鉻冶煉回轉(zhuǎn)窯廢氣余熱發(fā)電方案

仝偉峰，黃高泉，彭 巖

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039)

鉻冶煉回轉(zhuǎn)窯廢氣余熱發(fā)電方案

仝偉峰，黃高泉，彭 巖

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039)

針對(duì)鉻鐵礦氧化焙燒回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線600℃級(jí)廢氣余熱高效回收利用問(wèn)題，提出了鉻冶煉回轉(zhuǎn)窯廢氣余熱發(fā)電方案，建立了余熱發(fā)電裝機(jī)容量的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了年產(chǎn)5萬(wàn)t鉻鹽焙燒回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線參數(shù)、余熱鍋爐方案、凝汽式汽輪機(jī)選型等，并結(jié)合建設(shè)工程，分析了鉻鐵余熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.研究結(jié)果可為鉻鐵回轉(zhuǎn)窯余熱利用提供借鑒和參考.

氧化焙燒;余熱鍋爐;余熱發(fā)電;經(jīng)濟(jì)效益;社會(huì)效益

鉻鐵礦氧化無(wú)鈣焙燒法已是鉻鹽生產(chǎn)的主要方法［1］.無(wú)鈣焙燒法利用返渣代替含鈣填料，大大降低鉻渣排放，杜絕高毒鉻酸鈣的排放.

鉻鐵礦無(wú)鈣回轉(zhuǎn)窯焙燒是目前最先進(jìn)的鉻鹽生產(chǎn)工藝，鉻回收率高，無(wú)高毒鉻酸鈣.但是工藝生產(chǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)窯窯尾排放大量600℃級(jí)的中高溫廢氣仍無(wú)法高效充分利用，較高品質(zhì)的能源浪費(fèi)嚴(yán)重.

目前，鉻鐵礦無(wú)鈣焙燒回轉(zhuǎn)窯窯尾排放的廢氣余熱主要用換熱器生產(chǎn)熱水和吸收式制冷系統(tǒng)的熱能供給［2］，事實(shí)上不符合能源梯級(jí)利用原則.筆者針對(duì)鉻鐵礦氧化焙燒回轉(zhuǎn)窯排放的600℃級(jí)廢氣余熱高效回收利用問(wèn)題，提出了鉻冶煉回轉(zhuǎn)窯余熱發(fā)電方案，建立余熱發(fā)電裝機(jī)容量的數(shù)學(xué)模型，為鉻鐵回轉(zhuǎn)窯余熱利用提供借鑒和參考.

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 鉻鐵生產(chǎn)線改造

鉻鐵礦氧化焙燒系統(tǒng)窯尾排放大量600℃左右的廢氣，需經(jīng)布袋收塵器除塵處理，達(dá)標(biāo)后方可排放，而布袋收塵器的進(jìn)口廢氣溫度最高不得超過(guò)250℃，通?！?00℃.為了對(duì)廢氣進(jìn)行降溫，常用的處理方式是采用空氣冷卻器強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，強(qiáng)制通風(fēng)需設(shè)置風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行消耗大量電能，增加投資和能耗.

余熱回收方案是將空氣冷卻器換成窯尾余熱鍋爐，煙氣從窯尾廠房經(jīng)沉降室沉降后進(jìn)入余熱鍋爐，在鍋爐內(nèi)換熱后，溫度降至100℃左右，然后進(jìn)入窯尾布袋除塵器除塵，再經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣.余熱鍋爐產(chǎn)生的中低壓過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電.

1.2 廢氣參數(shù)及特征

鉻冶煉生產(chǎn)線在生產(chǎn)過(guò)程中排放大量的廢氣余熱，中信錦州金屬股份有限公司鉻冶煉生產(chǎn)線的廢熱參數(shù)見(jiàn)表1.

煙塵特征:粉塵中含有大量高溫分解成分，細(xì)粉多;粉塵中SiO2玻璃體對(duì)濾袋磨損大;粉塵粘性大、剝離性差.

該廢氣為生產(chǎn)線外排廢氣，不再回收用于原生產(chǎn)工藝系統(tǒng).因此，余熱鍋爐出口廢氣溫度按照100℃左右設(shè)計(jì).

表1 鉻冶煉生產(chǎn)線的廢熱參數(shù)

1.3 熱力參數(shù)選擇

熱力參數(shù)的選取，需要綜合考慮各種因素.廢氣余熱利用方案熱力參數(shù)的選取，主要從3方面考慮.一是考慮煙氣溫度和煙氣量.從發(fā)電量的最大化考慮，蒸汽參數(shù)越高.發(fā)電效率越高，但蒸汽的溫度受煙氣溫度的限制，蒸汽壓力的提高，則會(huì)使余熱鍋爐排放的廢氣溫度升高，余熱鍋爐利用的煙氣熱量下降，因此，熱力參數(shù)的選取，要考慮發(fā)電量的最大化.二是考慮余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽與廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)的匹配.余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽既能用于汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，又能直接送入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，提供生產(chǎn)工藝用汽，同時(shí)也能保證余熱鍋爐發(fā)生小故障需要短時(shí)檢修的情況下，廠區(qū)蒸汽直接進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，避免短時(shí)停機(jī).三是考慮發(fā)電量的大小，根據(jù)初步估算的發(fā)電量，盡量選取相近的機(jī)組熱力參數(shù)，便于進(jìn)行機(jī)組改造.

根據(jù)生產(chǎn)線排放的煙氣參數(shù)，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)應(yīng)為次中壓以下;廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)的壓力0.8 MPa(表壓)，溫度為280℃;根據(jù)煙氣的熱量，估算發(fā)電量在2.6 MW左右，相近型號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽壓力1.275～3.43 MPa，溫度290～435 ℃.

綜合以上因素，本余熱發(fā)電方案的余熱鍋爐熱力參數(shù)選擇:蒸汽壓力0.9 MPa(表壓)，蒸汽溫度320℃;汽輪發(fā)電機(jī)組入口蒸汽參數(shù)為:蒸汽壓力0.8～1.0 MPa(絕壓)，蒸汽溫度280～310 ℃.

1.4 裝機(jī)容量確定

鉻鐵礦氧化焙燒生產(chǎn)線窯尾沉降室出口廢氣可利用余熱范圍為鍋爐廢氣量:80 000 Nm3/h;進(jìn)/出口廢氣溫度:600℃/100℃.

煙氣具有余熱量估算為

式中:Vy為煙氣量，m3/h;ty為煙氣進(jìn)口溫度，℃;t0為余熱鍋爐排煙溫度，℃;Cy為煙氣平均定壓比熱容，kJ/(m3·℃).

代入數(shù)據(jù)得到煙氣中全部可利用余熱量為

按蒸汽壓力1.0 MPa(絕壓)，給水溫度50℃，蒸汽溫度320℃，計(jì)算的單臺(tái)鍋爐蒸發(fā)量，公式為

式中:D為蒸汽量，kg/h;Vy為煙氣量，80 000 Nm3/h;Cy為平均定壓比熱容，1.4 kJ/(m3·℃);t'y為煙氣進(jìn)口溫度，600℃;t″為煙氣出口溫度，100 ℃;hq，hs分別為過(guò)熱蒸汽與給水的焓，kJ/kg;ηbr為余熱鍋爐熱效率，80%.

由水蒸汽物性軟件可得過(guò)熱蒸汽與給水比焓分別為:hq=3.094 4 MJ/kg，hs=0.210 19 MJ/kg，計(jì)算得到蒸發(fā)量D=15.5 t/h.

余熱蒸汽經(jīng)凝汽式汽輪機(jī)組發(fā)出的電功率為

式中:hq為汽輪機(jī)組進(jìn)汽焓，kJ/kg;h2t為汽輪機(jī)等熵膨脹至排氣壓力時(shí)的比焓，kJ/kg;ηnt為汽輪機(jī)的內(nèi)效率，取 0. 8;ηjd為機(jī)組的電機(jī)內(nèi)效率，取0.95［3］.

汽輪機(jī)排氣壓力按0.010 4 MPa，求出該壓力下的干度x=0.875時(shí)的濕蒸汽焓值為 h2t=2.286 47 MJ/kg，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Pe=2.643 75 MW.

根據(jù)計(jì)算發(fā)電量，考慮廢氣參數(shù)的波動(dòng)情況，為了保證充分利用廢氣余熱，避免浪費(fèi)，汽輪發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量應(yīng)比計(jì)算發(fā)電量提高10%左右，因此，裝機(jī)容量選用3 MW，能夠滿足在各種工況下余熱充分利用的需要.

2 設(shè)備選型

2.1 余熱鍋爐方案

根據(jù)煙氣特點(diǎn)，結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用耐高溫的材料1Cr13做護(hù)板，同時(shí)在余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮受熱面的合理布置，保證鍋爐效率.

根據(jù)煙塵特點(diǎn)設(shè)計(jì)可靠的吹灰系統(tǒng).由于廢氣粉塵中含有大量高溫分解成分，細(xì)粉多，且粉塵粘性大，剝離性差，余熱鍋爐必須考慮除灰措施.粉塵在受熱面上粘結(jié)，將造成傳熱系數(shù)降低，鍋爐吸熱量減小，鍋爐排煙溫度升高，從而造成余熱鍋爐效率下降.為了保證余熱鍋爐效率，設(shè)計(jì)了余熱鍋爐燃?xì)獗记寤已b置，該裝置將可燃?xì)夂涂諝獍匆欢ū壤旌?，?jīng)高能點(diǎn)火點(diǎn)燃，在脈沖發(fā)生器內(nèi)形成可控強(qiáng)度的脈沖，靠動(dòng)能沖擊、聲波振蕩和熱能清洗的綜合作用來(lái)完成吹灰作業(yè)，保證鍋爐效率.在每組受熱面上布置脈沖發(fā)生器，共布置30，其中過(guò)熱器部位3套，蒸發(fā)器部位15套，省煤器部位12套.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置和工藝接口要求，余熱鍋爐采用倒N型布置.煙氣流程如圖1所示.

余熱鍋爐收集的煙氣中的灰塵從鍋爐下部的3個(gè)灰斗中排出.

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)組選型

汽輪發(fā)電機(jī)組的選型，需要綜合考慮.一是工程造價(jià)，特別是土建造價(jià)，在可能的情況下，盡量減少土建工程量;二是安裝工程，根據(jù)機(jī)組型式，減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝工程量，這樣做既可以減少現(xiàn)場(chǎng)的工程安裝時(shí)間，又可以保證機(jī)組的安裝精度;三是設(shè)備本體的機(jī)構(gòu)型式，盡量選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝快捷的機(jī)組.根據(jù)以上考慮，結(jié)合選擇的熱力參數(shù)，該工程汽輪發(fā)電機(jī)組選用組合快裝機(jī)組.開(kāi)發(fā)了專門(mén)用于該余熱發(fā)電系統(tǒng)的快裝凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，采用單缸、低壓沖動(dòng)冷凝式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，整體運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，該機(jī)組采用單層布置、單層廠房即能滿足機(jī)組安裝要求.

圖1 余熱煙氣流程

機(jī)組參數(shù)為額定負(fù)荷:3MW;轉(zhuǎn)速:5 600 r/min;主汽門(mén)前蒸汽壓力:正常 0.8 MPa(絕)，最高1.0 MPa(絕);主汽門(mén)前蒸汽溫度:正常290℃，最高310℃;額定進(jìn)汽量:20.5 t/h;排氣壓力:在額定負(fù)荷時(shí):0.010 4 MPa(絕).

2.3 配套熱力系統(tǒng)

根據(jù)主機(jī)設(shè)備的配置，相應(yīng)配置了蒸汽系統(tǒng)、射水抽氣系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、除氧系統(tǒng)、化學(xué)水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等.

3 效益分析

裝機(jī)容量3 MW，計(jì)算發(fā)電功率2.64 MW，年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為7 200 h，年發(fā)電量1 900×104kW·h，年供電量1 748×104kW·h.

項(xiàng)目總投資2 200萬(wàn)元(貸款1 490萬(wàn)元)，其中項(xiàng)目建設(shè)投資2 130萬(wàn)元，建設(shè)期利息46萬(wàn)元，流動(dòng)資金24萬(wàn)元.

1)經(jīng)濟(jì)效益.電費(fèi)按照0.51元/(kW·h)(不含稅).考慮人員工資及福利費(fèi)、修理費(fèi)、折舊費(fèi)、還款利息及其他費(fèi)用，平均發(fā)電成本費(fèi)用為0.2元/(kW·h).則項(xiàng)目生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)期內(nèi)平均年利潤(rùn)總額為573.8萬(wàn)元，平均年凈利潤(rùn)為430.35萬(wàn)元，5 a即可收回投資.

2)社會(huì)效益.按照年供電量1 748×104kW·h，2011年全國(guó)6 000 kW以上電廠平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗333 g/(kW·h)進(jìn)行計(jì)算，廢氣余熱所發(fā)電量相當(dāng)于每年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約5 820 t，每年減少二氧化碳排放量約14 360 t，每年可減少二氧化硫排放量約190 t，每年減少NOx排放量約44 t.

［1］李小斌，齊天貴.鉻鐵礦氧化焙燒動(dòng)力學(xué)［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(9):1822 －1828.

［2］萬(wàn)航，李進(jìn).鐵合金生產(chǎn)中的節(jié)能——余熱利用［J］.甘肅冶金，2009，31(5):120 －124.

［3］李盼，李亞光.金屬鎂冶煉中的高溫廢氣余熱回收［J］.能源技術(shù)，2007，28(5):304 －306.

［4］張健敏，于海.有色冶金煙氣余熱回收利用［J］.冶金能源，2011，30(2):59 －64.

Power Generation Program on the Waste Gas Afterheat of Chromate Smelting Rotary Kiln

TONG Wei-feng，HUANG Gao-quan，PENG Yan
(CITIC Heavy Industry Machinery Co.Ltd.，Luoyang 471039，China)

In order to efficiently recycle the waste heat of 600℃ exhaust gas in chromate oxidizing roasting rotary kiln，a power generation program on the waste gas afterheat of chromate smelting rotary kiln was proposed，and an installed capacity mathematical model of waste heat power generation was built.In the paper，the parameters of roasting rotary kiln production line，waste heat boiler program and the selection of steam turbine which could produce 50 000 tons chromate annually were analyzed.According to the construction project，the economic and social benefits of power generation by waste heat of the chromate smelting rotary kiln were also analyzed.The results can provide a reference for the waste heat recovery of chromate rotary kiln.

oxidizing roast;waste heat boiler;power generation by waste heat;economic benefit;social benefit

1002－5634(2012)03－0066－03

2012－03－18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAA05B03).

仝偉峰(1969—)，男，河南新安人，高級(jí)工程師，主要從事電站設(shè)計(jì)及余熱利用技術(shù)等方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)