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烧结炉余热利用技术在EPC项目中大有作为
本文通过武钢三号1×360m2烧结环冷机烟气余热回收利用在合同能源管理(EPC)模式下的研究与探讨，对实际工艺流程的优化、相关设备的密封改造，以及竣工后运行操作过程中节能效果的测试、验证等方面的详细阐述，有助于合同能源管理工作在高耗能行业的开展和普及。虽然说烧结环冷机余热回收是个很传统而成熟的技术，但是在合同能源管理模式下开展的项目尚在少数，本文以期为今后钢铁行业节能减排，为烧结工序余热回收项目采用EPC模式等方面提供示范参考与借鉴。亦期望同行的专家、学者能给予指导和斧正。
一、用心挖掘节能减排潜力
钢铁行业作为共和国的脊梁和支柱产业之一，对国家经济增长和国防力量的强大贡献可以说功不可没。与此同时，钢铁生产的高能源消耗问题也日益突出，引起的生态环境恶化已成为威胁我中华民族生存和发展的重大问题，日见负面。冶金行业专家们悉知，据统计：炼铁工序的能耗约占钢铁生产总能耗的55-60%之多，其中烧结工序的能耗约占钢铁生产总能耗的10%-12%左右，是仅次于炼铁工序的第二大高能耗单位。在烧结工序总能耗中，烧结机烟气和环冷机排放的烟气又占约近50%的热能。据统计我国烧结工序的废气余热回收利用率尚不到30%，约一半以上的烧结炉尚未采取回收利用措施。而德国和日本的有效回收利用率却高居98%左右。烧结工序的能耗现状与国际先进水平，尚存在较大的差距，每吨烧结矿的平均能耗要多出近20kg标煤。因此节能潜力也就颇大[1]。全球人均钢铁占有量约为190kg/P;而我国人均钢铁占有量约在690kg/P，是世界人均占有量的3.6倍。我国钢铁总产能因此高居全球之首，多达八、九亿吨，能耗量之巨大，必然是我国节能减排的重点。
钢铁行业中烧结炉余热利用技术是一项传统的成熟技术，并非全新的技术工艺。烧结工艺余热回收主要分为两大部分，其一、是烧结矿的显热占烧结过程总带入热量的44.5%，环冷机烟气温度在100～420℃之间变化[2]，高温段的烟气温度可达350～420℃;其二、是烧结机烟气显热占烧结过程总带入热量的约23.6%，随着物理及化学反应的不间断进行，烧结末端烟气温度明显上升，机尾风箱高温段排出的废气温度达300～380℃之高[3]。以前这些显热由于认知或技术，还有能源价格的原因未加以利用就直接排放。这样，不仅热能被白白浪费，还对环境造成极大的负面影响。
烧结生产过程中余热锅炉吸收可利用的烟气热能，通过余热锅炉可副产蒸汽为企业生产、生活提供便利，并减少额外的能源消费。
德国蒂森钢铁公司施韦尔根厂及日本的和歌山厂将烧结机的卸矿处和冷却机烟气收集罩装上三级循环冷却器，出口与电除尘相连，同时还与烟气脱硫装置相连，该系统能将每小时烧结矿可回收的显热总量约为40GJ，相当于一台烧结机每小时输入总热量的6-7%左右[4]。
通过烧结炉烟气低温余热锅炉回收烟气的低品位余热能源产生过热蒸汽，并入工厂蒸汽管网，供给全厂的蒸汽用户计量计价使用。还有少量的低压饱和蒸汽满足厂内生产生活需要，诸如加热水及其他需要等。鉴于厂内因蒸汽使用有不小的缺口，有时尚需向邻近火电企业购买一定量的蒸汽，故此余热利用相应填补了自身需求的不足，还减少了对外购蒸汽的不菲支出，不啻是一举两得之妙策良方。
二、缜密研判寻求适用技术设备
余热利用的关键工艺流程，即将环冷机收集罩进行密封和保温改造。密封改造还可分为不同方式，如磁性密封、液体密封以及其他密封。根据矿料冷却温度不同，分为一段、二段收集罩;同时对环冷机原有烟囱密封处理，只保留一、二段每段各一个烟囱，既可以对空放散，又可以取用烟气通入余热锅炉。再经循环风机将利用过的低温烟气鼓回环冷机下风箱，从而组成一个烟气密闭循环的系统，提升烧结炉燃烧温度，并可同时替代原有环冷鼓风机，降低环冷机的电耗量。
本项目所用余热锅炉及辅机体积比较庞大，在原有烧结炉环冷机周围，并未预留合理足够的地方和空间，这对我们改造施工造成很大难题和挑战，只有采用混凝土框架支撑的方法，将余热锅炉及附属设备竖向布置在环冷机余热收集段的正上方，虽说这样增加投资和施工的难度与风险。然而，将原有收集罩烟囱进行改造，增加阀门及保温，并引出取风管送至余热锅炉进风口。经余热锅炉利用后的烟气通过循环风机再回到环冷机下风箱内，形成烟气密闭循环。这样布置，缩短了烟风管道的长度，****限度的降低阻力损失，使循环更加紧凑，充分利用了烟气余热，同时也在很大程度上减少了烟风管道材料的用量，减少了不少的材料费用支出，节约部分投资。施工过程对烧结炉生产的影响也降低到最小限度。这样一来，缺乏空间、场地的关键难题就迎刃而解啦。
设计中，为提升余热锅炉效率，使其达到高、低温段兼顾利用。特研究采用双压复合循环(立式双进气)，并运用模块化设计原理。从高温段到低温段依次由五部分换热模块组成，模块下部设置灰斗及卸灰阀。锅炉换热管为螺旋翅片管形式，换热面积增大，换热面积可达150平米/立方米。从而换热效率得到大幅度提升。锅炉本体烟气阻力不高于1150Pa。烟气流通过程为：将取自收集罩一段的高温烟气通入高参数过热器，之后与取自收集罩二段的烟气汇合并依次通入之后的各个换热模块。高参数汽包汽水循环产生参数为1.8MPa、不少于32T/h的过热蒸汽，并通过高参数过热器过热到360℃;低参数汽包(兼除氧器)汽水循环产生参数约为0.7MPa、不少于8T/h的饱和蒸汽;产生的两种不同规格的蒸汽均并入厂区供汽管网以供使用。上述烟气余热采用分级回收与梯级利用技术，****限度地实现了烧结环冷机烟气余热的高效回收利用，即所说的“榨干吃净”式的梯级高效利用。
在环冷机改造过程中，如若对环冷机的收集罩、台车及下风箱之间的密封组件安装配置不到位或存在质量问题。不仅会大幅度减小烟气的再循环利用率，降低循环烟气温度，而且还会大幅增加循环风机的负荷。同时，对这些缺陷的再处置将会非常的困难，必须等待烧结工序较长时间的停产冷却后，才能进行局部处置整改。不光是余热利用不能开展，连烧结工序的正常生产也受到很大干扰。
在余热回收改造之前调研中，原有环冷机台车及收集罩漏风较明显，在原有1#、2#鼓风机全开的情况下，余热收集段下风箱风压也只有约1.5KPa左右，这种密封缺陷导致环冷机收集罩、台车及下风箱之间的漏风率达到30%～40%，甚至更严重些，经过实地考察对比，最终采用北京京诚科林环保科技有限公司的专利密封技术，对原有环冷机密封进行改造。上密封采用复合材质挂帘：将收集罩与台车间的刚性缝隙，通过柔性挂帘来弥补，不仅漏风明显减少，使收集罩形成一定程度微负压状态;而且，柔性挂帘外观简洁、美观，不易积尘。
下密封采用复合材质动静密封组：在环冷机台车内部制作动密封，与台车一同沿环冷机轨道运动，弥补台车与下风箱间的内部缝隙;在环冷机台车外部制作静密封，固定在下风箱外侧，弥补台车与下风箱间的外部缝隙。动静有机相结合，从而达到密封的良好效果。
与此同时，对余热回收段收集罩进行改造封堵，消除死角，使收集罩内压力均等，对各个收集段间及收集段与非收集段间都进行有效隔断，并对收集罩增加外保温，有效降低热辐射损失。
经过上述密封改造后，余热锅炉运行时，在关停环冷2#鼓风机的情况下，环冷余热收集段下风箱的风压从改造前1.5KPa提高到2.0KPa以上。同时，环冷机收集罩内风压也在-100pa~0pa之间，形成了一定程度的微负压状态。
通过以上设备的布置及改造，将一段收集罩取风温度从改造前360℃左右，提高到400℃以上;二段收集罩取风温度从改造前300℃左右，提高到330℃以上。提高了余热锅炉进口烟气的温度，也增加了锅炉生产的过热蒸汽能力。
通过环冷机密封改造，使余热收集段下风箱风压从改造前1.5KPa提高到2.0KPa以上，又使环冷机收集罩形成一定程度的微负压，并关停了环冷2#鼓风机。这样一来，环冷机烟气的漏风量大量减少，提高了风机利用效率，降低风机电耗，同时减少了二次扬尘，周围环境也得到了良好改善。
根据本工程烧结实际运行情况，考虑停机因素的影响，锅炉冬夏季平均产汽量在30~32t/h，折合每小时节约3.2t标煤，年可节约25000t标煤。根据上述产汽量，以及市场条件下的实际使用价格，每个月的直接经济效益约为220~240万元左右，扣除水、电费等消耗，每月净收益约在200万元左右，节约产值的确不菲。
本项目改造非但没有增加大气污染物的排放，反而将原来直接向空排放的高温废气回收后进行利用，废气尘粒主要成份为矿料，经余热回收装置收集后加以回收利用，大幅度减少了环冷机的烟尘排放，环冷机余热回收段烟气每小时排放量约60万标立方米，烟气含尘量大，增设余热锅炉前，此部分含尘烟气对空直接排放，造成周围的粉尘污染。参照中电联的排放标准，经计算，增加余热回收锅炉后，年可减少对外烟尘排放两万多吨，对大气环境保护具有非常积极重要的意义。
三、科学导入合同能源管理摸式
当我们发掘到节能的潜力所在之处，又具备了先进的设备与技术后，并不等于项目已经具备成功必要条件。因为目前国家经济下行的压力较大，钢铁企业又面临调整转型和淘汰落后过剩产能的双重压力，节能减排又是刚性指标，必须坚持开展并落到实处。那么资金从何处来?如何规避所面临的资金、技术、生产等风险?如何才能互利多赢?这就要求我们必须科学合理地引入一种****模式。即合同能源管理机制。
20世纪70年代中期，世界首现能源危机后，一种基于市场的，全新的节能项目投资机制即“合同能源管理”(EnergyPerformanceContracting,简称EPC.)在市场经济国家中发展起来，而基于合同能源管理这种节能项目投资新机制运作专业化的“节能服务公司”在美、加等国发展十分迅速。在我国，经过十余年引进、培育、支持，从而加快合同能源管理在国内的壮大发展，尤其是2010年12月30日，财政部、国家税务总局出台了财税【2010】110号文件，规定中给与节能服务公司前所未有的税收优惠，为节能服务产业带来了更大的发展机遇和上升空间。目前节能服务产业已经颇具规模。十二五末，节能服务企业达5426家，从业人员约45万，总产值3127.3亿，年均增长30.2%。
节能服务公司的特点是专业技术性强，融资渠道多，具有丰富的项目管理经验。节能服务公司的出现，使节能减排成为一种独有行业，敢冒风险，以专业化的研究、收集、试验各种节能减排措施的盈利为目的，组织创新行为极大推动节能技术的发展，培育市场，有效促进能源节约与环境保护。采用此模式与方法，可克服众多企业在实施节能项目时所遇到种种困难和障碍，诸如能效诊断、节能技术和项目方案选择，项目融资和管理风险等等。
本项目采用这种模式的话，必将给客户方——亦即武钢公司免去承担筹资、技术、生产管理、运营维保及其他各种风险，且不必操作维护的状况下，就可坐地分享相应的节能效益，合同期满60个月后，节能设备及节能量全部无偿转让给武钢公司。
总之，合作双方还可得到国家给予的的各种税收减免优惠，所以，引入合同能源管理机制是双方合作多赢的不二智慧选择。
四、节能减排效益与分享计算方法
合同能源管理项目我们吸收采纳了多项北京京诚科林环保科技有限公司的专利技术及产品，不仅有效地降低了冶金行业烧结工序的能耗量和提升了排放标准。同时有力增强了武钢公司的产品在国际国内市场的竞争力和经济效益空间，也为国内同类企业的烧结工序节能降耗改造提供了可供借鉴与参考示范的典型实例。纵观国内同行业状况，此项目已达到国内领先水平，大幅度地缩小了与德、卢、日等国际先进技术水平的差距。随着国家节能减排政策的严格要求，企业低碳环保意识进一步增强，烧结余热回收利用技术在全国的推广和普及必将会更加广泛，北京动力源科技股份有限公司，将竭诚为用户提供余热余能利用最终解决方案。此合同能源管理项目的竣工投产，是北京动力源科技股份公司继2015年在武钢高炉鼓风脱湿技术项目获得EMCA2015年度合同能源管理优秀示范项目全国第三名后，又一项合同能源管理方面的成功新项目。
一个合同能源管理项目工程的建设完成，只是合同能源管理项目的万里长征走完了第一步，仅仅是个开始，还有许多事情要做。如实际节能量的测试与验证，余热利用的结果是两种蒸汽，而非标煤，如何折算分享?这些蒸汽按何种标准折算为经济效益，也就是人民币，合作双方又按何种比例计算，才是合理公平分享，这才是最关键核心的问题。
2015年底，项目试车成功投产后，经计量和测试，余热利用工程副产过热蒸汽和饱和蒸汽。其中过热蒸汽压力1,5Mpa;温度350~380度，产量30t/h;经查蒸汽热焓值确定吨汽可折108kgce/t;而饱和蒸汽压力为0.7Mpa,温度180度，产量6~8t/h;吨折标煤95kgce/t。相当于余热回收利用每小时节约标煤3.3065吨，年烧结炉利用按实际工作时间8000h计算，总计年节约标煤为26452吨。参照中电联的排放标准年可减排二氧化碳6.6万吨，二氧化硫195.8吨，氮氧化物222.2吨。另外，每年还可依据烧结矿的产量除尘一万多吨。如此一来，武钢烧结矿吨能耗下降了6.6~8.0kgce/t。达到50kgce/t烧结矿以下，参照武钢年鉴数据，此指标应该是全国烧结行业先进水平。与国际先近水平相比较，几乎追上了一半的差距，是可喜可贺的不菲成绩，突破性的进步。为践行全球气候变化巴黎协议，还大众以蓝天白云做出了应有的贡献。
节能收益计算公式如下：
月节能收益值=【月汽收益总价+鼓风机节能总价—月补净水消耗总价—月余热回收系统耗电】x調整分配系数(满12个月調整一次，双方预先商定比例);
在计算公式中有一个调整系数，是表明节能服务公司在合同能源管理项目执行初期，鉴于资金、技术、人员、服务投入较大，所以分享比例要高，随着合同期的延伸，投资的逐步回收，或者蒸汽价格随市场的波动，从而形成一个确定的公平合理的单值函数，它只根据以上两种因素变化而变化，方能排除某些人为的不确定因素。从而确保双方的利益。这样直至合同能源管理项目期满，节能公司将全套余热利用设备以及节能量全部无偿赠给客户方。至此一个完整的合同能源管理项目全部结束。
实行合同能源管理项目，对于高耗能企业来说还有两大好处，其一：通过项目可以有效降低钢铁行业的综合能耗，也降低了烧结工序的能源消耗，从而提升企业产品在市场上的竞争力，扩展了企业的经济效益空间。尤其在市场经济下行压力大，钢铁产能过剩的状况下，企业将跻身行业先进行列，甚是难能可贵。其二，国家已有政策出台，请第三方对耗能企业进行碳审核后，可确认本身碳排放的先进地位，并将减排放的碳投放到国家碳交易市场，取得不菲的经济效益。
从任何可行的环节入手，降低石化能源的消费，减少环境污染物和温室气体排放，加快生态文明建设，最终在实现既定经济发展目标的同时，积极创新节能减排新技术、新模式，重现蓝天、绿地、山青、水秀的锦绣生态环境。