昆钢科技 ２０１６年第６期 Ｋｕｎｇａｎｇ Ｋｅｊｉ 昆钢新区钢铁冶炼余热资源综合利用研究及应用 冯小勇 屈云海ｚ （１．云南泛亚能源科技有限公司；２．动力能源分公司） 摘要余热发电技术是一项将余热资源转变为电力的节能技术。通过对昆钢新区余热资源情况的了解 分析，从分析计算，对新区钢铁冶炼的余热资源进行了系统配置完成了余热发电流程的设计，严格控 制余热发电环节，以优化余热发电方案，并应用实现发电系统效率、经济效益和环境效益。 关键词余热资源系统方案发电效益 １前言 钢铁工业是国民经济重要基础产业，能源消耗 量约占全国工业总能耗的１５％，废水和固体废弃物 排放量分别占工业排放总量的１４％和１７％，是节能 减排的重点行业【１］。钢铁生产消耗的一次能源中约 ４０％以某种形式的热能释放出，其温度上至１ ５００ｏＣ， 下至近于环境温度的广泛范围。目前我国吨钢产生 的余热余能资源量约为８ＧＪ～９ＧＪ，主要分为副产煤 ９０￣Ｃ）等的余热Ｉ９。虽然近年来钢铁工业的余热余能 利用取得了一定成绩，但是余热余能本身具有布局 分散、品质参差不齐及受主工艺生产影响较大的特 点，造成了以纯余热回收利用能源存在一定问题。 所以，寻求一种钢铁冶炼余热资源进行综合利用成 为了探讨的热点。 ２昆钢新区余热资源基本情况 昆钢新区主体项目建设完成后，尚有烧结机余 热资源、烧结环冷机余热资源、炼钢转炉蒸汽、高 气、排气余热、固体余热及废汽废水余热届４产煤气 包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，一般归为余 能，但其显热及压力能属于余热；排气余热多为炉 窑排出废气带走的热，占余热资源总量的一半左右， 温度范围为２５０℃一１ ０００＂Ｃ；固体余热包括烧结矿、 红焦炭、高炉渣、转炉渣及铸坯等的余热，一般在 炉富余煤气等四种余热资源未全部被利用，具体情 况如下： ２．１烧结工艺余热资源 新区一台３００ ｍ２烧结生产线，年设计产烧结矿 ３００．６万吨，烧结工艺系统主要参数见表１。 ５００￣Ｃ以上；废汽废水余热包括蒸汽冷凝水、锅炉汽 包的排污水（９０℃一１００￣Ｃ）、高炉冲渣水（７０￣Ｃ一 烧结工艺系统余热量经过实测见表２ 表１烧结机及环冷机主要参数 ５４· 昆钢科技 ２０１６年第６期 ２．２富余转炉饱和蒸汽 新区炼钢有２台１２０ｔ转炉，转炉余热锅炉设计 压力２．４５ ＭＰａ，实际出口饱和蒸汽压力约为１．４５～ ２．０ ＭＰａ，富余饱和蒸汽量约２０ ｔ／ｈ（最大为３０ｔ／｝１）。 ２．３富余高炉煤气 ２５ ＭＷ热电站满负荷生产后尚有约约１０ ０００ Ｎｍ３／ｈ富余煤气。 ３余热资源热值估算 余热资源的估算主要是作为余热资源利用的依 据，估算的原则是抓住主要因素。 ３．１烧结工艺系统余热资源热值估算 １）烧结机余热量 从表２中看出，烧结机余热量可利用烟气量为 ９０ ０００ Ｎｍ３／ｈ，平均温度为３５０℃。烧结机烟气主要 是烧结矿在烧结过程中产生的氮气、二氧化碳、水 蒸气、一氧化碳、氧气等的混合气体，在估算其热 值时可近似的看做干空气，以便简化计算过程（因 为这仅仅是估算）。 经查。引可知空气在０℃至３００￣Ｃ和０％４００％时的 平均定压容积热容分别为Ｃｐ ０－３００＝１．３１７ ｋＪ／ｍ３．ｋ， 和Ｃｐ ０－４００＝１．３２９ ｋＪ／ｍ３．ｋ，则３００％至４００ｏＣ之间的 平均定压容积热容为： Ｃｐ ３００－４００＝（Ｃｐ ０一ｔ２×ｔ厂Ｃｐ ０－ｔｌ×ｔ】）÷（ｔ２——ｔ】） （Ｃｐ ０－４００×４００—一Ｃｐ ０－３００×３００）÷ （４０（）＿一３００）＝１．３６５ ｋＪ／ｍ。 （１） 烧结机可取烟气余热量为： Ｑ烧宝占＝９０ ｏｏｏ×Ｃｐ ３００—４００＝９０ ０００×１．３６５× ３５０＝４２ ９９７ ５００ ｋＪ／ｈ ２）烧结环冷机余热资源热值 从表２中看出，烧结环冷机可取余热烟气有两 段，其中Ｉ段烟气可利用烟气量为１４０ ０００ Ｎｍ３／ｈ， 平均温度为３７０￣Ｃ；ＩＩ段烟气可利用烟气量为 ２８０ ０００ Ｎｍ３／ｈ，平均温度为３３０ｏＣ。烧结环冷机烟气 主要成分是空气，在估算其热值时可近似的看做干 空气，以便简化计算过程。 空气３００％至４００￣Ｃ之间的平均定压容积热容从 式（１）代人可得： （１）烧结环冷机Ｉ段可取烟气余热量为： Ｑ２＝１４ｏ ｏｏｏ×Ｃｐ ３００－４００×３７０＝１４０ ０００× １．３６５×３７０＝７０ ７０７ ０００ｋＪ／ｈ （２）烧结环冷机Ⅱ段可取烟气余热量为： Ｑ３＝２８０ ０００×Ｃｐ ３００－４００×３３０＝２８０ ０００× １．３６５×３３０＝１２６ １２６ ０００ ｋＪ／ｈ （３）烧结环冷机可取烟气余热量共计： Ｑ环冷机＝Ｑ ＋Ｑ３＝７０ ７０７ ０００＋１２６ １２６ ０００＝１９６ ８３３ ０００ １，３／ｈ ３．２富余转炉饱和蒸汽余热资源热值 富余转炉饱和蒸汽压力约为２．０ ＭＰａ，富余饱和 蒸汽量约２０ ｔ／ｈ（最大为３０ ｔ／ｈ）。其热量从水蒸气 焓一熵图查得２ ７９２ ｋＪ／ｋｇ，则富余饱和蒸汽的热值为： Ｑ转炉蒸汽＝１３ ９６０～２７９ ２００ｋＪ／ｈ ３．３富余高炉煤气余热资源热值 高炉煤气的实测热值为：Ｑ煤气＝３ ２６０ ｋＪ／Ｎｍ ４余热发电站主要设备选择 ４．１汽轮机参数的选择 本电站汽轮机进汽参数采用目前国内烧结低温 冯小勇．屈云海：昆钢新区钢铁冶炼余热资源综合利用研究及应用 余热发电机组常用的额定进汽压力为：１．３ ＭＰａ，额 定进汽温度为：３５０ｃＩ＝。 可建一台双温双压双通道余热锅炉。根据烧结机的 实际情况，在充分利用余热资源的条件下，环冷机 ４．２环冷机余热锅炉 根据以上汽轮机参数，烧结环冷机余热锅炉采 用额定蒸汽压力为１．４ ＭＰａ，额定蒸汽压力为３５０￣Ｃ。 余热锅炉采用双温双压双通道余热锅炉，利用补燃 过热炉尾气提升高温段烟气温度，有效保证主蒸汽 过热温度。对环冷机余热进行梯级利用，环冷机前 部高中温废气用于产汽发电，同时设置热水加热器， 将环冷机后部低于２５０℃的低温烟气通过热水加热器 产生热水供烧结工艺混料用，替代原蒸汽加热混料 系统，降低烧结厂能耗，本工程采用恒温复合循环 其额定蒸发量计算如下： 从以上计算可知，烧结环冷机可利用烟气余热 量为１９６ ８３３ ０００ ｋＪ／ｈ，国内低温烟气锅炉的效率一 般为７０％左右。 因此烟气可用焓为：１９６８３３０００×７０％＝－１３７７８３ １００ ｌ（Ｊ／ｈ。 烟气余热回收技术，以最大限度地回收烧结机机尾 和环冷机高、中、低温烟气余热，在烟气余热资源 利用过程中，做到高质高用，能质的梯级回收，具 体参数见表３。 ４．３烧结机余热锅炉 如前所述，一方面由于其中因烧结机烟气余热 与烧结机联系紧密，其回收量的多少及回收时间都 对烧结工艺产生影响， （实际生产蒸汽量按照理论 压力１．４ ＭＰａ、温度３５０￣Ｃ的过热蒸汽焓值为： ３ １４０ｋＪ／ｋｇ。 则：可用的烟气焓可产生的压力１．４ ＭＰａ、温度 ３５０℃的过热蒸汽量为： Ｄ１＝１３７ ７８３ １００÷３ １４０＝４３ ８８０ ｋｇ／ｈ．￣４４ ｔ－／ｈ 这些热量根据以上环冷机可用余热量（实测） 表３双温双压双通道余热锅炉参数 表５转炉蒸汽蓄热器参数 ５６· 昆钢科技 ２０１６年第６期 产量的５０％计算；）另一方面考虑到保护补燃炉换热 管在蒸汽中断时不超温而损坏，因此烧结机锅炉只 具体参数见表６。 ４．６发电机组方案 根据以上锅炉产生的蒸汽量，经计算可建一台 １２ ＭＷ的低温低压余热发电站。 其中因烧结机烟气余热与烧结机联系紧密，其 回收量的多少及回收时间都对烧结工艺产生影响。 而烧结环冷机烟气回收对环冷机生产影响较小，因 产生额定蒸汽压力为１．４ ＭＰａ的饱和蒸汽。其蒸发量 计算如下： Ｄ２＝Ｑ烧结÷ｈ汽×５０％￣７ｔ／ｈ。 根据以上烧结机可用余热量可建一台烧结机余 热锅炉，具体参数见表４： ４．４转炉蒸汽蓄热器 根据需要为将富余的约２０ ｔ／ｈ（最大３０ ｔ／ｈ）转 炉饱和蒸汽用来发电，需要在原有１８０ ｍ３／ｈ蓄热器 此烧结机和环冷机的建一台环冷机余热锅炉和一台 烧结机余热锅炉。另外由于转炉蒸汽为饱和蒸汽， 如果直接用于发电，则做功能力低，因此需要建一 台转炉蒸汽过热补燃炉，即将转炉蒸汽锅炉产生的 低压饱和蒸汽汇聚进入转炉蒸汽蓄热器，然后将转 旁并列再建一台６５０ ｍ３／ｈ的蓄热器，以确保转炉饱 和蒸汽压力的稳定供给，具体参数见表５： ４．５过热蒸汽补燃炉 炉蒸汽蓄热器中的蒸汽导人以副产煤气为燃料的蒸 为提高转炉饱和蒸汽和烧结机余热锅炉饱和蒸 汽的利用率，需建一台过热蒸汽补燃炉，用于把转 汽加热锅炉，使低压饱和蒸汽升温得到过热蒸汽。 以上锅炉产生的蒸汽送到汽轮发电机组发电。 炉饱和蒸汽和烧结机余热锅炉饱和蒸汽加热成过热 蒸汽，补燃炉燃料为高炉煤气。补燃炉排出的烟气 进入到环冷机余热锅炉继续换热。目前厂区现有２ 台１２０ｔ转炉，转炉余热锅炉设计压力２．４５ ＭＰａ，实 际出口饱和蒸汽压力约１．４５～２．０ ＭＰａ，富余饱和蒸 汽量约２０ｔ／ｈ（最大３０ｔ／ｈ），转炉饱和蒸汽经蓄热器 利用环冷机前部高温废气的余热产生高、低压 过热蒸汽；利用烧结机大烟道尾部高温废气产生高 压过热蒸汽；同时将富余的转炉饱和蒸汽进行蓄热 后稳定输出，经补燃过热炉过热后送往烧结余热电 站，与烧结余热高压过热蒸汽并汽；高、低压过热 蒸汽全部用于发电。电站主要配置方案如下：１台环 （需新增蓄热器与原有蓄热器并联扩容）后出口压力 可稳定在１．４ＭＰａ左右，温度约１９９℃，经管道送至 过热补燃炉过热后达到３７０￣Ｃ～４００￣Ｃ，再送往烧结 冷机余热锅炉＋ｌ台烧结机余热锅炉＋１套蓄热系统 ＋１台补燃过热炉＋１台补汽凝汽式汽轮发电机组，发 电装机参数见表７，其技术发电方法的流程见图１。 余热电站汽轮机，与烧结高压蒸汽一起作为主汽， 由以上装机容量的确定，汽轮机、发电机参数 表６过热蒸汽补燃炉参数 ２０１６年第６期 冯小勇，屈云海：昆钢新区钢铁冶炼余热资源综合利用研究及应用 ·５７· 低压饱和蒸汽 电 图１发电方法的流程示意图 选择见表８ 烟气闭路循环，使得含铁粉尘将通过余热锅炉的集 灰系统进行闭路收集，并返回烧结系统进行循环利 ５技术应用及达到效果 ５．１技术应用 根据以上余热资源，昆钢新区建成一座１２ ＭＷ 低温低压余热发电站，其中包括一台３４ ｔ／ｈ（８ ｔ／ｈ低 压）双压双温双通道环冷机余热锅炉，一台７ ｔ，｝Ｉ烧 用，从而在改善现场环境的同时，实现含铁粉尘的 回收利用。 据统计，发电机组平均小时发电量达１０ Ｏ００ｋＷｈ， 年发电量达８ ０００万ｋＷｈ，发电机组作业率达９２％， 作业率较本部低温发电机组的８０％增加１２％，效果明 显，达到了预期目标。电价按供电局综合电价０．４．５元 ／ｋＷｈ。年节约外购电费约３ ６００万元。同时，本项目 结机余热锅炉，一台６５０ｍ３／ｈ蓄热器，一台转炉２７ ｔ／ｈ（最大３７ｔ／ｌ１）蒸汽过热补燃炉，一台１２ＭＷ汽轮 发电机组，发电原理见图２。 的实施实现节约能源２４ ０００ ｔ标煤，意味着每年减少 排放ＣＯ２约６万吨，ＳＯ２约２４０ｔ。 ５．２效果 本期工程投产后，从运行情况看，项目实现了 ６结语 ５８． 昆钢科技 ２０１６年第６期 ｌ ｌ ｌ 图２发电系统的原理示意图 金，２０１１． 通过项目的实施，无论从实现能源梯级利用的 【３】庞麓鸣．工程热力学［Ｍ Ｅ京：人民教育出版社，１９８０．１ 【４】翦天聪．汽轮机原理［Ｍ】．北京：北京水利电力出版社， １９９５．７ 高效性和经济性角度分析，余热发电是最为有效的 余热利用途径。特别是近年来双压余热发电技术、 闪蒸余热发电技术和补燃余热发电技术和补汽凝汽 式汽轮机技术获得突破，大大提高了余热回收效率， 【５】姜涛．烧结球团学［Ｍ】．北京：冶金工业出版社，１９９９．５ ［６１５：ｊｆ￣文．烧结技术［Ｍ］．昆明：云南人民出版社，１９９３．７ ［７】范从振．锅炉原理【Ｍ】．北京：水利电力出版社，２０００．８ 为钢铁企业余热发电技术的推广创造了条件。 ［８白国亮．８】锅炉设备运行【Ｍ】．北京：中国电力出版社， ２００７．６ 参考文献： 【１】李冰．余热发电技术应用及前景ｆＪ１．中国钢铁业，２００９． ［２］齐中勇，李红晓．矿热炉烟气余热发电的应用ｆＪ】．铁合 【９凋翔．我国烧结余热发电现状及有关发展建议［Ｊ】．烧结 球团．２０１２．５
