提高烧结余热发电量的生产技术实践.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER提高烧结余热发电量的生产技术实践穆固天，李刚，李强，郑志强，张德千，张丰皓（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照 276800）【摘要】从铁矿烧结工艺参数控制角度研究了影响余热回收的因素，得出大烟道温度、终点温度波动趋势可间接表征烧结矿显热量的变化趋势。针对影响烧结大烟道温度、终点温度稳定性、终点位置控制等因素采取了相应的管控措施，结合当前公司烧结生产现状建立了烧结余热发电管控模型，2022年烧结余热发电量提高至20.51 kWh/t，同比增加16.38%。【关键词】烧结终点位置；返矿粒度偏析；显热量；余热发电【中图分类号】TM617 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0057-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Practice of Production Technology for Power Generation Capacity Improvement of Sintering Waste HeatMU Gutian,LI Gang,LI Qiang,ZHENG Zhiqiang,ZHANG Deqian,ZHANG Fenghao(Rizhao Steel Co.of Shandong Iron and Steel Group,Rizhao,Shandong 276800,China)【Abstract】The factors affecting waste heat recovery were studied from the perspective of iron ore sintering process parameter control,and it was concluded that the fluctuation trend of large flue temperature and end point temperature could indirectly characterize the trend of sintered ore apparent heat.Corresponding control measures have been taken for factors affecting the sintering large flue temperature,end point temperature stability,end point position control,etc.A control model for sintering waste heat power generation has been established in conjunction with the current status of the companys sintering production,the power generation capacity of the sintering waste heat has been increased to 20.51 kWh/t in 2022,representing a year-on-year increase of 16.38%.【Keywords】sintering end point;return size segregation;apparent heat;waste heat power generation前言据统计，钢铁工业能耗占全国总能耗的8.9%，其中炼铁系统能耗占整个钢铁冶炼流程总能耗的73.5%1。近年来随着工艺技术不断进步，能耗降低明显，但存在企业间发展不平衡、差距较大的现象，平均能耗较国际先进水平仍具有10%以上的节能潜力。为实现节能降耗，一方面要实现钢铁长流程能源模块的全面调配，实现流程总能耗的降低；另一方面，要优化余热回收工艺技术，完善设施设备，提高余热回收率2。近十几年来环冷机余热发电技术因其热量回收率高、效益显著，在烧结工序领域得以推广应用。随着对烧结余热的回收技术研究逐渐深入，业内专家学者们从烧结工艺参数控制、生产运行工况、余热回收技术、设备改进等方面研究了如何提升烧结余热回收水平。周婷婷3从生产工况、设备上分析了烧结不稳定对烧结余热回收的影响，提出了动态补燃系统在余热回收系统上的应用；刘文超等4分析了烧结余热的来源与热量传递关系，从热力学角度分析各环节的能量流，量化分析各项节能措施和节能潜力；阳习端等5-7从稳定烧结工艺制度角度研究了工艺参数对余热回收的影响，实现环冷572023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER余热回收率的提升；赵军凯等8通过对环冷机密封改造、风量优化配置等手段实现余热回收率的提升。本文从烧结生产工艺参数控制角度出发，结合日照公司烧结生产实际，针对影响烧结余热发电的因素进行分析研究，以控制烧结温度场的稳定为手段，借助烧结工序热量传递关系建立提升烧结余热发电管控模型，根据配矿结构、操作参数、生产指标等变化调整各参数控制区间，最终实现烧结温度场稳定、烧结余热回收率的提升。1 烧结生产、余热回收现状山钢日照公司拥有2500 m2大型烧结机，配套2650 m2环冷机。该烧结机为25 100 m3大型高炉供料，年产烧结矿约1 050 万t。2021年下半年起，为降低生产成本，大量配加经济料，调整燃料结构，这直接影响到烧结生产质量指标。大颗粒矿粉占比逐渐增加，烧结混合料透气性明显提升，焙烧时间降低，但烧结矿强度、平均粒径恶化。与此同时，经济料质量的不均匀性导致烧结矿低温还原粉化率（RDI）、转鼓指数、碱度等指标波动性增加，燃料结构、燃料质量波动给烧结生产和烧结矿质量指标的长期稳定带来极大的考验。烧结环冷余热回收也受到相应的影响，2021年112月吨矿余热发电量趋势如图1所示。2021年下半年吨矿发电量均值为 15.84 kWh，较上半年的18.47 kWh降幅高达14.24%。受燃料市场（烧结燃料结构由外购无烟煤调整为外购焦粉）以及烧结系统设备故障率高的影响，环冷余热回收水平持续下滑，亟需开展提升余热回收、降低烧结工序能耗的研究工作。2 提高烧结矿显热量的措施根据热量守恒和热量传递关系，烧结矿显热是烧结余热发电的热量来源，提高烧结矿显热量是提高余热回收的基础。为提高吨矿余热发电水平，一是要提高入环冷机的烧结矿显热量；二是要保证烧结矿显热具有持续稳定性。2.1 烧结终点位置控制烧结终点位置控制是烧结工艺的关键点之一。业内以烧结风箱温度达到最高点的位置作为烧结终点位置，实际生产过程中，通过调整风、水、碳的匹配关系，将烧结终点位置控制在倒数第2个或倒数第3个风箱。山钢日照公司500 m2烧结机有29个风箱，结合烧结矿产能、质量指标控制等因素，烧结终点位置长期以来控制在27#风箱。2022年1月份，为提高余热回收水平，将终点位置后移至28#风箱，同时将终点温度控制标准从450 降至435，烧结矿指标及生产参数变化情况如表1 所示。从表1中数据可看出，通过调整终点位置，烧结矿转鼓指数提升0.17个百分点，平均粒径提升0.09 mm，说明终点位置适当后移有利于烧结矿转鼓指数、平均粒径的改善；在生产负荷不变的条件下，主抽风机转速降低 19.8 r/min，有利于风机电耗的降低；烧结大烟道温度降低约7.2，环冷机入余热锅炉的高、中温烟道温度分别提升了26、15，余热循环风机转速提升了 35 r/min，说明入环冷机的烧结矿显热量增加明显。调整后吨矿余热发电量增至19.86 kWh，增幅达7%。为进一步验证入环冷机烧结矿显热变化，采用高温红外测温仪对调整前后热矿溜槽到环冷机下图1 2021年112月吨烧结矿余热发电量582023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER料口的烧结矿测温。检测结果表明，调整前后，烧结矿温度由621.5 提升至696.2，进入环冷机的烧结矿显热上升明显。2.2 大烟道温度、烧结终点温度稳定性控制烧结矿显热的持续稳定性控制是保证余热回收稳定的关键要素之一。从热平衡上得知，在热量收入稳定的条件下，实现烧结大烟道温度、终点温度稳定则可实现烧结矿显热量的持续稳定。从长期生产参数中发现，烧结点火负压、大烟道温度、终点温度、环冷1段温度等参数呈规律性波动，技术人员分析认为主要受返矿粒度变化的影响。日照公司2台500 m2烧结机，因工程设计时考虑投资成本因素，烧结返矿线流程如图2所示。将双机返矿料线经P8-1、P8-2皮带并线至P7-1皮带后再输送至配料室，在配料仓顶部采用配10可逆皮带对1#、2#配料线的返矿料仓进行灌仓。其中返矿仓容量约600 t，通过可逆皮带来回打料。因返矿料线设计因素导致烧结返矿仓料位波动，而不同料位下返矿在仓内下料状态存在差异，存在粒度偏析的现象。对不同料位时返矿下料粒度分布进行检测，结果如表2所示。从表2中可明显看出，返矿粒度分布随着返矿料位的变化而变化，料位从600 t降至100 t时，返矿中3 mm粒级降低了 18.6个百分点，5 mm 粒级上升了 6.1个百分点，平均粒径由3.21 mm增至3.85 mm。实际生产中返矿料位变化与烧结过程关键参数变化趋势如图3所示。从图3中可看出，烧结大烟道温度、终点温度与返矿仓位呈一致的规律性波动。结合日照公司烧结生产与返矿仓下料状态，分析认为，烧结混合机加水量保持稳定，返矿仓料位高，在偏析作用下返矿平均粒径偏小，宜提高混合料水分，此时料层透气性降低，表现为1#风箱负压升高，大烟道温度降低；返矿仓料位低时，在偏析作用下返矿粒径偏大，宜降低混合料水分，此时料层透气性上升，表现为1#风箱负压降低，大烟道温度升高。因此，返矿料位的变化直接影响混合料水分，进而影响来料层透气性，表现为烧结温度场（点火温度、烧结大烟道、终点温度、起温点位置等）的规律性波动。为降低返矿料位对烧结温度场、余热回收稳定性的影响，针对返矿料位控制对温度场参数的影响量进行了对比，结果表明，返矿料位波动越小，烧结过程参数越稳定。结合生产实际，将返矿料位控制在260400 t之间，并作为工艺关键控制参数执行，降低其对烧结过程以及余热回收的影响。3 余热发电量管控模型热量实现高效利用离不开热平衡计算，针对烧结工序的热平衡计算一般在设计工作中初步完成，定量化评判烧结工序流程中热量利用的合理性。其中烧结过程的主要热收入来源于混合料的显热、铺底料显热、固体燃料燃烧、烧结点火热量、空气显热、物理化学反应放热等，热量支出主要有物理化 1#机烧结内返（P8-1）成品筛分系统 2#机烧结内返（P8-2）1#机内返仓 2#机内返仓 P7-1 P 配 8 P 配 10 图2 烧结返矿线流程图表2 返矿仓不同料位下的返矿下料粒度分布料位100 t200 t300 t400 t500 t600 t粒级占比/%3 mm30.235.640.444.549.748.635 mm52.550.346.943.639.340.25 mm17.314.112.711.91111.2平均粒径/mm3.853.643.483.343.173.21表1 位置调整前后工艺参数变化情况工艺参数烧结终点温度/烧结矿转鼓指数/%烧结矿平均粒径/mm烧结主抽风机转速/（r/min）烧结大烟道温度/环冷高温烟道温度/环冷中温烟道温度/余热循环风机转速/（r/min）吨烧结矿余热发电量/kWh调整前（27#风箱）45081.0119.38898.4171.240936548518.47调整后（28#风箱）43581.1819.47878.6164.043538052019.86592023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER学反应吸热、烧结矿显热、废气带走的热量、热损失等。众多烧结厂热平衡研究表明，自烧结机卸下的烧结矿显热量约占总热量支出的35%40%9。技术人员通过对烧结工序热量传递关系进行梳理，将当前公司烧结生产工艺参数与余热回收量结合，建立了烧结余热发电量动态管控模型，如图4所示。参数包括混合料温度、点火参数、大烟道温度、烧结终点温度、烧结烟气量、卸矿温度、环冷温度等，当余热发电量异常时，及时对应排查各参数变化趋势，可迅速查出影响因素并处理，动态管控、调整，实现烧结余热回收的稳定。4 效益分析自2022年起，逐步采取了烧结终点后移、返矿料位稳定控制、漏风治理等措施，烧结余热回收率有了较大提升。吨矿余热发电量由17.15 kWh/t提高至20.51 kWh/t。按年烧结矿产量1 050万t，电价0.65元/kWh计算，年产生效益2 293.2 万元。与此同时，余热回收量的提升进一步降低了烧结工序的总能耗，工序生产成本大大降低。5 结论与展望本文从烧结工艺角度，（下转第88页）图3 返矿料位变化与烧结过程参数的变化趋势图图4 烧结余热发电动态管控模型602023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER到了预先设想。有效防止了水中的固体颗粒和悬浮物进入凝汽器，提高了凝汽器循环水的水质，保证了凝汽器铜管的换热效率，提高了机组的经济性。改造后的二次滤网DCS控制系统一键自动控制为运行人员的远程监控和全自动操作带来了方便，并且DCS自动控制系统工作安全、可靠，响应迅速，控制稳定，故障查找快速有效，大大减少了日常维护工作量，降低了生产成本，可供电厂其他同类型机组借鉴5。参 考 文 献 1 张向民.二次滤网自动控制系统PLC改进并纳入DCS监控 J.中小企业管理与科技，2018（10）：161-162.2 郧绮雯，黄颖，徐海心，等.重水堆核电厂胶球清洗及二次滤网系统PLC升级改造 J.仪器仪表用户，2018，25（10）：70-74.3 许娜.浅谈二次滤网自动控制系统PLC改进并纳入DCS监控 J.电子世界，2019（12）：174-175.4 张硕骁，张子玉，普晗.论PLC型DCS控制系统在自动化生产线电子控制系统中的应用 J.科技创新与应用，2017（16）：115-115.5 崔海樱.PLC型DCS控制系统在自动化生产线电子控制系统中的应用 J.电子技术与软件工程，2016（24）：142-143.收稿日期：2023-04-23作者简介：郭军（1973-），男，硕士，工程师，现从事发电厂运行技术管理工作。图3 二次滤网实时运行位置及状态反馈窗口图（上接第60页）结合生产实际，针对烧结终点位置、温度、返矿料位控制对烧结余热回收的影响进行研究，得出以下结论：（1）烧结终点位置后移是提升烧结矿显热量的关键措施之一，是提升余热回收的最直接手段。（2）结合公司烧结生产设计情况，内返料位波动带来的返矿粒度偏析成为影响烧结矿显热量的主要因素，通过控制内返料位在260400 t，实现了烧结温度场的稳定和余热回收的稳定。（3）2022 年吨矿余热发电量较 2021 年提升3.36 kWh，经济效益显著。（4）目前烧结大烟道余热尚未得到有效回收利用，若能实现经济回收，烧结工序能耗仍有进一步降低的潜力。参 考 文 献 1 王维兴.钢铁工业能耗现状和节能潜力分析 J.中国钢铁业，2011（4）：19-22.2 彭岩，曹先常，张玉柱.钢铁典型工序流程节能技术新进展 J.中国冶金，2017，27（5）：8-12+32.3 周婷婷，孙恕坚，赵臣，等.烧结不稳定对余热发电的影响及其解决方案 J.中国冶金，2016，26（3）：53-56.4 刘文超，蔡九菊，董辉，等.烧结过程余热资源高效回收与利用的热力学分析 J.中国冶金，2013，23（2）：15-20.5 阳习端，郭亮，王显龙.烧结终点温度控制对余热发电的影响J.冶金动力，2022（3）：15-19.6 吴礼忠.基于烧结终点控制的余热源参数调控技术研究 D.河北联合大学，2015.7 刘福泉，潘学东，李晓兵，等.稳定烧结环冷机余热发电生产实践J.河北冶金，2013（6）：23-24.8 赵军凯，侯健，姜林.邯钢烧结机冷却系统改造与余热发电效果提升 J.中国冶金，2020，30（4）：69-73.9 李建.现代烧结生产技术工艺流程、设备选型计算与烧结效率实用手册 M.北京：当代中国音像出版社，2010.收稿日期：2023-02-23作者简介：穆固天（1996-），男，工学硕士，工程师，从事铁矿烧结领域技术工作。88