰ段、Ⅱ段热废气。Ⅰ段高温段热废气温度为350～450℃,Ⅱ段温度相对较低,只有265℃左右。

(3)选用全凝汽补汽式汽轮发电机组。这种中压汽轮机能充分吸收低参数的蒸汽,提高发电量。

(4)烟气采用热风全循环方式。在保证烧结工艺正常运行的条件下,使环冷机Ⅰ、Ⅱ段冷却风温由常温提高到60～80℃左右,冷却风温提高了三四倍,余热锅炉高、低温段烟气温度相应地提高了30～40℃。这种再循环的方式优点在于既提升了余热锅炉进口的烟气温度,提高了发电效率,又有助于减少环冷机Ⅰ、Ⅱ段高温烧结矿的急冷破碎,提高烧结矿品质。

3 余热发电在实际中的应用效果

3.1 余热发电的节能降耗效果

（图3）为萍钢股份有限公司实施纯低温余热发电前后的能耗图,2011年4月使用余热发电控制技术后,其月平均能耗为48.41kg,仅占总能耗的10%,降低了4%,其余热降耗效果突出。

该公司现有三台烧结机(2×180m2+1×238m2),其中,2×180m2烧结机共建有一套环冷机热废气余热发电系统,1×238m2烧结机单独建有一套环冷机热废气余热发电系统,在投产后的半年内,两套系统总发电量达到了3513万kWh,使烧结厂在全厂的的能耗比例由发电前的14.75%降低到现在的12.84%,为企业降低成本,增加经济效益提供了重要途径。两套系统发电折算的节约标煤量为1.4kg/t,系统运行半年内折算CO2减排放量已达两万余吨,创造的经济效益高达上千万元,节能效果显著。详细对比如下表所示:

3.2 余热发电的减排效果

冷环机烟气中不可避免的带有一定质量的粉尘,这些粉尘的浓度大多为500～2000mg/m3,在余热锅炉内,这些粉尘大部分会沉降下来,并被集中收集,减少了粉尘排放。系统正常运行时,烟气在完成热交换后,全部返回到烧结环冷机中,这使得CO2、SO2、粉尘等大气污染物或者有害气体从无用资源变成有用资源,不仅实现资源的循环利用,而且减少了废渣和粉尘等大气污染物的排放量以及对环境的污染。萍钢股份有限公司在3～8月份,利用烧结环冷机上的纯低温余热进行发电,使CO2的排放量减少了2.53万吨,达到了节能降耗的目的,减排减污效果明显,为钢铁企业的节能降耗提供了有效途径,也为其它企业进行自主创新提供了有益参考,社会效益显著。

综上所述,钢铁厂的烧结环冷机上的纯低温余热发电的控制,充分利用了烧结环节中产生的大量低品质废气的热量,并将其转化成电能,如果每个钢铁企业都能充分利用余热进行发电,每年所产生的经济效益将十分巨大。这项控制技术将为改善产业结构,节能减排以及提高能源的利用率提供一条重要途径。同时,也希望相关人士不断完善余热发电的控制过程,设计出更加高效的纯低温余热发电系统。

参考文献:

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[4]李冰.余热发电技术应用及前景[J].中国钢铁,2009(07).

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