汪磐石，张永忠
(宝山钢铁股份有限公司)
摘要：根据测算，宝钢大院烧结原余热利用率仅为22%，近年来通过烧结机更新改造，实现了余热利用的多途径、梯级化，主要有常规双压余热锅炉产生蒸汽，直联罩式余热锅炉产蒸汽，环冷机3 号排气筒增设的余热回收装置与锅炉次低压蒸汽组合利用产热水，低温余热OＲC 发电。一系列的余热利用途径使得烧结区域的余热资源利用越发充分，促进了宝钢烧结工序的深度节能减排。
关键词：余热锅炉；ORC； 热水
钢铁企业有着丰富的余热资源，回收利用各生产工序的余热余能已成为钢铁企业节能减排最有效的途径之一，见表1。烧结工序作为长流程钢铁生产的重要一环，能耗约占钢铁企业能源消耗的9% ～ 12% ，仅次于炼铁工序位居第二，烧结工序节能是钢铁企业节能减排的重要环节之一［1］。宝钢大院余热总量约450 万tce，扣除极难利用的80℃以下冷却水余热及过程耗散热量约100 万tce，剩余余热资源约350 万tce，其中回收近200 万tce，余热资源回收率57% 左右。改造前烧结工序的余热利用率约为22%，主要利用中温烟气余热锅炉产生蒸汽，锅炉效率较低，而且有大量的低温余热未被利用。
梯级利用是能源科学利用的有效方法，余热、资源也应该考虑按品位逐级加以利用，遵循“温度对口、梯级利用”原则，实现系统内高、中、低不同品位能量的耦合与转换利用，在热量供求方面最大程度地实现“量”与“质”的匹配，力求能级差最小，火用效率最高［2］。在宝钢践行一个中心，四个层级的余热利用指导思路。
一个中心即“因地制宜、分配得当、温度对口、梯级利用”，四个层级为回用、替代、提质、转换。近年来，宝钢烧结机陆续进行升级改造，对于宝钢烧结区域余热利用，通过因地制宜、分配得当、温度对口、梯级利用，实现对环冷机中低温热废气及双压锅炉低压富余蒸汽回收利用，产生高品质蒸汽、次低压蒸汽、热水、电等二次能源，实现节能减排。
1 烧结区域余热梯级利用
宝钢烧结工序能耗约占总能耗的10%，见表2，每年消耗能源近100 万tce。近些年，烧结机更新改造采取厚料层烧结，双斜带式节能型点火保温炉，液密封环冷机，以及余热多级回收技术，达到了“低耗、高效”烧结生产的目的，同时实现了余热利用的多途径、梯级化。目前余热回收方式主要有常规双压余热锅炉产生蒸汽，直联罩式余热锅炉产蒸汽，环冷机3 号排气筒增设的余热回收装置与锅炉次低压蒸汽组合利用产热水，三烧结低温烟气与锅炉次低压蒸汽进行发电。
1. 1 烧结余热锅炉
烧结区域现有三烧结余热锅炉和四烧结余热锅炉。宝钢四期600m2 烧结机于2013 年11 月投入使用，四烧结采用液密封环冷机，以环冷机第一段与第二段收集的废气为热源，经由余热回收锅炉系统设备来生产低压蒸汽，并入公司蒸汽管网。四烧结余热回收流程如图1 所示。
根据工艺装置特点和环冷机各段排气温度，可以供余热锅炉利用的废气为环冷机高、低温段的余热废气。烟气循环的设计流程为: 来自环冷机的余热废气合并后经多管除尘器除尘，然后进入余热锅炉系统，最后由锅炉引风机引出并送入环冷机循环使用。
余热锅炉产生的中压蒸汽( ≥ 55t /h，1. 7MPa (表压)，270℃) 并入公司内蒸汽管网，锅炉热力除氧用蒸汽由系统内部解决。另产生0. 5MPa、180℃的流量5t /h 以上的低压蒸汽供烧结区域内部使用，四烧结锅炉基本参数见表3。
宝钢三烧结余热锅炉于2017 年并网运行，其布置与四烧结有所不同。三烧结锅炉配置为直联炉罩式，双压立式无补燃自然循环锅炉，高参数段锅炉在环冷机上布置。余热锅炉采用立式半露天布置，带自除氧、水－ 汽自然循环余热水管锅炉。三烧余热回收流程如图2 所示。
三烧结余热锅炉取风系统分三段取风，一段高温废气直接从风罩进入直联炉罩式余热锅炉高参数1 段，经过高参数过热器、1 号高参数蒸发器后送出; 二段中温废气直接从风罩进入直联炉罩式余热锅炉高参数2 段，经过2 号高参数蒸发器后送出; 三段中温废气直接从风罩进入直联炉罩式余热锅炉高参数3 段，经过3 号高参数蒸发器后送出。锅炉高参数1 段排气经惯性除尘器后和锅炉高参2 段排气汇合，再与锅炉高参数3 段排气分别进入直联炉罩式余热锅炉低压部分，依次经过低压部分的省煤器、低压过热器、低压蒸发器、水加热器和除氧蒸发器，锅炉排气温度约135℃。机外布置余热锅炉低压部分从上往下依次是: 高参数省煤器、低压过热器、低压蒸发器、水加热器、除氧蒸发器和灰斗。余热锅炉高参数段采用机上布置，高参数1 段、2 段和3 段各设置一个进风口，烟气自下而上流动; 高温风从锅炉底部进入，排风从高参数1 段、2 段及3段的顶部经各自的风管引出，1 段、2 段排风合并后和3 段排气分别进入低参数段。
将三烧结余热锅炉产生的中压蒸汽(60 ～80t /h，1. 8MPa (表压)，270℃) 并入公司内蒸汽管网，锅炉自带除氧器。另产生0. 5MPa、180℃的流量15 ～ 20t /h 以上的低压蒸汽。余热锅炉主要回收蒸汽参数如表4 所示。
对比表3、表4 基本参数表可看出，三烧结由于采用环冷机高温段直联炉罩式余热锅炉技术，蒸汽回收水平较四烧结明显提升。
1. 2 三烧结ORC 发电
烧结ORC 发电是三烧结环冷机余热利用上的新技术和重大突破。三烧结环冷机余热利用主要有以下途径:
环冷机受料点附近的高温热废气用于点火助燃及热风保温;
环冷机高温段(1 号、2 号烟囱附近) 热废气的热量采用直联炉罩式余热锅炉回收产生蒸汽;
环冷机中低温段(3 号烟囱附近) 热废气的热量采用低温余热OＲC 发电技术回收，余热回收后的废气汇合环冷机低温段(4 号烟囱附近)热废气通过风机送到烧结机台车面上的烟气罩内。
三烧结环冷机余热利用流程如图3。
三烧结环冷机中低温段烟气的热量采用低温余热发电技术(ORC) 回收。环冷机废气温度在150 ～ 220℃之间，设计流量约为60 万m3 /h，属低温段余热资源，将其通过热交换用于低温发电，可进一步提高余热资源利用效率。三烧结环冷机低温余热ORC 发电示范项目，利用3 号排气筒废气( 设计流量60 万m3 /h，设计温度180℃) 及双压余热锅炉富裕的次低压蒸汽( 设计流量10t /h，设计压力0. 3 ～ 0. 5MPa) 进行低温余热发电。
三烧结低温余热发电是以有机朗肯循环(ORC) 为理论基础，以低温余热为热源，以有机工质为循环工质的发电工艺。利用三烧结机末端3 号排气筒180℃低温废气和三烧结余热锅炉次低压蒸汽为低温热源，以五氟丙烷为循环工质，来驱动透平机发电。由于国内制造的机组装机容量较小，三烧结引进的是国外比较成熟的机组。
三烧结ORC 发电设计发电量2. 8MW，能有效利用环冷机低温余热，设计参数如表5。
1. 3 四烧结热水回收系统
宝钢四期600m2 烧结机于2013 年11 月投入使用。四烧结工程中，在环冷机3 号排气筒处增设了余热回收装置，利用环冷机中温热废气制备生产热水，作为一、二次混合机的添加水。
余热回收装置的进风为3 号排气筒(Ф4000) 处中温热废气。为便于设备检修和故障时对热废气进行切换，在3 号排气筒和进风口(3200 × 1800) 处设置了电动开关阀。
余热回收装置本体设备的设置情况如下:
位置: 3 号排气筒侧，余热回收装置支架单独设置;参数: 热废气性质为环冷机热废气; 温度150 ～ 200℃，最高250℃; 含尘量5g /m3; 烟气侧允许阻力值≤250Pa。
原设计热水为一、二次混合机的添加水，后由于目前生产工艺的要求发生变化基本不再使用热水。3 号排气筒余热回收装置处于阶段性闲置废弃状态，一定程度上造成了余热资源的浪费。
此外，四烧结余热锅炉可生产低压蒸汽约4t /h，压力约0. 3 ～ 0. 4MPa，而烧结生产的低压蒸汽使用量约2t /h。这样，尚有2t /h 的低压蒸汽富裕，处于放散状态。
为充分利用环冷机中温热废气的余热和余热锅炉生产的低压蒸汽，更好地实现节能减排，宝钢通过合同能源项目方式对原有中温余热回收设施进行改造。改造项目主要是利用现有余热回收装置，将供水水源由工业水改为生活水，从而制备80m3 /h 、80℃的生活热水供浴室使用。其中余热回收装置利用原有装置，仅对相关阀门与损坏的换热器进行更换。从四烧结余热锅炉低压蒸汽出口处接一路次低压蒸汽管道(DN100) 送至圆形立式储热水箱处的次低压分气缸，再从次低压分气缸接四路次低压蒸汽至两个热水箱。余热回收装置规格见表6。
当四烧结余热锅炉检修，低压蒸汽将停止供给; 余热回收装置检修时，余热回收装置将会停止生产热水。但在该项目完成后，4DL 环冷机中温热废气生产的生活热水将作为宝钢股份厂区浴室用热水的主要来源之一，此处热水供应不能停止。因此，项目方案对于主线停运时余热回收及锅炉低压富余蒸汽均无法利用时，从厂区蒸汽管道上原接一路DN100 的低压蒸汽管道减压后(0. 5MPa ，DN150) 送至圆形立式储热水箱处的低压分气缸，再从低压分气缸接四路次低压蒸汽至两个热水箱保证热水供应不间断。
改造方案热水制备流程如图4。
热水制备要满足以下四种情况:
(1) 余热锅炉生产、余热回收装置生产余热回收装置生产的热水量为80t /h，温度为80℃，余热锅炉生产的富裕次低压蒸汽(0. 5MPa ，2t /h) 负责将热水加热至90℃。
(2) 余热锅炉检修、余热回收装置生产余热回收装置生产的热水量为80t /h，温度为80℃，由厂区蒸汽负责将热水加热至90℃。
(3) 余热锅炉生产、余热回收装置检修圆形立式储热水箱(容积340m3，二台) 内的冷水(4℃) 由余热锅炉生产的富裕次低压蒸汽(0. 5MPa ，2t /h) 和厂区低压蒸汽加热至90℃。
(4) 余热锅炉检修、余热回收装置检修圆形立式储热水箱(容积340m3，二台) 内的冷水(4℃) 全由厂区低压蒸汽负责加热至90℃。厂区的低压蒸汽(DN100) 接入低压蒸汽分气缸前设置涡街流量计对蒸汽用量进行计量。
2 烧结区域余热利用效果
三、四烧结余热锅炉产生的高品质蒸汽并网运行，是宝钢厂区仅次于炼焦CDQ 的蒸汽气源。
四号烧结机部分实际可生产高参数蒸汽40 t /h左右。三烧结目前高参数蒸汽实际产量为60 ～65 t /h，低参数蒸汽实际产量为15 t /h 左右。
2017 年全年四烧结并网蒸汽32. 03 万t，三烧结并网蒸汽54. 32 万t。
三烧结ORC 发电装置2017 年12 月投运，目前发电量为1600kWh /h，有效利用了三烧结环冷机低温余热，发电为烧结自用，减少了烧结使用的电网电量。
四烧结热水系统能连续、稳定地运行，生产热水全部利用。余热锅炉富裕的低压蒸汽全部利用，避免放散造成能源浪费。4DL 环冷机中温热废气生产的生活热水将作为宝钢股份厂区浴室用热水的主要来源，每天生产90℃ 的生活热水量约1600t。当余热回收装置检修或余热锅炉检修时，热水制备由厂区低压蒸汽在圆形立式储热水箱(容积340m3，二台) 内加热完成。热水拟采用运输能力为25t /台专用车辆运输，每天50 ～70 车。2017 年，四烧结环冷机余热回收产生了数量可观的热水，全年共供应热水27. 04 万t，对全厂节约使用管网蒸汽有极其显著的意义。
烧结余热梯级利用显著提高了烧结节能水平，近几年来，烧结工序虽然增加了脱硫脱硝等大型烟气治理设施，烧结工序能耗还是实现了逐年下降，这与烧结区域余热利用水平的提升是分不开的。
3 宝钢烧结余热利用未来展望
目前一、二烧结正在进行整合改造，对宝山基地全厂蒸汽系统的现状、平衡趋势和优化方向做了评估。宝钢炼铁二烧结余热锅炉投运后蒸汽系统平衡总体倾向富余，尤其夏季蒸汽需求量减少时，将出现蒸汽大量放散情况。为提高宝山基地蒸汽利用效率，同时缓解电力缺口，利用二烧结大修机会在烧结区域新建余热发电机组。按消纳二烧结全部蒸汽及三烧结部分蒸汽，高参数蒸汽97. 5t /h，低参数蒸汽10t /h 设计，新建1 套25MW 双压补汽凝汽式汽轮发电机组。
对比目前四烧结锅炉与三烧结锅炉情况，四烧结余热回收效率明显不足，未来视情况改为与三烧结一样的直联罩式机上锅炉，可大幅提升四烧结烧结区域余热利用效率。
烧结烟气循环工艺通过将烧结产生的部分热烟气再次引入烧结过程，进行循环使用，不仅可以提高烧结矿质量，优化高炉技术经济指标，还可以回收一部分烟气显热，减少烧结烟气排放量，降低烧结固体燃料消耗。在宝钢炼铁二烧结大修改造中，采用烧结烟气循环技术，将烧结机头尾两段抽出的烧结烟气除尘后与环冷机低温余热回收的废烟气混合，送入烧结机台车循环烟气罩内，再次参与烧结过程。充分利用烧结烟气中的显热和潜热(即循环气体中CO 燃烧释放的热量)，可有效降低固体燃料的消耗量，该工艺目前正在二烧结实施，未来也可视情况在四烧结进行改造，将大幅提升烧结余热利用水平。
4 结论
余热资源回收无消耗、无排放，属“清洁能源”，是未来钢铁企业技术节能的重点研发和应用领域。余热回收要遵循“一个中心、四个层级”梯级利用、逐级规划方法，结合实际、效益优先、先易后难的逐步实施。
烧结区域余热利用实现了:
(1) 中高温余热回收高品质蒸汽管网使用。
(2) 环冷机中温段余热回收系统能连续、稳定地运行生产电或热水。双压余热锅炉富裕低压蒸汽全部利用，避免放散造成能源浪费。
(3) 热水供浴室使用，替代了官网高品质蒸汽，余热发电减少了电网用电。
(4) 宝钢烧结环冷低温烟气余热回收热水与ORC 发电应用案例，对于钢铁行业余热回收应用示范及系统深度节能减排有极好的示范意义。
(5) 未来，通过增加烧结余热发电机组、余热回收工艺改进以及对烧结烟气循环新工艺的应用，宝钢烧结区域余热利用的深度和广度将不断加深，利用方式也将结合宝钢实际，更趋科学、合理，宝钢烧结节能减排将更上一个新台阶。
参考文献
［1］ 陈志良，曹先常． 烧结低温冷却废气余热多级利用技术探讨［J］． 冶金能源，2017，36(1):41 － 44.
［2］ 曹先常． 轧钢低品位余热资源综合梯级利用研究［J］． 宝钢技术，2011，(6): 15 － 19.