引言传统钢铁生产流程中，烧结工序产生的热量约有50%没能得到应用，将这些热量回收利用已经成为各大钢铁企业节能减排的重要手段，出现大量余热回收技术和工艺[1-3]。SHRT利用余热产蒸汽，由蒸汽推动汽轮机从而拖动主抽风机运转，与其他技术相比，该技术具有生产运行安全、投资成本低、能量转换率高等优点[4-6]。刘雁飞[7]对比余热发电、SHRT和主抽风机汽轮机拖动工艺的优缺点，以3种工艺的实例为研究对象，对工艺的使用现状和理论合理性进行分析，研究指出SHRT结合了电机拖动主抽风机和汽轮机拖动主抽风机工艺的优势，技术含量高，为烧结余热利用开拓了新的思路。贾江平[8]等提出SHRT技术，介绍SHRT技术的技术特点、运行思路及机组效益，以江苏省镔鑫特钢材料有限公司200 m2烧结生产线为例，讨论SHRT技术的经济及社会效益。吴天月[9]分析了240 m2烧结机利用SHRT技术的应用实例，阐述SHRT技术在实际设计中的工艺配置特点和装机方案，预估SHRT技术在240 m2烧结机中应用经济效益，确定SHRT技术可以节约能源，发展前景可观。目前对SHRT技术的研究主要集中在机组技术优化和经济节能效益分析方面，对SHRT技术在整个烧结系统中设计和优化的研究较少。基于曲靖呈钢240 m2烧结SHRT系统的设计和生产实践，以余热锅炉机组和SHTR机组为例，探究SHRT系统的设计特点和技术优势，并针对性提出改进措施，为后续烧结厂SHRT系统设计生产提供参考。1项目概况云南曲靖呈钢钢铁（集团）有限公司（以下简称呈钢）新建一条240 m2烧结生产线，配套环冷机冷却面积为295 m2，环冷机配备10台鼓风机，生产过程中烧结大烟道及环冷机中产生大量高温烟气，设计余热回收系统对大烟道及环冷机产生的余热进行高效回收利用。项目余热采集部位为靠近烧结机终点的13#~15#风箱和环冷机1#、2#烟囱共两个部分。经计算，建设37 t/h环冷机余热锅炉1套，8 t/h烧结机余热锅炉1套，SHRT机组2套，7 500 m³/h循环冷却水系统1套，余热回收及拖动系统采用DCS控制方式。2SHRT系统设计呈钢240 m2烧结机SHRT系统主要由余热锅炉机组和SHRT机组构成。余热锅炉机组的作用是收集利用烧结机和环冷机产生的余热，用于生产具有一定温度和压力的蒸汽，并将蒸汽运输至SHRT机组；SHRT机组的作用是利用汽轮机将蒸汽转化为机械能，直接驱动主抽风机运转。与传统余热发电供应主抽风机运转的工艺相比，SHRT系统可以省略“热能→电能→机械能”的中间能源损失，提高余热能量回收效率。2.1余热锅炉机组余热锅炉机组由烧结机大烟道内置式余热锅炉和环冷机余热锅炉组成。呈钢240 m2烧结SHRT系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.021.F001图1呈钢240 m2烧结SHRT系统流程（1）环冷机余热锅炉。烧结环冷机分两段取风，高温段烟气从环冷机1#烟囱取风，引至余热锅炉上部的中压过热器，低温段烟气从2#烟囱取风，与来自1#烟囱的经过热器换热后的烟气混合，混合后的烟气按顺序进入余热锅炉中压蒸发器、中压省煤器、低压过热器、低压蒸发器和凝结水加热器，排气温度约145 ℃，余热锅炉的排气通过循环风机送回环冷机冷却烧结矿，循环风机前另接一路冷风口，调节风机进口温度。余热锅炉检修时，环冷机1#、2#烟囱放散阀打开，1#、2#取风管道上的烟气阀门关闭，烟气从环冷机烟囱排空，环冷机需要的冷却风由原环冷鼓风机供应。考虑烧结环冷机的烧结料量变化和烧结料厚度对循环风机运行的影响，循环风机风量采用变频器进行调节，电动风门或入口挡板作辅助调节。（2）烧结机大烟道余热锅炉。为了利用烧结机大烟道13#~15#高温风箱的废气，在大烟道烧结终点处的风箱之间布置锅炉的蒸发器和省煤器等，产生1.7 MPa的饱和蒸汽。为了避免露点腐蚀，采用合理的受热面布置，控制机尾区域大烟道部位高温烟气的取热温降，从而控制从大烟道进除尘器的烟气温度，使烟道温度高于露点温度，达到安全生产的目的。（3）汽水系统。大烟道内置锅炉产1.7 MPa、200 ℃的高压饱和蒸汽，运输至环冷机余热锅炉中，与环冷机余热锅炉产生的蒸汽混合过热，得到1.6 MPa、350 ℃的中压过热蒸汽，并送至汽轮机做功。在设计阶段，为了提高环冷机的低温段烟气余热利用率，将环冷机余热锅炉设计为双压锅炉。高温段烟气在锅炉内高压侧加热饱和蒸汽，生产过热蒸汽送至汽轮机做功，低温段烟气在锅炉内低压侧生产0.5 MPa、200 ℃低压饱和蒸汽作为补气，送至汽轮机做功。双压锅炉的设计提高了蒸汽产量和环冷机烟气余热利用率。环冷机烟气系统配备循环风机，环冷机高温一段和二段产生的热烟气经环冷机余热锅炉热交换，经循环风机加压再次循环至环冷机，进行烧结矿的鼓风冷却，环冷机余热锅炉排出的烟气温度为140 ℃左右，避免了自然空气对烧结矿骤冷而产生的粉化，提高了余热烟气热量的利用率，同时避免了环冷机烟气的无组织排放，环冷机余热锅炉底部设计灰斗，对环冷机除尘和矿料回收具有一定效果。2.2SHRT机组SHRT机组由汽轮机、变速离合器、同步电动机和烧结主抽风机组成，汽轮机与烧结主抽电机间利用变速离合器连接，同步电动机与烧结主抽风机仍为传统连接方式。呈钢烧结SHRT机组布置如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.021.F002图2呈钢烧结SHRT机组布置SHRT系统将余热回收的能量转化为旋转机械能补充在轴系上，同机同轴驱动烧结主抽风机，避免传统的机械能转化为电能、电能再转化为机械能的二次能量转化效率损失，与传统余热发电相比，节能效率提升3%~6%。SHRT系统将余热回收发电机组与烧结主抽风机机组合并为1套机组，实现岗位人员优化，节省余热发电系统厂房投资费用以及并网发电的上网费用。（1）烧结主抽风机和同步电机。烧结主抽风机采用双吸入进气形式，机壳为钢板焊接结构，机壳内有耐磨衬板，进气室装有风门调节门，并附有调节门传动机构，可以设定调节风量大小。风机进气温度为130 ℃，进口风压为-17.5 kPa，出口风压为+0.5 kPa，变频启动，工频运行，每个轴承设置1支铂热电阻测温元件。同步电机为双出轴结构，励磁形式为有刷励磁，额定功率为5 000 kW，额定功率为50 Hz，同步转速，电机可发电运行。（2）汽轮机和离合器。呈钢240 m2烧结SHRT系统汽轮机选用陕鼓提供的双进气补汽凝汽式工业汽轮机，采用上进汽和向上排汽的结构，设计主蒸汽(1.6 MPa、350 ℃)加补蒸汽(0.5 MPa、200 ℃)，排气压力为0.01 MPa，转速为5 600 r/min，额定功率为4 300 kW。离合器速比选用5 600/1 509，传动比为3.71。（3）汽轮机机组配套设施。汽水系统采用双通道四流程凝汽器、凝结水泵，抽真空系统采用水环真空泵。润滑油和调节油共用油泵站，采用板式换热器调节润滑油温度，并配备油过滤器，过滤精度≤10 μm。汽轮机盘车采用电动盘车装置，汽轮机带有机械超速脱扣装置。3设计优化呈钢240 m2烧结机自投产以来，通过不断优化余热利用SHRT系统的参数，以不同工况条件下的烧结机电单耗指标为基准，探究最优节能参数指标，总结相关经验[10]。3.1提高锅炉蒸汽产量在生产实践阶段，技术人员发现控制烧结终点以提前增加大烟道锅炉蒸汽产量时，会造成烧结矿落到环冷机后温度降低，降低环冷机余热锅炉蒸汽产量，并存在过热蒸汽温度降低，从而影响汽轮机效率的问题；通过控制烧结终点滞后增加环冷机余热锅炉蒸汽产量，但大烟道锅炉蒸汽产量明显降低，且烧结返矿率升高，同时环冷机余热锅炉烟道系统温度超出设计范围，长时间运行对设备损伤较大。通过摸索，烧结机终点温度控制为(470±20) ℃时，大烟道锅炉蒸汽产量和环冷机余热锅炉蒸汽产量均超出设计蒸汽产量5%~10%。烧结工艺采用厚料层操作，会降低烧结机机速，延长尾部高温烟气停留时间，使烧结矿成品率升高，保证了两套锅炉系统蒸汽产量的稳定性。通过尝试不同环冷机料层厚度发现，适当降低环冷机料层厚度能够使环冷机余热锅炉蒸汽产量增加2%~5%，降低环冷机高温段烟气温度波动，有利主蒸汽参数稳定。3.2提高汽轮机做功效率汽轮机的蒸汽参数选型与双压锅炉蒸汽设计参数一致，但生产过程中余热锅炉产生的蒸汽需要从环冷机区域送至主抽风机区域，路径的直线距离为220 m，加上弯管段的压力损失后，整体压降为0.07~0.09 MPa，温度降低10~15 ℃。为了保证汽轮机运行参数与设计参数接近，发挥汽轮机的最大做功效率，将环冷机余热锅炉主蒸汽参数调整为1.65 MPa、360 ℃，汽轮机做功效率得到提高，拖动功率增加30~70 kW。凝汽器对汽轮机做功效率的影响明显，呈钢烧结机项目海拔高度为2 077.3 m，理想真空度能够达到-80 kPa，冷凝器投用初期的循环水浊度较高，造成凝汽器内部换热器结垢，换热效率降低，真空度仅能够保持-55 kPa，汽轮机排气温度为55~70 ℃。通过改善循环水水质，增加凝汽器在线清洗系统后，真空度能够达到-70~-75 kPa，汽轮机排气温度降低至44~52 ℃，汽轮机做功效率得到改善，拖动功率增加100~120 kW。3.3综合能效生产实践SHRT系统通过余热锅炉产生蒸汽，汽轮机拖动主抽风机进行余热资源的回收利用，但维持系统运行仍需要消耗电能，如循环风机、循环水泵、冷却塔冷却风机、除盐水系统水循环等，所以余热回收能量扣减自耗电后才是SHRT系统有效回收余热资源。环冷机烟气系统分两段，从环冷机取烟气，第一段高温烟气设计温度430 ℃，第二段低温烟气330 ℃。通过实践对比，在循环风机风量一定的情况下，增加了一段烟气流量，主蒸汽产量增加，汽轮机做功效率提高，拖动功率增加。环冷机余热锅炉烟气系统，保持一段和二段取风烟罩内负压，能够增加余热锅炉取烟气量，将环冷机第三段部分烟气应用至余热回收部分，进而增加补汽产量。循环风机采用变频调速控制，在生产工况稳定的情况下，增加循环风机频率能够增加环冷机余热锅炉蒸汽产量，但同时增加l 循环风机自耗电量。不同循环风机频率情况下蒸汽产量和自耗电量如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.021.T001表1不同循环风机频率情况下蒸汽产量和自耗电量项目试验1阶段试验2阶段试验3阶段试验4阶段试验5阶段试验6阶段试验7阶段循环风机频率/Hz35373942454850循环风机有功功率/kW8479851 1761 3601 6101 9502 240主蒸汽产量/(t/h)26.629.936.539.740.241.843.1补气产量/(t/h)2.53.94.65.26.37.58.4循环风机低频率运行时，虽然自耗电少但热量回收量少，随着循环风机频率增加，蒸汽量增加，自耗电量增加。通过实践对比发现，循环风机频率增加至43 Hz，蒸汽发电量与自耗电量的差值变化不大，但从设备运行角度分析，较高频率运行对设备磨损增大。因此，适宜于呈钢烧结生产条件下的循环风机频率控制为39~43 Hz，能够取得较好经济效益。提高烧结机利用系数能够增加吨矿蒸汽产量，进一步分摊其他设备运转的耗电量，有利于降低烧结电单耗。烧结生产的利用系数和蒸汽产量如表2所示。产量提升时，蒸汽量充足，拖动主抽风机运转后能量仍有富余，主抽电机能够实现反送电进一步降低烧结电耗。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.021.T002表2烧结生产的利用系数和蒸汽产量指标项时间段2021年12月2022年1月2022年2月2022年3月利用系数/[t/(m2·h)]1.601.701.751.80大烟道锅炉蒸汽产量/(kg/t)18.519.219.620.5环冷锅炉蒸汽产量/(kg/t)97.598.298.45102.54结语（1）SHRT系统的汽轮机、变速离合器、同步电动机和烧结主抽风机同轴布置技术成熟可靠，整合了烧结余热资源回收和主抽风机系统，对岗位人员优化和统筹管理生产起积极作用。（2）设计方面，采用双压锅炉，增加凝汽器清理系统，生产上方面调节烧结时间、烧结温度、料层高度、环冷机锅炉蒸汽压力等生产参数，均能够增加蒸汽产量、提高汽轮机做功效率。（3）烧结工序的余热资源回收和自耗电为综合效益，不能单纯追求余热资源的回收而忽视其自耗电，需要探究适宜的生产参数，从而提高生产效益。