摘要：钢铁行业采用烧结设备的剩余热量来发电被视为一种核心的节能和减少排放的策略。可是，由于烧结机的机械设备出现故障和定时进行维修，导致发电机组频繁地处于开关状态，进而对发电效率和稳定性造成了不小的负面影响。此研究围绕此问题提出了在烧结余热回收环节加入高炉煤气补燃炉的策略，并对其在各种烟气温度下的表现以及优化方法进行了深入的分析。研究数据显示，在烟气温度介于275~300℃的高温阶段，使用补燃煤气能够达到峰值效率，进而显著提升发电系统整体的能效性能。经过数据收集和数据分析，优化了补燃炉的操作方式，从而减轻了烧结机暂停操作对电力供应连续性的不良影响，这为钢铁行业在节能和提高效益方面提供了关键的技术依据。

　　关键词：烧结余热发电；煤气补燃；效率分析

　　能源是社会发展的基础，也是国民经济生产的命脉，但现阶段的能源结构和资源禀赋决定了能源相对紧张的内部环境。在此环境下，一系列的用能单位在控制好自身用能的同时，尽可能地多回收能源，如钢铁行业一方面在不断减少自身工艺所消耗的煤矿、焦炭、矿石等的原料，另一方面也在不断尝试更多的回收能源，提高能源效率。

　　作为钢铁企业在生产过程中所必备的烧结工序，烧结矿的加热烧熟过程中消耗了大量的焦粉、矿石等能源，生产出适合高炉使用的烧结矿，在此生产工艺过程中，烧结矿由热态变为冷态的过程中又会释放出大量的热。通过不断对工艺的改进，将烧结矿在环冷机上冷却期间的热量进行回收，利用循环风机将热烧结矿的热量转换到循环烟气中，并利用余热锅炉将循环烟气中的热量转换到过热蒸汽，从而推动汽轮机发电。

　　在烧结机实际的生产过程中，受到产量和设备本身等因素的影响，经常需要进行停机或控制产量，这些措施虽然有助于高炉的冶炼和烧结机设备的运行，但对以烧结矿余热为热源的发电机组造成不利影响：一方面因为控产不能有效地发挥发电机组的最大效能，另一方面也因烧结的开停机导致发电机组需被迫停机，在开停机期间造成能源的浪费和能源效率的降低。

　　1烧结发电现状

　　某钢铁企业220m2烧结机采用环形环冷机，热回收段分为两段，分别是高温段和低温段。烧结的环形环冷机设有五台鼓风机，主要用于冷却烧结矿，在其末端还设有水喷淋系统，确保烧结矿上皮带温度低于120℃。热回收的两段烟气分别进入锅炉进行热量的交换，并产生过热蒸汽用于推动12MW的汽轮机发电。换热后的烟气经循环风机返回烧结环冷机的高温和低温段，进行循环利用。

　　烧结因设备、控产及其他原因开停机次数83次，累计时间长达524h，虽然有些停机时间只有30~90min，但对于余热发电，由于烧结环冷机处于停机状态，无法提供足够多的热量，虽然操作工进行了降低循环风机频率的操作，用于缓慢提取烧结矿里面的热量，降低发电机组的负荷，但该种方法可维持的时间有限，一般为20~25min内有效，长时间机组被迫停机，且往往恢复到正常发电状态时，至少需要3~4h，一方面增加了开停机期间的能源损失，另一方面对机组设备的稳定运行带来不利。

　　2新增烧结烟气补燃炉

　　2.1当前发电机组运行参数

　　发电机组配套的锅炉能力为75t/h，实际产汽量约为31t/h；发电机组的装机容量为15MW，实际发电约为5.5MW；烟气管道的设计温度为385℃,实高温段际运行约为300℃。

　　2.2设计思路

　　企业从整体效益出发，首先减少烧结机故障，其次寻求一种能够在烧结机停机期间，临时维持发电机不停机的方案。通过技术对比以及该企业当前三个月的煤气放散率0.3%的高炉煤气平衡情况，计划在烟气道中增加一套高炉煤气补燃炉。

　　该补燃炉设有3个烧嘴，最大煤气用量为3万m3/h。烧嘴设在补燃炉的底部，采用切角布置。烟气与原有烧结烟道进行“T”型连接，并采用导流片将烟气均匀分布在管道内，管道外壁及管道内设有热电偶，接入DCS控制系统，实时监控温度，避免局部温度过高对设备的稳定运行及安全带来不利影响。

　　2.3补燃炉工作模式

　　该补燃炉的工作模式，其一，正常生产模式下，开一个烧嘴消化部分高炉煤气，该在该种工作模式下，其主要作用是根据煤气放散调节其烧嘴煤气用量，确保不放散；其二，在烧结机异常故障停机或是8h以内的计划检修时，通过再增开两个烧嘴，优先保证发电机组不停机（如图1）。无论在哪种模式下，都增加了烧结发电机组的负荷，且减少厂用电。

　　3补燃效率分析

　　3.1分析的必要性

　　烧结余热发电机组的运行工艺是朗肯循环的一种，其在某个工况下能够达到最佳的效率点，在高于或低于这个最佳工况的范围，效率变得相对下降，相对地造成能源不经济和浪费。同时在实际的钢铁企业中，除了设有余热发电外，也会投运纯使用煤气的发电机组，这些煤气发电机组的效率比余热机组的效率更高，这就导致生产过程中的煤气只有在富余时才能给该烧结余热发电的补燃炉进行使用，这就更加需要对这套带有补燃系统的余热发电效率进行分析，在保证钢铁企业煤气发电的同时，尽可能地提高该系统的发电效率，在不同的烧结运行模式、高气发生量等模式下，进行求得发电效率与煤气使用之间的最优解，提高整个发电系统的效率。

　　3.2数据采集及整理

　　利用企业现有的能源系统，对涉及补燃效率的数据进行采集，采集的频次考虑到系统承受能力以及计算精度，设计为5s/次。采集的数据主要包括高温段烟气温度、低温段烟气温度、循环风机风量、煤气流量、补燃炉炉膛温度、发电负荷等参数，并设定了这些数据能够从能源系统中导出。便于数据的分析和整理。

　　考虑到钢铁企业生产实际情况，利用在高炉检修煤气不足期间，全停补燃炉用煤气15天，这样更能有效地测得数据，并将其对比，能够真实地测算出补燃在哪个工况下的效率最优。

　　3.3函数设定

　　建立针对发电能耗的函数模型，寻找出最佳的能耗区间。

　　f′（t、q、N）=0（1）

　　式中：t为高温烟气温度，℃;q为煤气流量，m3/h；N为发电机负荷功率，kW。

　　通过对数据的导出，首先对在没有煤气状态下的发电负荷N与高温烟气t之间进行数据分析，从图2可以看出，二者总体呈现正相关趋势，但很难求解出一个一次函数用于描述现场实际的发电功率N和高温烟气温度t之间的关系，说明现场真实发电的能源转化过程中的影响因素很多，且有不确定性现象，需要对分析进行简化。

　　结合现场的实际工况，对分析模型进行简化，简化为利用区间量进行分析，即将高温烟气从250℃开始，每25℃进行统计一个在该范围内，有煤气补燃和没有煤气补燃这两种状态下的发电负荷和煤气流量参数，这样问题简单化可行化进行处理，从而找出某个高温烟气温度区间下相对更为高效的提升发电效率，数据如表1所示。

　　表1中的能耗计算方式为：

　　式中：q为煤气流量，m3/h；ΔN为发电增量，kW。

　　从表1中可以看出，在序号为3的工况下煤气效率最高。

　　4结论

　　结合现有设备的实际工况，在没有改造和工艺变更的前提下，通过系统对数据的收集和跟踪，并对数据进行归纳分析，在原始设计函数时，发现不能准确有效地测算出想要的结果，即在某一高温循环烟气范围内，找出最佳效率工况点。再次对数据进行分析，结合生产实际，对计算函数进行优化，通过直方图的形式求解出高温烟气在275~300℃这个区间范围内时，既能满足操作工人工调整的可操作性，又能保证整个系统的能源效率达到最优解，进而提升发电量。

　　后期继续对发电的效率进行研究分析，希望通过自动化的测算模型替代当前操作工根据高温烟气量进行控制的方式，进一步优化和提升整个系统的效率，并能够减少工人的劳动强度。

        参考文献：

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