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摘要：在钢铁工业中，烧结工序的能耗仅次于炼铁工序。从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析，烧结余热发电是烧结余热回收利用的最有效途径。针对烧结发电系统开展优化设计研究，将中低温余热最大限度地加以回收与发电，既能实现钢铁企业节能降耗目标，又能为钢铁企业进一步降低生产成本，具有重要的理论和现实意义。
关键词：烧结余热；余热回收；全局夹点技术；系统优化
1. 引言
在我国钢铁企业中，烧结工序的能耗在吨钢综合能耗中约占15%，仅次于高炉炼铁工序[1]。烧结工序的余热资源包括由环冷机废气携带的烧结矿显热和烧结机烟气携带的燃烧废气显热两部分，其中，环冷机废气显热占烧结工序热量的40～45%，烧结机烟氣显热占到15～20% [2]。环冷机废气温度根据冷却部位一般在100～450℃之间变化；烧结机烟气的量比较大，温度一般不超过150℃，在烧结机尾风箱排出的烟气温度为350℃左右。两种余热资源在300～450℃温度之间的废热烟气热量占总余热资源量的30～40%，而在300℃以下的低温废热烟气热量占到总余热资源量60%以上。
2.夹点技术
2.1 夹点技术的定义
夹点技术是过程能量集成方法中应用最为广泛、获得的经济效益最为突出的一种新型节能技术。该理论以热力学理论为基础，以经济效益为目标函数，对换热网络进行优化设计[3]：它首先依据已定的能量目标，建立一个具有最大热回收量或最小公用工程量的换热网络；再结合最大能量回收和夹点温度，通过各换热器之间的合理匹配，以换热设备数量最少为目标，对换热网络进行优化设计，以减少设备投资费用，从而获得最优换热网络[4]。
夹点技术以?分析理论为基础，在考虑系统各设备之间相互关联的同时，又结合能量的合理回收利用和实际经济效益等因素，对系统进行综合优化分析，从而形成了一套集经济、实用、可行、优化于一体的完善的全局理论体系[5]。
2.2 夹点技术的应用
夹点技术起源于换热网络设计，经过不断的研究和发展，因其简便易行、效果显著等诸多优点，得到日益广泛的应用，自九十年代以来，对夹点理论的研究思维逐步发展成为过程综合方法[6]，其应用领域涉及公用工程、热工与动力系统、热泵循环、精馏序列及蒸发干燥分离系统等几乎所有的化工过程。应用夹点技术，可以通过不断改进能量回收系统，实现能量的最优匹配，对热量进行最大化利用；在热力学分析的基础上，对工厂建设投资和操作费用加以评估，并提出解决办法，对整个能量系统进行经济性评价，降低投资费用；在能量回收的同时考虑对环境造成的影响，以三废排放最少为目标进行优化，真正实现节能减排。
钢铁企业是落实节能减排工作的最重要部分。对钢铁企业的余热资源合理回收利用也得到了许多专家学者的重视，对它的理论研究有很多，本文在之前研究的基础上，将全局夹点技术引入到钢铁企业余热回收利用系统的优化分析中，对钢铁企业余热回收利用中典型的烧结余热发电系统进行详细优化研究。
3.烧结余热发电系统的全局优化分析
3.1 物流选择和数据分析
能量系统首先需要进行能量平衡和物料平衡数据的提取，其中物料平衡数据需要依赖质量流率得到。能量平衡计算相对较为复杂，它的原始数据包括温度、热负荷和物料平衡计算得到的流量，在能量平衡计算中热损失是允许的，并可通过对物料平衡进行修正得到更真实的能量平衡数据。
烧结余热发电系统简化模型可看成是由余热回收和余热利用两个系统组成，余热回收系统包括烧结环冷机组和余热锅炉两个子系统，余热利用系统包括余热锅炉和蒸汽轮机发电机组两个子系统，如图3.1所示。
图3.2a和图3.2b分别给出了烧结余热发电系统的余热回收子系统和余热发电子系统两个换热过程的温度-热量图。由于烧结矿显热放热量固定，因此烧结环冷机组中冷空气携带的热量一定，此处物流选择遵循热量有变化而组成不变的原则。进行热交换得到的烧结环冷废热烟气与余热锅炉内的工质进行物流组合时，可以通过改变余热锅炉生产的过热蒸汽温度、压力等工质参数来调整废热烟气与锅炉进口工质之间的换热量，因此可以满足物流选择准则。
利用烧结余热发电系统进行余热回收，烧结矿经由烧结环冷机组鼓风产生大量的高温废气，环冷机组内高温废气与料层换热传递，高温废气再通过余热锅炉受热面进行换热产生不同压力等级的过热蒸汽或饱和蒸汽；这些蒸汽进入相应等级的多级汽轮机做功转换为机械能，最后经由发电机发电并输送给用户。由图中可以看到，烧结余热发电系统完成余热发电过程共有两个热力循环过程，一个是余热回收，一个是余热利用。
3.2 系统的全局优化分析
以图3.1中的烧结余热发电系统为例，烧结环冷机组内的高温废热气按照温度的不同分为S1、C11、C12、C21、C22三路共五股，系统中的余热锅炉等级为单压、双压，这三路高温废气被引入至余热锅炉内与工质进行热交换，产生中、低压两股压力等级的过热蒸汽H1、H2M、H2L、H3M、H3L，具体的冷热物流数据如表3.1所示。
由表3.1可知，S1、C11、C12、C21、C22为热物流，H1、H2M、H2L、H3M、H3L为冷物流。以烧结余热发电系统作为全局分析对象，热物流总负荷为156951.5kW，其中被回收利用的负荷为81692.6kW，它占总的热负荷的52.05%。因此，从全局系统分析，该余热发电系统仍有较大的余热回收利用空间。
图中，H1、H2M、H2L、H3M、H3L分别表示曲线分布中热源或热阱产生或加热的蒸汽。从图中可知，全局夹点下方，系统中各压力等级的蒸汽产生增加或需求减少会使得整个系统做功能力增大，因此可对该系统进行全局能量调优。在此情况下可有两种方式：使热源蒸汽产生增加或热阱需求蒸汽减小，图中分别如横线部分和竖线部分所示。具体操作有：可通过适当提高S1、C11、C12、C21、C22的温度将全局热源曲线上移，进而使热源蒸汽产生增加，S1、C11、C12、C21、C22为烧结环冷机组冷却废热烟气，其温度大小与烧结矿料给料速度、烧结层厚度、烧结矿料颗粒尺寸、鼓风量、循环风等参数有关；还可适当的提高余热锅炉部分H1、H2M、H2L、H3M、H3L初始温度，并尽量减少系统的蒸汽损失，从而使热阱需求蒸汽减小。
由图3.3可知，若以“能量梯级回收利用”为调整目标，烧结环冷机组冷却废热烟气S1、C11、C12、C21、C22可按不同温度等级划分成合理的温度段，并引入相应余热锅炉中对应的受热面。这就遵循了系统按质用能，能尽其用的原则，实现了系统余热回收的优化。同时针对余热锅炉内各受热面热回收量，还可对余热锅炉受热面排布进行合理布置，这对整个设备的复杂程度并无太大变化，但会使余热回收系统回收利用余热最大[7]。
4. 结论
本文在夹点技术的基础上，对钢铁企业烧结余热回收系统中的烧结余热发电系统进行全局能量优化理论的讨论。结合烧结余热发电系统流程，阐述在钢铁企业烧结余热发电系统中如何进行能量物料平衡计算、物流选择、数据提取；最后以某钢铁企业余热回收利用中的烧结发电为例，通过对比系统在不同工况下的能量回收情况，从热能全局优化的角度出发，结合全局能量分布曲线和全局温焓曲线结合的方法，对系统全局能量优化理论开展图形化、可视化的分析研究。
参考文献：
[1]蔡九菊，杜涛，陈春霞等. 钢铁企业余热资源的回收利用及关键技术研究. 2007中国钢铁年后论文集，2007，408 - 417.
[2]董辉，王爱华，冯军胜等. 烧结过程余热资源回收利用技术进步与展望[J]. 钢铁，2014，49（9）：1 - 9.
[3]高维平，杨莹，韩方煜. 换热网络优化节能技术[M]. 北京：中国石化出版社，2004.
[4]宋昌奇. 夹点技术在石油化工中的应用[D]. 西北工业大学硕士学位论文，2005.
[5]孟继安，牛继舜，王立安. 夹点技术基本原理与应用[J]. 黑龙江石油化工，1997，2：1 - 4.
[6]张济民. 夹点技术及其应用[J]. 化学工程师，2004，105（6）：45 - 46.
[7]姚华. 伴生气联合循环系统全局能量优化与（?）评价[D]. 浙江大学博士学位论文，2013.
关键词：烧结余热；余热回收；全局夹点技术；系统优化
1. 引言
在我国钢铁企业中，烧结工序的能耗在吨钢综合能耗中约占15%，仅次于高炉炼铁工序[1]。烧结工序的余热资源包括由环冷机废气携带的烧结矿显热和烧结机烟气携带的燃烧废气显热两部分，其中，环冷机废气显热占烧结工序热量的40～45%，烧结机烟氣显热占到15～20% [2]。环冷机废气温度根据冷却部位一般在100～450℃之间变化；烧结机烟气的量比较大，温度一般不超过150℃，在烧结机尾风箱排出的烟气温度为350℃左右。两种余热资源在300～450℃温度之间的废热烟气热量占总余热资源量的30～40%，而在300℃以下的低温废热烟气热量占到总余热资源量60%以上。
2.夹点技术
2.1 夹点技术的定义
夹点技术是过程能量集成方法中应用最为广泛、获得的经济效益最为突出的一种新型节能技术。该理论以热力学理论为基础，以经济效益为目标函数，对换热网络进行优化设计[3]：它首先依据已定的能量目标，建立一个具有最大热回收量或最小公用工程量的换热网络；再结合最大能量回收和夹点温度，通过各换热器之间的合理匹配，以换热设备数量最少为目标，对换热网络进行优化设计，以减少设备投资费用，从而获得最优换热网络[4]。
夹点技术以?分析理论为基础，在考虑系统各设备之间相互关联的同时，又结合能量的合理回收利用和实际经济效益等因素，对系统进行综合优化分析，从而形成了一套集经济、实用、可行、优化于一体的完善的全局理论体系[5]。
2.2 夹点技术的应用
夹点技术起源于换热网络设计，经过不断的研究和发展，因其简便易行、效果显著等诸多优点，得到日益广泛的应用，自九十年代以来，对夹点理论的研究思维逐步发展成为过程综合方法[6]，其应用领域涉及公用工程、热工与动力系统、热泵循环、精馏序列及蒸发干燥分离系统等几乎所有的化工过程。应用夹点技术，可以通过不断改进能量回收系统，实现能量的最优匹配，对热量进行最大化利用；在热力学分析的基础上，对工厂建设投资和操作费用加以评估，并提出解决办法，对整个能量系统进行经济性评价，降低投资费用；在能量回收的同时考虑对环境造成的影响，以三废排放最少为目标进行优化，真正实现节能减排。
钢铁企业是落实节能减排工作的最重要部分。对钢铁企业的余热资源合理回收利用也得到了许多专家学者的重视，对它的理论研究有很多，本文在之前研究的基础上，将全局夹点技术引入到钢铁企业余热回收利用系统的优化分析中，对钢铁企业余热回收利用中典型的烧结余热发电系统进行详细优化研究。
3.烧结余热发电系统的全局优化分析
3.1 物流选择和数据分析
能量系统首先需要进行能量平衡和物料平衡数据的提取，其中物料平衡数据需要依赖质量流率得到。能量平衡计算相对较为复杂，它的原始数据包括温度、热负荷和物料平衡计算得到的流量，在能量平衡计算中热损失是允许的，并可通过对物料平衡进行修正得到更真实的能量平衡数据。
烧结余热发电系统简化模型可看成是由余热回收和余热利用两个系统组成，余热回收系统包括烧结环冷机组和余热锅炉两个子系统，余热利用系统包括余热锅炉和蒸汽轮机发电机组两个子系统，如图3.1所示。
图3.2a和图3.2b分别给出了烧结余热发电系统的余热回收子系统和余热发电子系统两个换热过程的温度-热量图。由于烧结矿显热放热量固定，因此烧结环冷机组中冷空气携带的热量一定，此处物流选择遵循热量有变化而组成不变的原则。进行热交换得到的烧结环冷废热烟气与余热锅炉内的工质进行物流组合时，可以通过改变余热锅炉生产的过热蒸汽温度、压力等工质参数来调整废热烟气与锅炉进口工质之间的换热量，因此可以满足物流选择准则。
利用烧结余热发电系统进行余热回收，烧结矿经由烧结环冷机组鼓风产生大量的高温废气，环冷机组内高温废气与料层换热传递，高温废气再通过余热锅炉受热面进行换热产生不同压力等级的过热蒸汽或饱和蒸汽；这些蒸汽进入相应等级的多级汽轮机做功转换为机械能，最后经由发电机发电并输送给用户。由图中可以看到，烧结余热发电系统完成余热发电过程共有两个热力循环过程，一个是余热回收，一个是余热利用。
3.2 系统的全局优化分析
以图3.1中的烧结余热发电系统为例，烧结环冷机组内的高温废热气按照温度的不同分为S1、C11、C12、C21、C22三路共五股，系统中的余热锅炉等级为单压、双压，这三路高温废气被引入至余热锅炉内与工质进行热交换，产生中、低压两股压力等级的过热蒸汽H1、H2M、H2L、H3M、H3L，具体的冷热物流数据如表3.1所示。
由表3.1可知，S1、C11、C12、C21、C22为热物流，H1、H2M、H2L、H3M、H3L为冷物流。以烧结余热发电系统作为全局分析对象，热物流总负荷为156951.5kW，其中被回收利用的负荷为81692.6kW，它占总的热负荷的52.05%。因此，从全局系统分析，该余热发电系统仍有较大的余热回收利用空间。
图中，H1、H2M、H2L、H3M、H3L分别表示曲线分布中热源或热阱产生或加热的蒸汽。从图中可知，全局夹点下方，系统中各压力等级的蒸汽产生增加或需求减少会使得整个系统做功能力增大，因此可对该系统进行全局能量调优。在此情况下可有两种方式：使热源蒸汽产生增加或热阱需求蒸汽减小，图中分别如横线部分和竖线部分所示。具体操作有：可通过适当提高S1、C11、C12、C21、C22的温度将全局热源曲线上移，进而使热源蒸汽产生增加，S1、C11、C12、C21、C22为烧结环冷机组冷却废热烟气，其温度大小与烧结矿料给料速度、烧结层厚度、烧结矿料颗粒尺寸、鼓风量、循环风等参数有关；还可适当的提高余热锅炉部分H1、H2M、H2L、H3M、H3L初始温度，并尽量减少系统的蒸汽损失，从而使热阱需求蒸汽减小。
由图3.3可知，若以“能量梯级回收利用”为调整目标，烧结环冷机组冷却废热烟气S1、C11、C12、C21、C22可按不同温度等级划分成合理的温度段，并引入相应余热锅炉中对应的受热面。这就遵循了系统按质用能，能尽其用的原则，实现了系统余热回收的优化。同时针对余热锅炉内各受热面热回收量，还可对余热锅炉受热面排布进行合理布置，这对整个设备的复杂程度并无太大变化，但会使余热回收系统回收利用余热最大[7]。
4. 结论
本文在夹点技术的基础上，对钢铁企业烧结余热回收系统中的烧结余热发电系统进行全局能量优化理论的讨论。结合烧结余热发电系统流程，阐述在钢铁企业烧结余热发电系统中如何进行能量物料平衡计算、物流选择、数据提取；最后以某钢铁企业余热回收利用中的烧结发电为例，通过对比系统在不同工况下的能量回收情况，从热能全局优化的角度出发，结合全局能量分布曲线和全局温焓曲线结合的方法，对系统全局能量优化理论开展图形化、可视化的分析研究。
参考文献：
[1]蔡九菊，杜涛，陈春霞等. 钢铁企业余热资源的回收利用及关键技术研究. 2007中国钢铁年后论文集，2007，408 - 417.
[2]董辉，王爱华，冯军胜等. 烧结过程余热资源回收利用技术进步与展望[J]. 钢铁，2014，49（9）：1 - 9.
[3]高维平，杨莹，韩方煜. 换热网络优化节能技术[M]. 北京：中国石化出版社，2004.
[4]宋昌奇. 夹点技术在石油化工中的应用[D]. 西北工业大学硕士学位论文，2005.
[5]孟继安，牛继舜，王立安. 夹点技术基本原理与应用[J]. 黑龙江石油化工，1997，2：1 - 4.
[6]张济民. 夹点技术及其应用[J]. 化学工程师，2004，105（6）：45 - 46.
[7]姚华. 伴生气联合循环系统全局能量优化与（?）评价[D]. 浙江大学博士学位论文，2013.