張靈君

（北京首鋼股份有限公司，北京）

摘 要：鋼鐵企業燒結工序中,環冷機冷卻燒結礦的同時,會產生大量高品位余熱余能，其中約 30%燒結工序總能耗在冷卻系統散失，利用好這部分能耗是燒結工序節能降耗的重點。本文通過改造首鋼股份有限公司煉鐵作業部二燒結 415m² 環冷機減少環冷機的漏風，提升煙氣溫度，增加鍋爐產汽量，并針對余熱煙氣超溫等問題進行了研究分析，采取了相應措施，取得了較好的效果。

關鍵詞：環冷機；余熱；超溫；改造

緒論

首鋼股份有限公司燒結余熱發電系統投入運行 10余年，系統漏風嚴重，發電負荷與設計額定值差距較大，2020 年首鋼股份煉鐵作業部在經過一系列調研后決定將原有密封形式由機械密封改為水密封，徹底解決系統漏風問題，提升能源利用效率，取得經濟效益，但煙氣溫度超溫的問題也影響了鍋爐使用壽命，威脅安全生產。

1 基本情況

首鋼股份有限公司煉鐵作業部二燒燒結使用的 415 m² 環冷機，作用是冷卻燒結礦。環冷機本體及運行設備、設施均為 2008 年投產，下部為傳統膠皮密封，上部為魚鱗片密封，整體密封效果差，漏風嚴重，2017 年對下部密封進行了改造，由膠皮密封改為機械密封，初期取得一定效果，漏風有一定好轉，余熱鍋爐產汽量提高了 10%左右。目前環冷機主體設備趨于老化，機械密封未解決漏風的根本問題，用于冷卻燒結礦的能耗依然居高不下，日均運行 5 臺環冷鼓風機用于燒結礦冷卻。

燒結余熱發電系統配有 6 臺蒸汽流量 9.5 t/h，壓力2.1 MPa，溫度 265 ℃的余熱鍋爐；360 m² 燒結環冷機配有 1 臺蒸汽流量 51.4 t/h，壓力 2.1 MPa，溫度 348 ℃的余熱鍋爐^[1]。燒結余熱發電站裝機規模為 1×26 MW。由于系統漏風較嚴重，并且因受生產及環保各項因素影響，余熱發電的效率一直很低，平均小時發電量約 8000~9000 kwh，作業率低，全年作業率約 62%。

2 環冷機節能改造

環冷機有效冷卻面積 415 m² ，最大處理能力為 900t/h，設備總重 1 435.63 T，配套 5 臺環冷鼓風機。將機械密封改為上下水密封，將原環冷機灰斗以上部分全部拆除，安裝水密封專用上部煙罩、上部水密封、環冷機回轉框架、環冷機臺車、托輥、擋棍、相應配套軌道設備、下部水密封、傳動摩擦系統、板式給礦機等。環冷機由扇形臺車分別通過兩根軸連結在臺車框架上，跟隨臺車框架同速回轉。內、外環的焊接結構臺車欄板安裝在臺車框架內、外環框架上，形成環形容料裝置，其上側采用環形水槽密封^[2]。臺車欄板采用隔熱夾心結構。外側加強筋之間留有伸縮空間，避免設備運行過程中由于熱脹冷縮造成的欄板開焊、開裂現象。

為便于調整臺車位置，滾輪處采用偏心結構，供安裝時調整滾輪與壓軌之間距離，保證臺車復位準確。

環冷機及環冷鼓風機布局如圖 1 所示，環冷機改造如圖 2 所示。

3 環冷機改造后出現的問題及分析研究

3.1 環冷機余熱鍋爐煙氣超溫，影響鍋爐使用壽命

2020 年 8 月完成改造并投入生產，余熱鍋爐煙氣溫度隨之出現了較大提升。改造完成后，漏風問題得到了有效改善，余熱利用效率也得到了提高，同時出現了余熱鍋爐煙氣溫度過高的問題。余熱鍋爐的煙氣溫度由原來的 360~370 ℃左右增加到 450 ℃以上，500 ℃以上的高溫也時而出現。余熱鍋爐的設計參數是 366 ℃，設計要求控制在 450 ℃以下。余熱鍋爐的材質是 20# 鋼，在鍋爐設計規范中要求 20# 鋼無縫管材質余熱鍋爐正常運行溫度不超過 420 ℃，在極限狀態下不能超過 450℃。為了不影響鍋爐使用壽命，消除鍋爐安全隱患，不得不主動采取措施將余熱鍋爐煙氣溫度降到 450 ℃以下來運行^[3]。

原因分析：一是產量提升，燒結礦總熱焓值提高。在改造的同時，還對燒結機進行了全面改造，系統漏風率全面下降，燒結礦產量大幅上升，由改造前 430 t/h 增加至約 500 t/h，增加約 16.3%。二是環冷機系統漏風率大幅下降，煙氣余熱利用效率提升。

解決措施：（1） 打開環冷機頂部煙氣排放閥，該閥門的主要作用是在余熱鍋爐故障或檢修狀態下利用環冷機配套的環冷鼓風機鼓風將環冷機臺車上的燒結熱礦冷卻。但是效果并不明顯，溫度下降很有限，從最高的510 ℃左右下降至 480 ℃左右。（2） 逐步降低循環風機轉速，由原 690 r/min 降至 500 r/min，效果逐步顯現，基本達到 450 ℃以下的運行狀態。（3） 因循環風機轉速降低，環冷機臺車的熱礦冷卻效果降低，導致環冷機下料處溫度過高，存在燙傷皮帶的風險，將 2# 環冷鼓風機開啟，增加對燒結礦的冷卻能力。（4） 合理調整環冷機與燒結機速比，冷燒速比由原來的 0.75 降至 0.7。

3.2 煙氣管道膨脹節出現裂縫

環冷機改造并投入運行后，設備巡檢中發現一段煙氣進氣管道上膨脹節出現約 100 mm 裂縫，出現裂縫的膨脹節在距離地面 20 m 高左右的豎直管段上，該直管段下部在彎頭處采取的管托支撐，另一側的支撐點在距離直管段西側約 15 m 左右的距離，如果直接采取更換的方法需要將原膨脹節全部切除，約 15 m 左右的管道將有一側沒有支撐，存在失穩墜落風險。

原因分析：煙氣溫度由 366 ℃提升至 500 ℃以上，超出膨脹節耐熱 400 ℃設計能力，受煙氣熱應力影響，超出膨脹節伸縮范圍，導致金屬膨脹節受熱應力拉伸撕裂，形成裂縫。另膨脹節使用超過 10 年，設備老化也是導致出現裂縫的原因。

解決措施：考慮到結構安全及場地吊裝位置受限問題，排除拆掉舊膨脹節更換新膨脹節的方案。通過搭設腳手架，選用耐熱 550 ℃以上的膨脹節現場組對，將舊膨脹節及管道包裹在新的膨脹節里面，不但解決了余熱煙氣管道系統漏風的問題，也避免了更換可能出現煙氣管道缺少支撐力的結構系統失穩安全隱患。

3.3 蒸汽溫度超溫對汽輪機安全運行造成極大影響

汽輪機是補汽冷凝式汽輪機，額定發電量 26 MW，轉速 3 000 rpm，主蒸汽進汽壓力 1.95 MPa，主蒸汽設計進汽溫度 298 ℃，汽源來自 6 臺 99 平 m² 燒結機余熱鍋爐和 1 臺 360 m² 燒結機余熱鍋爐混合蒸汽，其中 99m² 余熱鍋爐設計 265 ℃蒸汽溫度，360 m² 余熱鍋爐由原設計的 348 ℃上升到改造后的 450 ℃以上，混合后的蒸汽超過 350 ℃。

如果運行溫度高于設計值，會造成金屬機械性能惡化，強度降低，脆性增加，導致汽缸蠕脹變形、葉輪在軸上套裝松弛，汽輪機運行中發生振動或動靜摩擦，嚴重時損壞設備，故汽輪機不允許超溫運行。日常情況蒸汽進汽溫度控制范圍為設計值±10 ℃，最高不超過 308 ℃。

原因分析：進入 360 m² 燒結機余熱鍋爐的煙氣溫度超過 450 ℃并長期接近 500 ℃，而鍋爐的產汽溫度依據過熱器的大小一般不低于煙氣溫度的 10~30 ℃。

解決措施：為了確保蒸汽溫度能夠達到運行要求，在 360 m² 余熱鍋爐的蒸汽主管道上新增了一套噴水式自動減溫裝置。采用流體自身降低設備功耗，減溫水即被粉碎成霧狀水珠與蒸汽混合并迅速完全蒸發，從而達到降低蒸汽溫度的作用，并且能夠有效保護汽輪機葉片不被水滴沖刷造成二次損傷，確保將 450 ℃蒸汽降到308 ℃以下，保障汽輪機的安全運行。

3.4 產汽能力及發電效率效果差

通常，在煙氣量不變時，煙氣溫度大幅度提升，余熱鍋爐產汽量也會隨之的增加，但運行發現蒸汽溫度提升了約 100 ℃，蒸汽產量只增長了約為 4 t/h，發電量也只是增長了約 1 800 kw/h。由于改造前環冷機漏風嚴重，產汽量較好的狀態下只有 38 t/h 與設計能力 51 t/h 相差較多，約為設計能力的 75%。在不考慮漏風量減少導致循環風量增加的情況下，發電負荷應增加約 3 650 kw/h。

通過探索分析，整體漏風率是降低的，煙氣溫度也確實提高較為明顯，造成鍋爐產汽量沒有達到預期的原因是進入鍋爐的煙氣量不足，熱焓值偏低。環冷機一段高溫區域溫度很高，能夠達到 500 ℃以上，二段煙氣溫度也在 380 ℃左右，但環冷機改造后，整體密封效果好，煙氣溫度升高，為確保環冷機冷卻效果，避免熱礦燙傷皮帶和煙氣損傷鍋爐，二段 2# 環冷鼓風機需要投入運行，增加冷卻效果，導致二段環冷機內部正壓增加，大量風量從二段和三段之間的縫隙竄入三段區域，不但沒能提高鍋爐產氣量，降低鍋爐煙氣溫度，反而增加了三段煙氣的溫度。所以又將二段煙氣放散開啟，導致整個煙氣循環系統風量不足。

針對分析的結果，結合停機檢修，將一段和二段的隔板全部打開，將高低溫煙氣完全融合，充分利用余熱鍋爐的循環風機將絕大部分熱量通過鍋爐產生的蒸汽帶走。這樣不但降低了煙氣的溫度，避免了煙氣溫度過高對鍋爐的損害，也提高了鍋爐的利用率，增加了實際發電收益。另外也可以減少環冷鼓風機的運行數量和提高了熱礦燙傷皮帶的安全系數，可謂一舉四得。

4 節能效果統計

4.1 節約能源種類及節能原理

該項目節約能源為電能，主要體現在環冷風機節電及余熱發電機發電量增加兩個環節，節能原理如下：風機節能原理：環冷鼓風的風到達環冷機臺車底部時，因環冷機臺車底部與軌道之間存在大量漏風點位，鼓風大部分由此點位漏出去，不能經過燒結礦層，造成風的浪費，改造前需要運轉循環風機、2#、3#、4#、5# 環冷鼓風機5 臺風機，并且全部滿負荷運行，燒結礦冷卻溫度達到100 度以內，實施全能水密封后，環冷鼓風機鼓風經過煙道達到環冷機臺車底部，因實施水密封，漏風率較低，鼓風基本全部由環冷機臺車底部向上運行，經過高溫燒結礦，帶走燒結礦的熱量，達到燒結礦冷卻的效果，循環風機、3#、4#、5# 環冷鼓風機 4 臺運行，并且風機全部降低了負荷，就滿足燒結礦冷卻需求，降低了環冷鼓風機電耗。余熱發電量增加：改造后，環冷漏風率降低，風的利用率增加，一二段帶出燒結礦的熱量增加，360 m² 余熱鍋爐入口煙氣溫度升高，產汽量增加，從而發電量上升。

4.2 節能效益計算

改造后，選取 10 月 14-24 日正常生產數據，查詢環冷鼓風機電量，根據燒結礦產量核算環冷鼓風機電單耗以及余熱發電情況做對比，計算電單耗下降數據。余熱發電增加量評價：截取 8 月 27 日-9 月 2 日，一燒燒結機穩定運行，并且一燒產汽量與六月份截取時間相同的情況下，計算小時發電量上升量，核算發電效益。環冷鼓風機運轉臺數以及環冷鼓風機運轉臺數負荷以及 7# 鍋爐煙氣溫度情況見表 1。

4.2.1 項目實施前能耗情況

項目實施前，6 月 1-28 日，環冷鼓風機電量 119.33萬 KWh，燒結礦產量 28.82 萬噸，環冷鼓風機電單耗 4.14KWh/t。項目改造實施前，截取 6 月 24-28 日，燒結 4+1 模式運行，工況穩定下，余熱發電量 9 062 kWh/h。

4.2.2 項目節能綜合分析

（1） 改造前后節電效益分析

8 月 14-24 日環冷鼓風機電量 30.19 萬 KWH，燒結礦產量 13.01 萬噸，環冷鼓風機電單耗完成 2.32 kWh/t。對標項目實施前，環冷鼓風機電單耗降低=4.14-2.32=1.82kWh/t，現在燒結礦月度產量 36 萬噸，月度效益=36 萬*1.82 kWh/t=65.52 萬 kWh,實現效益 33.42 萬元，見表 2。

（2） 改造前后增發電量效益分析

改造后，截取一燒運行情況與六月份情況相同的情況下，7# 鍋爐煙氣溫度上升約 65 度左右，產汽量約上升13 t/h。發電機組同步上升發電量小時 3 500 kWh/h，月度效益=2 282 kWh*24*30*0.48=120.96 萬，見表 3。

綜上，環冷機改造在節電和提高發電量兩方面可實現月效益 154.38 萬元。

5 結論

通過采取上述措施后，360 m² 燒結機余熱鍋爐的煙氣溫度明顯下降，長期穩定在 410~430 ℃左右，產汽量也提升至平均 50 t/h 左右，汽輪機的進汽溫度可以通過減溫器自動調節控制在 308 ℃以內，節電和提高電量方面每月創造效益達到154.38 萬元。但是通過此項工程也暴露了我們在前期研討改造項目中存在的不足，即只考慮了主流程的主要設備對生產工藝的影響，忽略了改造項目對輔助設備設施運行的影響，導致后續出現的一些列設備及生產問題，這也是我們以后關注的重點，對我們以后開展各項改造工作具有很大的現實意義。

參考文獻

[1]  焦光武,高新洲.首鋼礦業 360m2 燒結機余熱發電工藝優化實踐[C]//2014 年度全國燒結球團技術交流年會,全國燒結球團信息網, 2014.

[2]  伍英,周茂軍,馬洛文,等.寶鋼燒結余熱鍋爐生產實踐[J]. 燒結球團, 2011, 36(3):4.

[3]  原中華人民共和國機械工業部.中華人民共和國國家標準 GB 50231-98: 機械設備安裝工程施工及驗收通用規范[M].中國計劃出版社,1998.