阶梯式自密封装置在烧结低温发电项目中的应用

陈云超 1 李贵兴 2 徐红超 3 段桂萍 3 湛自丽 3

2．动力能源分公司设备技术部 云南昆明 650000

3．武钢集团昆明钢铁股份有限公司环保能源部 云南昆明 650000

摘要：阶梯式自密封技术并非传统意义上的密封方式，而是通过增设高低温抽吸装置，对烟罩内烟气流场进行控制及调整来实现热风烟罩与环冷机台车间缝隙处压力为0～50Pa，使整个热风烟罩内的抽吸力基本平均分配。这时，抽口附近烟罩位置处外部的空气不能进入到烟罩内，余热资源的品位得到了有效保证；离抽口较远的烟罩位置，通过抽吸设备调整控制有相同的抽吸力，热烟气通过抽吸设备进入到抽口，不会外逸，增加了余热回收量。

关键词：烧结低温发电 自密封 作业率 改造

1. 项目背景

红河钢铁有限公司烧结低温发电站原是利用2条90m²烧结机的烧结大烟道烟气及带冷机烟气余热建造的1座4.5MW余热电站，汽机采用补汽凝汽式，利用部分转炉饱和蒸汽补汽。后因2条90m²烧结机停用及饱和蒸汽停供，电站利用新建的260m²烧结环冷机余热锅炉蒸汽供电站汽机使用。2016-2018年该机组年平均发电量1149.7万kWh，年平均作业率71.26%，小时平均负荷为1860kWh，年平均自耗电比例17.83%。对标同行业，该机组发电效率偏低，有较大潜力可挖。

主要设备参数如下：

表1-1 余热锅炉相关参数

锅炉型号	QC245（82.5）/385（220）-25-1.1/320
锅炉入口高温段烟气量	245000Nm3/h
锅炉入口高温段烟气温度	385℃
锅炉入口低温段烟气量	82500Nm3/h
锅炉入口低温段烟气温度	220℃
锅炉出口烟气温度	160℃
锅炉入口高温段烟气量	245000Nm3/h
锅炉入口高温段烟气温度	385℃
蒸发量	25t/h
额定蒸汽压力	1.1MPa
额定蒸汽温度	320℃
给水温度	35℃

表1-2 汽轮机（补汽凝汽式汽轮机)相关参数

汽轮机型号	BN4.5-1.0/0.7
额定功率	4.5MW
转速	3000r/min
额定主汽量	24.0t/h
额定主蒸汽压力	1.0MPa
额定主蒸汽温度	290℃
额定补汽压力	0.70MPa（饱和蒸汽）（实际运行无补汽）

表1-3 发电机相关参数

发电机型号	QF2-6-2
额定功率	6MW
额定电压	10.5kV

2.原因分析

烧结高温矿料的温度一般在700℃～800℃之间，环冷机上的烧结热矿通过鼓风强制冷却后，烧结矿排料温度降到低于150℃排到输送皮带。矿料显热通过鼓风实现气—固两相传热，环冷鼓风机鼓入的冷风吸收烧结矿料显热变成废热烟气，废气温度可达到350℃～450℃左右，烟罩内废气温度沿环冷机圆周方向从高到低呈逐渐降低的过程，从450℃下降到100℃以下。废气中可供利用的中、低温余热烟气分布在250℃～450℃之间，占全部废热量的45%左右。因为烧结环冷机余热回收为生产过程的副产品回收利用，烧结生产的工艺首先保证的是烧结矿的产能和质量，因此工艺因素可调整的范围较小。在烧结正常生产情况下，认为影响环冷余热回收的关键因素为设备因素，设备因素主要包括有以下几个方面：

（1）环冷机特有的较大的长径比；

（2）热风抽吸口数量限制（常见2～4个）；

（3）固定烟罩与台车间的缝隙（约30～100mm）；

（4）固定烟罩两端的敞口泄露；

（5）烟罩破损导致的泄露；

（6）系统中其他冷热源交界面泄露。

上述因素中的一项或几项叠加都会直接影响环冷机余热回收效果，也是环冷机余热发电提升的关键。其中，固定烟罩与台车间的缝隙漏风、以及固定烟罩两端的敞口泄露是影响环冷机余热回收最关键的因素，也是目前为提升环冷机余热发电主要考虑的改造方向。目前热风烟罩与台车间缝隙及固定烟罩两端敞口密封的几种常见方式有：

（1）采用耐热输送带或石棉布接触台车拦板；

（2）钢丝刷密封；

（3）包容式密封；

（4）环冷机烟罩前后两端采取铰链式密封板配合高温钢刷的烟气隔板；

由于生产过程中，烟罩与台车之间以相对运动进行，以上几种方法都存在易磨损、易变形、密封效果差、运行成本高，且每次更换密封后维持时间不长，均未能彻底解决漏风和余热有效回收的问题，对提升烧结余热发电量不明显。通过现场初步考察及同类设备运行改造经验，我们认为该烧结环冷机余热回收系统存在的主要问题为：

（1）环冷机热风烟罩内热烟气速度紊乱分布，在余热烟气抽吸口处集中，热风烟罩内的烟气流动是紊乱的，局部有漩涡。

（2）烧结环冷机热风烟罩长宽比较大，现有余热回收系统利用在环冷机热风烟罩上开多个吸风口。但由于环冷机台车是运动的，而上面的热风烟罩是固定的，因此在环冷机热风烟罩与环冷机台车之间不可避免存在缝隙，缝隙宽度一般在30～100mm。这就导致了每个吸风口附近在吸入热烟气的同时也从缝隙中吸入了大量的外部冷空气，而远离抽气口的烟罩内的热烟气则不能全部被吸到吸入口，部分热烟气从缝隙往外冒，导致整体余热资源品质大幅降低。

（3）环冷机余热回收系统中其他冷热源交界面的泄露。

（4）烧结矿透气性好，更大比例的烧结余热随烟气进入大烟道，进入环冷机的余热比同面积的烧结机相对减少，这也是造成余热发电功率基数（约1800kW）相对较低的原因，工艺及矿料造成环冷机可利用余热相对较小的因素可通过提高生产操作水平得以提升，但是提升的空间有限。

从以上原因分析来看，提升红钢烧结低温发电机组发电效率的关键就在于如何解决好环冷机烟罩内烟气紊流、漏风和其他热量损失这三个问题。

3.项目的技术原理

广州市瑞溥能源环保科技有限公司发明专利“阶梯式自密封余热回收系统”（专利号：ZL201410264795.7）是一种用于烧结冷却机热风罩烟气系统的高效余热回收的新方法新工艺，通过运用此专利技术形成的专利设备“烟风抽吸设备”实现环冷机余热烟气余热的高效回收。它包括高低温烟风抽吸装置、清灰系统及烟风智能控制系统等。设备通过合理的结构设计，重新整合热风罩内高温烟气的流场，消除热风罩内烟气的紊流，并对热风罩与冷却机台车间的间隙形成自然的屏蔽。通过引导而非堵截实现环冷机热风与环境冷空气之间的密封。

阶梯式自密封技术并非传统意义上的密封方式，而是通过增设高低温抽吸装置，对烟罩内烟气流场进行控制及调整来实现热风烟罩与环冷机台车间缝隙处压力为0～50Pa，使整个热风烟罩内的抽吸力基本平均分配。这时，抽口附近烟罩位置处外部的空气不能进入到烟罩内，余热资源的品位得到了有效保证；离抽口较远的烟罩位置，通过抽吸设备调整控制有相同的抽吸力，热烟气通过抽吸设备进入到抽口，不会外逸，增加了余热回收量。这样就实现了热风烟罩与环冷机台车之间缝隙的密封。以下是该项目改造前后的建模计算模型、以及测量参数曲线。

图3-1： 改造前压力分布图 图3-2：压力分布图模型优化

图3-3：温度分布图模型 图3-4：流量分布图模型优化

图3-5： 改造前烟罩内部质量流量图

图3-6：改造后烟罩内部质量流量图 图3-7：改造后的流场分布图

注：改造前烟罩内烟气流量随烟罩长度波动剧烈，在抽口附件位置流量最大，为离抽口较远位置流量下降非常明显。烟气流量波形图所示波峰功能波谷所构成风量有效面积较小，烟气焓无法均衡回收利用。改造后烟罩内烟气流量随烟罩长度方向趋于平稳，烟气流量波形图所示，波形曲线构成烟风流量有效面积较改造前明显增加，烟气焓实现均衡回收利用。

综合以上图示，通过技术改造，增设专利设备，可以实现热风烟罩与台车间的缝隙自密封，确保通过烟风抽吸装置能把烟罩内可用高温热烟气抽吸至烟管以供余热锅炉回收利用，减少冷空气进入烟罩以及减少热风漏出烟罩，实现高温烟气高效回收与利用。

4.项目技术改造方案及实施

本项目通过系统性综合能效诊断，应用阶梯式自密封专利技术及专利设备最终实现环冷机余热电站发电量提升。主要包括：增设烟风抽吸设备，达到烟气流场的合理分布，均衡烟罩内负压，消除窄缝处吸入冷空气现状，实现环形烟罩烟温梯级利用，提高烟气余热利用效率；最大程度消除余热回收系统影响回收效率的因素。主要技术措施如下：

4.1现场数据测量与收集

由广州瑞溥公司组织技术力量对现有的余热电站的实际运行参数及烧结生产情况进行跟踪和参数收集，必要时将对实际运行参数进行测量，整个参数收集及数据测量过程大约需要20天左右。在此过程中，需要业主单位炼铁厂和动力厂配合相关的工况调整工作，对多种引风机工况下余热回收系统及电站的运行参数进行收集对比，取得详细完整的运行数据，以便对系统现存的问题进行恰当的诊断。同时，将联合红钢相关部门利用检修停机间隙，进入烧结环冷机热风烟罩内实地查勘，收集系统优化原始数据及资料。

4.2抽吸设备设计及系统优化方案设计

现场数据收集后，广州瑞溥将通过中科院广州能源研究所的仿真模拟技术模拟本系统在各种工况下的运行状态，确切地掌握本电站余热系统的运行规律，同时结合同类工程经验对烧结冷却机余热回收系统进行合理优化设计，设计制作热风抽吸设备。设备设计依据原则：最大限度地消除外部环境对余热回收系统的不利因素，有效阻挡环冷机周围冷空气进入热风烟气系统，实现烟罩内高温烟气的梯级回收与高效利用，实现发电负荷最大化。系统优化设计以最大程度的降低原余热回收系统对环冷余热回收效率的影响为基本原则。

4.3技改方案实施与工艺调试

利用260m²烧结机设备停机检修对冷却机余热回收系统实施改造方案，停机安装时间约为4天，安装后进行系统调试，技改工作的安排以不影响生产为原则。首次安装完成后，利用15天左右的生产时间进行调试并测量改造后的余热回收系统参数，由于环冷机余热回收影响因素较多，安装完成后利用后续1到2次检修间歇对抽吸装置进行调整，具体根据测量获取改造后实际运行参数而定。

图4-1：现场图

5.效果评价

2020年1月下旬完成改造以来，在同比2019年一季度烧结产量下降67117t的不利条件下，红钢低温发电机组作业率从70%提高到90%以上，日均发电量增加1.31万kWh，烧结工序吨烧结矿扣动力回收量（蒸汽）从34.19kg/t提升到46.36kg/t、折合降低烧结工序能耗1.26kgce/t。

参考文献

【1】叶 涛主编.《热力发电厂》.北京：中国电力出版社，2006

【2】宋琳生主编.《电厂金属材料》.北京：中国电力出版社，2006

4