烧结余热锅炉及蒸汽系统优化.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER烧结余热锅炉及蒸汽系统优化徐路遥（上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司，江苏南京 210039）【摘要】介绍了某公司烧结余热锅炉系统及低压蒸汽管网现状。为充分回收烟气余热，对余热锅炉进行提压升级改造。通过提高锅炉产汽压力及蒸汽温度，将部分蒸汽送进汽轮机做功，再抽汽供热，实现能量梯级利用。改造后提高了低压蒸汽管网运行调节灵活性，解决了蒸汽放散噪音等问题，有较好的经济效益。【关键词】余热锅炉；改造；蒸汽管网；蒸汽平衡【中图分类号】TK229【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0073-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Optimization of Sintering Waste Heat Boiler and Steam SystemXU Luyao(Shanghai Meishan Industrial Civil Engineering Design Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210039,China)【Abstract】The article describes the current status of a companys sintering waste heat boiler system and low-pressure steam pipe network.In order to fully recover the flue gas waste heat,the waste heat boiler is upgraded with higher pressure.By increasing the steam production pressure and steam temperature of the boiler,part of the steam is sent to the turbine to do work,and then the steam is pumped for heat supply to realize the gradual utilization of energy.The renovation has improved the flexibility of low-pressure steam pipe network operation and regulation,solved the problem of steam dispersion noise,etc.,and has better economic benefits.【Keywords】waste heat boiler;retrofit;steam network;steam balance引言钢铁企业作为能源消耗的大户，充分回收烟气的余热，减少热损失是十分必要的1。2010年公司新建一台450 m2 烧结机，为考虑环冷废气余热的利用，配置了一套余热锅炉，产生 1.27 MPa、297 的过热蒸汽。该余热回收锅炉系统将环冷机高温段的废气余热利用起来，不仅有利于烧结矿的冷却，还可以最大限度地生产蒸汽，并输送至外部蒸汽管网，供厂区生产使用，同时实现节能降耗的目的。2018年由于该余热锅炉设备老化、积灰严重、焊接部位泄漏、余热锅炉漏水，严重影响余热锅炉正常使用，故对余热锅炉进行受热面整体优化更新，换热面采用高频焊管道，所有焊缝优化于设备端部，以减少集中应力设计优化，从而减少锅炉运行中焊缝处泄漏的几率，余热锅炉的设计参数与原锅炉参数一致，主要确保中压余热锅炉产生的中压蒸汽供管网，低压余热锅炉产生的低压蒸汽供系统自身热力除氧用，低压蒸汽不足部分由少量中压蒸汽减压后作为补充。1 现状1.1 余热锅炉现状及问题烧结环冷机余热回收系统投用初期，锅炉系统总体运行稳定，基本达到设计能力。当进除尘器的废气温度为380 时，低压蒸汽（1.0 MPa）实际产量约55 t/h；低压蒸汽（0.3 MPa）实际产量约10 t/h。2020年环冷液密封改造后，烟气系统温度提升很大，到达重力除尘器的废气温度高达390430，经除尘后到达余热锅炉的废气温度为380420，锅炉实际产汽量6068 t/h，现有余热锅炉一直处于超负荷状态运行，给余热锅炉的安全运行带来很大732023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER风险。现有余热锅炉设计参数见表1。表1 现有余热锅炉设计参数表名称烟气流量/(万m3/h)烟气进口温度/低压过热蒸汽压力/MPa低压过热蒸汽温度/低压过热蒸汽流量/(t/h)参数52约3601.2729745名称阻力降/Pa烟气出口温度/低压饱和蒸汽压力/MPa低压饱和蒸汽温度/低压饱和蒸汽流量/(t/h)参数1 000约1550.3约143约8 余热锅炉设计有一定的能力余量，但应杜绝长期在超负荷状态下运行2，锅炉安全技术规程（TSG 112020）中明文规定严禁锅炉长时间在超负荷工况下运行。锅炉长时间超负荷运行可能引发以下一系列问题。（1）锅炉超负荷运行导致各受热面吸热能力偏离设计值，容易造成水循环的破坏，进而造成换热管的高温蠕变、损坏、爆管。（2）锅炉超负荷运行容易造成过热器换热管部分超温，易造成汽包汽水分离效果较差，使得蒸汽带水，汽水品质不断恶化，过热器积盐，换热效果恶化，导致过热损坏3。（3）长期超负荷运行，造成锅炉排烟温度升高，锅炉效率低下，减少锅炉的使用寿命。（4）长期超负荷运行，造成受热部件的膨胀超限，造成余热锅炉的整体变形、焊接区域疲劳，甚至开裂。（5）长期超负荷运行，泵房水泵能力不足，为确保供水能力，水泵全部运行，无备用；管线阻损大，故障率高。（6）蒸汽管道管内流速大，冲刷严重，长期运行会发生爆管。1.2 风机系统现状及问题2018年余热锅炉系统改造，为了降低系统运行阻力，将多管除尘器更改为重力除尘器4，余热锅炉系统设置防磨管等措施减少烟气粉尘对换热管束的磨损。风机叶轮、机壳进行耐磨处理，运行至今风机叶片磨损严重且不均匀（图1），导致风机运行振动值偏大。根据现场运行画面，风机后轴承的振动值达到4.2 mm/s，严重影响风机的正常运行。原因分析：取气口相对集中，烟气流速过快，烟气中含有颗粒物进入余热锅炉系统。1.3 低压蒸汽现状及问题公司低压蒸汽管网供应着区域内各蒸汽用户单元，既满足了用户日常生产需要，同时又对烧结环冷机、炼钢转炉和热轧加热炉余能所产生的蒸汽进行回收利用。通过电厂和干熄焦发电外供蒸汽进行中间调节，使蒸汽管网压力达到动态平衡，2021年随着各单元的产能逐渐提升以及烧结环冷密封改造等项目实施，蒸汽的回收能力大大提高，蒸汽母管的压力经常超过1.0 MPa，逼近安全阀放散值1.1 MPa。因此为了平衡蒸汽母管的压力，现有的余热机组已经基本满发。2021年改造前低压蒸汽产生量见表2。由表2可见：（1）蒸汽主要分两种参数，一是 0.81.0 MPa 的饱和蒸汽，二是2.1 MPa 的次中压蒸汽，且次中压蒸汽均产自烧结区。（2）蒸汽总发生量增加约 50 t/h，主要来自热轧厂、炼钢厂以及烧结区，其中热轧厂增加 10 t/h，炼钢厂增加 12 t/h，烧结区增加 29 t/h。然而，根据最新产量规划，各用户侧低压蒸汽使用情况变化不大，详见表3。图1 叶轮和机壳磨损严重742023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER表3 改造前蒸汽消耗量序号123热用户总耗汽量供热管网余热发电蒸汽参数0.8 MPa0.8 MPa2.1 MPa/350 0.8 MPa2.1 MPa/350 耗汽量/（t/h）1821915882535备注冬季与夏季波动，最大 195，最低 160直接减温减压至0.8 MPa 进管网对比表2、表3可见，将产生富裕蒸汽 82 t/h，其中饱和蒸汽 60 t/h，次中压蒸汽 22 t/h。但是，供热管网蒸汽有 88 t/h 由次中压蒸汽直接减温减压提供，存在较大的余热浪费和热损失。因此，可用于发电的次中压蒸汽合计110 t/h。根据公司产量规划以及相关项目计划，环冷机密封改造后，4#烧结机余热锅炉并入公司低压蒸汽管网的蒸汽大幅度提升，改造前产汽量4245 t/h，改造后预计产汽量6068 t/h，蒸汽回收量显著增加，而用户侧蒸汽用汽量变化不大，公司低压蒸汽管网平衡下来，存在富裕，供需矛盾越来越突出，大量蒸汽面临放散，将造成严重的余热资源浪费。此外，为了减轻此种低压蒸汽管网超压放散现象，通过限制烧结余热回收系统实际产汽量进行适应性调整，限制烧结产汽量，为满足烧结矿降温要求，通过增开鼓风机满足烧结矿冷却要求，系统余热不能充分回收，且增加系统运行电耗，不经济。2 改造方案2.1 余热锅炉的系统改造烧结环冷机改造后，烟气温度提高 4050（冬、夏季），通过对烧结机余热锅炉进行改造，充分回收烟气余热，改造后余热锅炉参数见表4。改造现有余热锅炉的受热面，包括中压过热器、中压蒸发器、中压省煤器及低压蒸发器，根据新的设计参数增加中压蒸发受热面的换热面积，控制末级中压蒸发器出口的窄点温度，提高中压蒸汽产量，同时提高低压蒸发器受热面的换热面积，使得低压蒸汽产汽量满足系统自除氧的需求，富余部分烧结厂内部使用。（1）锅炉结构a）优化换热器的管束结构，设计水平U型管的结构，从而减少换热器局部出现积灰过多的情况发生，并防止泄漏。b）外置的集箱采用多管头的结构，将管束结构的焊缝都布置在烟气通道外，减少烟气对焊缝的直接冲刷和腐蚀，从而增加部分设备的使用寿命。c）方便吹灰器的布置，保证换热面的清灰。d）在换热管束的中间部位增加支撑管板，与两侧端部管板形成一个整体，使得整个模块的刚度提高，从而避免管束发生振动。e）锅炉的进口迎风面需要布置防磨翅片管，并控制换热管之间的流动速度，降低管束间的磨损程度，同时确保烟气粉尘被带走。（2）锅炉设备锅炉的各级换热面均为螺旋翅片管受热面结构，受热面水平布置，管束为错排布置。其中，为提高中压过热器的耐磨性能，在设备前排设置防磨假管及防磨瓦。积灰的处理主要依靠设计的管间流速及螺旋翅片管的自清灰功能，辅助设置自动声波吹灰器。2.2 烟气系统的优化改造（1）取气口的优化改造为了最大限度地利用环冷机冷却矿的热量，增表4 余热锅炉设计参数表名称烟气流量/(万m3/h)烟气进口温度/中压过热蒸汽压力/MPa中压过热蒸汽温度/中压过热蒸汽流量/(t/h)参数52约400 2.1350约51名称阻力降/Pa烟气出口温度/低压过热蒸汽压力/MPa低压过热蒸汽温度/低压过热蒸汽流量/(t/h)参数1 000约1520.35180约12表2 改造前预期蒸汽产生量蒸汽来源热轧厂蒸汽发生量炼钢厂蒸汽发生量热电厂蒸汽发生量干熄焦蒸汽发生量烧结区蒸汽发生量总计蒸汽参数0.81.0 MPa/180 0.81.0 MPa/180 0.81.0 MPa/280 0.81.0 MPa/280 2.1 MPa/350 改造前（2021 年）16 月平均/（t/h）344818311621979 月平均/（t/h）3448105116213目标/(t/h)4460105145264752023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER加环冷机前段的热量，减少系统运行阻力且避免大颗粒粉尘进入余热锅炉系统，对余热锅炉烟风系统取风口进行下述改造。在环冷机二段增设一个取风口。通过增设取风口，对集气罩流场进行升级、优化，有利于高品位热风的汇集，加大取风的舒畅性，减少系统运行阻力。同时降低热风进入取风烟道系统的初始流速，流速控制4 m/s，有利于减少大颗粒粉尘进入锅炉系统。（2）烟气管道优化改造锅炉出口改造为箱式烟道结构，通过扩大流通面积，进一步降低锅炉出口烟气流速，同时烟道底部设置灰斗，便于灰尘沉积，积灰由现有气力输送装置排出。通过对系统内颗粒物的轨迹追踪，减少进入风机的颗粒物，减缓颗粒物对风机的磨损。对风机的双吸入口设置导流板，优化流场，使得风机双吸口流速均匀。2.3 锅炉辅机更新改造由于系统改造后，锅炉设计压力等级提高，全部汽水系统管道、阀门等更新，蒸汽总管更新，提高了输送能力，现有软水泵、低压给水泵及中压给水泵无法满足系统的需求，均需要整体更新。本次改造余热锅炉过热蒸汽出口增设减温减压装置一套，用于蒸汽减温减压。余热锅炉所产过热蒸汽（2.1 MPa，360）产量在5156 t/h，因此需要配套选型减温减压装置一套，减温减压装置参数：进口蒸汽压力 2.1 MPa，温度 360；减温水压力 2.1 MPa，温度104；出口蒸汽压力1.27 MPa，温度297。2.4 区域相关管线改造余热锅炉中压蒸汽（2.1 MPa，350）设置两路出口，一路敷设至次中压蒸汽发电项目预留的中压蒸汽接点，一路经减温减压（1.27 MPa，300）后敷设至现有低压蒸汽管网。当发电机组出现检修或者故障时，余热锅炉产生的中压蒸汽减温减压并入公司低压蒸汽管网。锅炉产生的低压蒸汽（0.35 MPa，180）自余热锅炉出口分两路，一路与现有烧结区低压蒸汽管网对接，一路敷设至次中压蒸汽发电项目预留低压蒸汽接点。低压蒸汽烧结自用后富裕量供给新建发电机组作为补汽，用于发电。2.5 新建发电机组公司根据目前烧结区域富裕蒸汽量，已新建了一套次中压蒸汽抽凝式汽轮发电机组及配套设施，对烧结环冷机余能所产生的蒸汽进行回收利用，解决蒸汽放散造成的白色污染问题并消除蒸汽放散产生的噪音5，实现环保、节能减排、创效一举三得的实效，为公司带来可观的经济效益和社会效益。烧结区域当前最多有110 t/h蒸汽可用于发电，参数2.1 MPa/350，另有低压蒸汽020 t/h，蒸汽参数 0.5 MPa/190，可作为汽轮机的低压补汽。此外，汽机具备抽汽供热能力，抽汽压力1.0 MPa，温度不低230。额定抽汽量的选取关系到机组运行效率和主要技术经济指标。一方面烧结区蒸汽发生量波动较大，另一方面热电厂双抽机组具备较大的供热潜力。3 改造效果本次升级优化改造后余热锅炉产生的中压蒸汽（2.1 MPa，350）用于汽轮机发电使用，余热锅炉产生的低压蒸汽（0.35 MPa，180）供系统自身热力除氧用，富余部分供烧结厂内部使用。通过本次改造，两路蒸汽分别作为主蒸汽和低压补汽进汽轮机发电，通过汽机抽汽保证供热量，实现了蒸汽资源的梯级利用，每年可增加发电0.725亿kWh，具有显著的经济效益。另本次改造能够有效解决现场长期出现的影响锅炉设备正常运行的疑难问题，能够提高锅炉的产汽压力及蒸汽温度。4 结语通过本次余热锅炉改造实现了以下目标：一是确保锅炉系统安全稳定运行，满足锅炉安全运行规程要求；二是充分回收烟气余热，产生中压蒸汽用于汽轮机发电使用，低压蒸汽供系统自身热力除氧用，富余部分供烧结厂内部使用，充分回收利用余热，提高公司低压蒸汽管网运行灵活性，减少蒸汽放散造成的噪音等问题，有较好的经济效益。参 考 文 献 1 王铁民，郭朋.钢铁企业余热利用优化运行实践与探索 J.冶金动力，2019（12）：6-9.2 王二伟.浅谈火电厂锅炉四管爆漏原因及防范 J.科技创新与应用，2012（18）：100.3 龚运鹏.锅炉汽包水位的自动控制 J.天津冶金，2014（z1）：99-101.4 任冰雪.锅炉烟气除尘技术及除尘器的选择研究 J.科技展望，2016，26（15）：59.5 张军民.饱和蒸汽发电在炼钢厂的应用 J.中国设备工程，2020（15）：176-178.收稿日期：2023-02-02作者简介：徐路遥（1995-），男，工程硕士，助理工程师，现从事热力专业设计工作。76