渝石网络站长参加烧结余热利用技术研讨会并宣读论文
影响烧结余热发电量的主要原因及应对措施
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黄建春 2024/11/7 1291
为了降低生产成本,节约能源消耗,减少温室气体排放,前些年,全国许多钢铁企业都上马了烧结余热发电工程。但目前这样的工程都存在着许多问题,基本上都没有达到预期的设计指标。许多工程的发电量只有设计值的60~80%,有的甚至更低。烧结矿料中的热量没有被充分利用,其中相当一部分仍然向大气中散发,投入的资金不能及时回收,节能降耗的期望值被打折扣。
为了探求原因,这几年来,渝石网络站长通过电话咨询及现场走访的方式,对其烧结余热发电工程进行了深入的了解。经过深入生产第一线的访问、分析和现场观察,归纳出其中最主要的原因有四个。
一、环冷机台车下部密封差、漏风大,造成冷却风压力不足,是影响发电量的关键因素。大多数环冷机设计,制造工艺粗放,动静结合部精度差,缝隙大,使台车下部漏风大具有不易消除的先天不足的因素。
  1. 定性分析
  2. 由于台车下部的密封不好,大量的冷却风从缝隙中漏出,造成冷却风压力降低,穿过矿料层的冷却风流量、风速减小。矿料层中蕴含的热量未充分被冷却风带走,锅炉吸入的热量减少。循环风机出口来的130多度的高温冷却风在密封装置宽大的缝隙中逸出,向大气中散失,又造成热量损失。
    由于采用闭式循环,二段出口处的矿料层温度本来就要比过去用常温风冷却时高出近100度,矿料未被充分冷却时,在二段出口处的温度将会更高,势必加重后面几段的冷却负荷。如果三段、四段、五段原有的环冷机系统未做改造,那么五段末端卸料口的矿料温度一定会升高许多。这又引起烧结人员的担心,万一烧坏运输皮带可是影响全厂钢铁生产的大事。但是,即使将循环风机风量开到最大,烧结方也总是感到冷却风量不够,卸料温度还嫌太高。何况循环风机由于冷却问题、振动问题及电耗问题等,运行人员一般都不会将循环风机开到满负荷。于是就把本应停运的一段或二段环冷风机启动(通常都启动一段环冷风机)重新又用大量常温风来强制冷却矿料,很可能还要把烧结终点前移,使落料温度降低,以确保环冷机卸料矿温为正常值。大量冷风的进入和来料温度的降低使进入锅炉的烟温降低。新启动的环冷风机又使循环风机的负荷减轻,使入炉的烟气流量减少。这些因素综合起来,就造成锅炉出力达不到设计值。机组发电量自然也达不到目标值了。
  3. 定量分析
  4. 环冷机台车下部的冷却风压力按原设计或运行规程应该是多少?我至今无法获得相关数据。但从安装在现场的环冷风机铭牌标注的参数,我们可以推断出来。
    某台710KW功率的环冷风机,出口压力为3.648~4.076KPa,流量为45.3万~48.4万m3/h。按通常的设计原则:正常运行的参数应为其量程的2/3,或60~70%。此处我们取70%,它的流量值为47.5万m3/h。我们把矿料层近似看作一个多孔的节流元件,它的上部出口压力近似为0,下部入口压力近似为风机出口压力。套用流体流量公式 Q=K(ΔP)0.5来估算冷却风的流量。
    假定台车下部是完全密封的理想状态,当台车下部压力为3.862KPa时,穿透矿料层的烟气流量则为47.5万m3/h。根据余热锅炉的设计参数,要求入炉的高、低温段烟气量各为40万m3/h。假定漏风率为16%且台车下部的冷却风压力为3.862KPa时,通过矿料层后进入锅炉的烟气量正好是40万m3/h (此处我们忽略台车上部和三通阀等的漏风) 。
    在这一漏风率下,如果台车下部的冷却风压力分别下降到3.6KPa、2.5KPa和1.6KPa时,进入锅炉的烟气量分别为37.8万、31.5万和25.2万m3/h。这就说明了随着台车下部的冷却风压力降低,穿过矿料层的风量、风速都减小。矿料冷却效果变差,入炉的烟气热量也迅速减少,进而使锅炉出力不足。而台车下部冷却风压力的降低又是因为漏风大引起的。实际的漏风率远远大于16%,很可能达到30~50%
    如何判断台车下部密封的效果?我认为:台车下部的冷却风压力应在3.5KPa以上为好,而且一二段的环冷风机不运行,锅炉出入口差压达1200Pa以上时,锅炉蒸发量就能达到设计值。
  5. 实际运行状况的证明
  6. 台车下部密封差是个渐变的过程。刚投产时,新装的密封装置可能基本满足要求。时间一长,密封橡胶被磨损、刮扯、撕裂、老化。漏风随之逐渐变大。
    据了解,安钢工程投产初期,台车下部的冷却风压力曾达到3.8KPa,此时机组的负荷也达到过23MW。如今,在大量补入冷风的情况下(启动一台环冷风机,直径1.5米的补冷风门开度达70%左右),台车下部冷却风压力仅2.1~2.5KPa左右。发电量要达到15~16MW已经是比较少见了。
    太钢3#炉,我记录的一项数据为:台车一段下部冷却风压力为1.51KPa,进风温度91℃,上部烟气温度343℃,压力为-0.34KPa,此时锅炉蒸发量只有25.4t/h,占额定蒸发量的47%。运行人员说如果开大循环风量,上部烟气可以达到400℃,但开大循环风量后,风机振动加剧,又不敢开。但这也能说明,增加台车下部风压,加大风量,有利于提高锅炉出力,有利于矿料的冷却。
    唐钢2#炉,4月11日我记录的台车下一段二段的风压分别为2.279KPa,和1.947KPa,当时锅炉的出力大约是额定值的60%左右。
    如果到环冷机平台上走一走,看一看,就更清楚了。漏风大的环冷机在一段二段漏风处,矿尘飞扬,漏出的高温风有时烤得人都无法经过。而漏风相对小的唐钢4#环冷机可以看到平台上较干净,走过一段二段区域时就比较安全。而4#炉被业主认为基本合格的,由此可见,被密封橡胶板挡住而未漏出的那部分热风能量,也能为提高锅炉出力发挥一部分作用。
    以上现实的运行情况,客观地证明了台车下部漏风大、冷却风压力低对锅炉蒸发量和机组发电量的影响。
  7. 台车下部漏风的部位及应对措施
  8. 台车下部的密封有两道:外密封和内密封。外密封是橡胶板固定,滑板在它上面。常见的故障有刮破、撕扯和磨损后的漏风以及橡胶老化后被内部风压鼓爆变形而产生漏风。处理办法:逐条检查滑板,不得有毛刺和突起部位,表面应平整光滑。密封橡胶加钢丝网夹层增加强度。将现在的垂直放置改为向里倾斜,使漏出的风自动将橡胶板贴紧滑板。
    内密封目前大都是橡胶板是滑动的,滑板是固定的,除了与外密封一样处理外,内密封最大的漏风处在台车轮周边,尤其是其前缘。安钢、太钢及唐钢的1#、2#、3#环冷风机漏风大,此处的间隙宽度达60~80mm。而且两边的角钢被切割成垂直于角钢的平面。密封橡胶板在落料处又被滚落的矿料不断磨损,使漏风缝隙更宽。而唐钢4#环冷机漏风小,此处的间隙只有20~30mm宽,而且两边的角钢被切割成与台车卸料时的机械运动轨迹相符合的斜切口。有些烧结人员会担心此处间隙小是否会影响台车卸料,其实不然。我到宣钢后发现这里的缝隙绝大多数小于10mm,而且是公差配合非常好的斜切口式。两台环冷机一直在运转着有几年了。
    如果想要减小台车下方的漏风,此处必须改造。量好尺寸、角度后在此处重新补焊斜切口角钢,使其缝隙尽可能达到宣钢的尺寸。然后在台车轮下的角钢上再焊一块100*80*4mm的铁板伸向对面,使得从缩小后的缝隙中漏出的冷却风再一次被阻挡、转向。对此处的密封橡胶板也要改造。加装钢丝网夹层,在端部用双层钢丝网夹层,且边缘用耐磨钢皮包裹,以减小受卸料矿冲刷的磨损,延长密封橡胶板的使用周期。
    关于台车下部的内密封,也有人提议将原来的“动”密封橡胶板改为“静止”的,而运动的是钢质滑板,与台车上部的密封有点相同,这样可以避免橡胶板在卸料口的冲刷、磨损,这一新办法应该受到鼓励,应该大胆试验,不断改进,勇于创新,逐步完善。为克服台车下密封这一难题多开辟一条途径。
    台车下部的内密封技术,在国内也有很多新的技术,如采用水密封技术。据了解,涟钢环冷机下部采用水密封技术,冷却风压力可达4000Pa。但使用到一定时间也会出现新的问题。
    台车的上部密封相对容易一些。目前主要的问题是安装时不仔细,角度、距离不合适,没有使橡胶板的三个齿封平面均匀贴紧滑板,滑板不太平整光滑,容易刮削、撕扯橡胶板。负压控制不好时,内部冒出的高温风(可能有300~450度)将橡胶板烫坏变形翘曲而漏风。处理办法:将钢质滑板处理得平整光滑,不得有突起。滑板之间一定要留有伸缩缝。目前的滑板安装角度过于“垂直”,下端应向外再倾斜一些。固定橡胶板的角钢角度也要倾斜一些,这样橡胶板依靠自身重力作用将它的三个齿封面平整自然贴紧滑板,这三个齿封才能发挥作用。为防止下端部翘曲,可在橡胶板下端加载一根小的长条铁棍。
    另外,密封橡胶的材质,强度,韧度等物理性能,老化试验这些工作都应抓扎实才行。
    这里只是个人的一些想法,实际应用时,还得根据客观情况做些变通,才能有效实施。
二、烟风管道的形状和位置布置不合理使台车下部冷却风动力场分布不均、台车上部热烟气流动不畅,造成矿料散热、冷却效果变差。既减少了入炉热能又加重了后面各段的冷却负担
  1. 为了使矿料在段内全程均匀冷却,要求台车下部的冷却风压力分布均匀。而目前进风管道的布置经常使各台车下的冷却风压“贫富不均”。设计人员可能没有想到风斗之间的那根直径达1.5米的大管道,它的下半部通常都堆满了坚实的矿渣灰,其流通情况根本不象图纸上想象的那样通畅。距离进风管远一些的台车下部,冷却风压力往往不足,使这部分台车中矿料冷却效果变差。有一个记录数据可以说明这个问题,某台环冷风机在一段的最后一个风斗(即5#风斗)处进风,其压力为2.28KPa,与其隔开2个风斗的2#风斗处压力只有0.9KPa。
  2. 应对措施:改进台车下部进风管分布方式。从2#、4#、6#、8#、10#这样的偶数号风斗处进风较好。即隔开一个风斗必须有一个进风管,以确保台车下部冷却风动力场分布均匀。
  3. 台车上部的收集烟道本应是做成如厨房油烟罩那样的梯形较为符合流体动力学原理。但现在都已做成长条矩形风箱,在其中部设置一个大口径烟囱作收集热烟气用。由于流体的沿程阻力特性和热烟气有向上流动的特性,在距离烟囱越远的地方高温烟气的流动性越差(最远的距离可能有10米之多)。郁积在远处的灼热烟气难以以水平流动的形式长距离地流向烟囱,使从远处的矿料层中带出的热烟气量因流动阻力大而大量减少,既减少了入炉的热量,又使矿物料得不到充分冷却,从而加重了三段以后的冷却负荷。为卸料处的矿料超温埋下了隐患。
  4. 改进办法:重新设计集烟管道的形状,最好做成斜面梯型集烟罩,而且位置应该在1#、3#、5#、7#、9#奇数号风斗上方比较符合矿料冷却过程的烟气动力场特性。
三、对原有的环冷机系统未作适当改造,影响了环冷机在新的运行工况下工作的安全性和可靠性。
环冷机原先设计是用环境温度下的空气作冷却风,上了余热发电项目后,环冷机的工作条件改变了,就必须对环冷机做适当改造,才能使环冷机继续安全可靠的运行。这个新的环境就是:一段二段的进风温度由原来的常温变成比过去高出100多度的高温风,这就要考虑高温给环冷机运行带来的影响。另外,二段出口处的矿料温度也比过去高出许多,所以三、四、五段都要加强冷却。对环冷机的改造要求做好以下几点。
  1. 检查台车环形铁轨之间是否留有膨胀伸缩缝。安钢、太钢、唐钢的1#、2#、3#环冷机许多地方没有留一丝一毫的伸缩缝,完全违背了最基本的科学常识。一定要割开调整到留有5~8mm宽度的缝隙。避免轨道热膨胀后巨大的热应力使圆形轨道变得椭圆,影响台车运行安全。
  2. 要对环冷机的三个限位辊重新校正,使环冷机园环的不圆率达到最小,并记录数据以备查考。
  3. 台车轮轴承要清洗后将原先只耐低温的润滑脂更换成耐200度的高温润滑脂,以减轻日后的轴承维护工作量。如果是新建的环冷机,我建议一开始就注入耐200度以上高温的润滑脂,并核查轴承和滚珠材质及间隙,以减少日后的更换工作量。
  4. 三、四、五段上方的“人”字型烟罩,不利于热烟气流动和放散。应从中间宽1.2米割开,然后向上抬起0.6~0.8米高后固定,以加快矿料冷却。
  5. 三、四、五段的环冷机进风口要增加。每隔一个风斗必须要有一个进风管。原理如前,防患于未然。钢铁冶金设计人员也没有考虑到连通管实际流通不畅的问题。未上余热发电时,环境冷风的强大冷却作用掩盖了这一问题。
  6. 台车轮周边,特别是前缘处的漏风情况要逐个仔细检查。如缝隙大于10mm必须进行修补。而且要特别注意动静结合处的角钢和滑板在前进方向不得有突起,应平整光滑。具体原因和处理方法已如前述。
  7. 完善台车下部的内、外密封不仅是一段二段,即使是三、四、五段也要加强密封,提高冷却风压力,以加强矿料冷却,确保卸料处矿料温度在正常范围内。
四、与烧结厂搞好协作关系,争取他们的大力支持,是烧结余热发电工程获取持久经济效益的基础
上了余热发电项目,烧结厂最担心的就是环冷机卸料矿温度是否超标?会不会烫坏运输皮带。他们的担心并非多余,毕竟一、二段下面进来的不再是环境冷风,而是100多度的高温风。另外,二段出口处的矿料温度比过去高许多。环冷机运行工况大变了,发电方应充分理解他们,要想办法消除他们的担心,并给予一定的奖励。
  1. 在技术措施上做好充分准备,以实际运行的数据、图表使烧结人员信服,让他们感到放心。除了真正扎扎实实做好前述的三个部分工作外,我们再在二、三、四、五段的末端各装两支快速铠装热电偶检测矿料上方的烟气温度。8支热电偶分成两组,一组直接进烧结中控,并由他们管理。但可以通讯方式送至DCS。另一组直接进DCS。用两组信号做成棒图和实时趋势曲线。既在DCS的CRT上显示,也能用通讯方式传至中控室。让双方都能实时观察到环冷机各段矿料上方烟气温度,以此来监视和估计卸料矿的温度。这样可以让烧结方更放心了。这时才有资格,有理由请烧结方将矿料的烧结终点尽可能后移至最后一个风箱,让更多的矿热送到环冷机而不是从主抽烟囱排向天空。只要我们把工作做细做扎实了,相信烧结方一定会大力支持发电方的。
  2. 在经济效益上也应让烧结方得到实惠
  3. 烧结余热发电是烧结主业的副产品,离不开烧结厂的支持。环冷机的运行、检修特别是密封系统的维护、修补都需要烧结方的辛苦工作。付出了辛勤的劳动,理应得到发电方相应的经济回报。只有把烧结余热发电当成是发电方和烧结厂双方利益共享的产业,烧结余热发电工程才能长久地发挥经济效益。
五、结束语:
以上是我从几个工程的调研中得出的一些想法,难免有疏漏和不当之处,在此仅供参考,希望专家们补充。
我希望,通过这次全国性的烧结余热利用技术研讨会,与会的专家们都能敞开胸怀,各抒己见,相互交流实践中的心得体会,互相学习,取长补短,逐步完善和提高我国的烧结余热发电技术档次,争取赶上甚至超过世界上发达国家的烧结余热利用水平。为国家节能减排事业贡献我们的知识、技术和力量。
学生:黄建春
2024年11月07日

注:该文在烧结余热利用技术研讨会上宣读,并介绍了我编写的《烧结机双压余热发电性能计算》软件,获得了专家们的一致好评,详细情况请参阅站长的个人网站
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