130m2烧结环冷机余热锅炉及发电系统设计.docx
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设计任务书
学院 专业 级
学生姓名：
毕业设计题目：
130m2烧结环冷机余热锅炉及发电系统设计毕业设计内容：
根据昆明钢铁股份公司130m2烧结机环冷机完成余热发电系统设计计算；主要内容：
（1）130m2烧结机环冷机给定参数,完成锅炉的热力设计。
（2）利用设计方法设计余热锅炉的炉型和各种受热面。
（3）根据余热锅炉各种受热面作热力校核计算。
（4）根据余热锅炉热力计算选择汽轮发电机组，完成其热力系统设计与计算。
（5）计算可用excel电子表格进行计算（6）利用计算机CAD
软件绘制余热锅炉总体图1张（1#）。
热力系统图1张（1#），余热锅炉受热面图1张（1#）。
设计指导教师：
（签名）主管教学院长：
（签名）
2010年6月7号
前言
毕业设计不仅是对大学四年所学知识的总结，也是对我能力的一次考验，这对我们以后的工作有很大帮助。
这次的设计课题为130
m2烧结环冷机余热锅炉及发电系统设计，本次设计的目的是加深对理论和概念的理解，完成一项工程设计，熟悉余热锅炉及发电系统
50
冶金与能源学院热能与动力工程
2006级毕业设计
设计的一般步骤，熟悉相关设计规范、手册、标准及工程实践中常用的方法以及把所学知识和现实有机联系起来。
本说明书根据设计任务书给定的设计参数，参考相关设计资料
，综合实际经验，从各个方面考虑对130m2烧结环冷机余热锅炉及发电系统进行设计和计算。
在设计之初，翻阅了大量的相关资料，在昆明钢铁厂进行了参观，对余热锅炉的整体构造及控制有了直观的感受，对这次设计起到了重要的作用。
在本次设计中指导老师在百忙之中倾注了大量的时间和精力，给予了必要的指导，再此表示由衷的感谢。
由于毕业设计时间仓促，工作量较大，设计的知识面较广，加之设计经验有限，不妥之处在所难免，请各位老师指正。
摘 要
昆明钢铁股份有限公司5MW低温余热电站利用昆钢第三烧结厂烧结线
环冷机生产过程中产生的热风，采用成熟的低温余热发电专利及专有技术
，自行设计，投资，承包建设的一座补气凝气式纯余热发电余热电站。
该电站设计发电功率5000kw，年运行设计时间8000小时，年发电能力3.6*E07
该设计利用各种设计方法设计余热锅炉的炉型和各种受热面，根据余热锅炉各种受热面作热力校核计算，最后根据余热锅炉热力计算选择汽轮发电机组，完成其热力系统设计与计算，并作图。
关键词：
余热锅炉；热力系统设计；热力系统计算；
Abstract
KunmingIron&SteelCo.,Ltd.5MWwasteheatpowerstationusingthethirdsinterplantofKunmingSteelwireringcoolerhotairgeneratedintheproductionprocess,Itusessophisticatedpatentedandproprietarylow-temperaturewasteheatpowergenerationtechnology,todesign,investment,constructionofacontract-stylepureqicondensableheatcogenerationpowerplant.Powergeneratingstationdesign5000kw,powerplantdesigntimetorun8000hoursonanannualgeneratingcapacityof3.6xE07，Inthispaper,weusekindsofdesign
methodsandavarietyoffurnacewasteheatboilerheatingsurface,accordingtoavarietyofwasteheat
boilerheatingsurfaceforheatcheckingcalculation,calculationofthefinalselectionbasedwasteheatboilerturbinegeneratorset,completesystemdesignandcalculationofitsthermodynamicandmapping.
Keywords:
HRSG（heatrecoverysteamgenerator）；Thermal
systemdesign；ThermalSystemcalculation
目录
绪论 8
第一节 余热现状 8
第二节 昆钢余热状况 11
第三节 昆钢余热锅炉 13
第一章 初始参数确定及热力初步计算 16
第一节 初始参数的确定 16
第二节 热量的初步分配 17
第三节 方案设计 19
第四节 焓温表和焓温曲线 20
第二章 锅炉热力计算 21
第一节 锅炉结构 21
第二节 过热器热力计算及尺寸确定 23
第三节 蒸发器热力计算及尺寸确定 26
第四节 省煤器热力计算及尺寸确定 29
第五节 热水段热力计算及尺寸确定 32
第三章 汽轮机及发电机选型 34
第四章 热电厂热经济性评估 36
第一节 热经济性评估方法 36
第二节 主要热经济性指标 38
第五章 余热锅炉环境评估 42
第六章 总结 44
参考文献 45
绪 论
第一节余热现状
随着现代化工业的快速发展，世界性的能源危机日趋加剧，一方面，世界各国在积极寻找可替代能源，另一方面，则是采取各种措施节能降耗，提高能源利用率，这方面日本等工业先进国家走在了世界的前列。
钢铁工业技术的不断发展使其节能技术取得了长足的进步，钢铁联合企业所产生的高温余热余能已被推广应用，而对于烧结等（在钢铁、水泥、建材、化工、陶瓷等行业，每天24小时都有大量低于400℃的中低温烟气、废蒸汽、废
热水等余热资源向外排放，它们携带的能量属于中低温余热。
如果不加以利用
，则大量的余热余能将被白白浪费）工序所排放的低于400℃的低温余热高效回收则是钢铁企业所面临的重大技术难题。
在日本等发达国家其烧结低温余热已被广泛应用，而在国内虽然钢铁行业都认识到烧结低温余热发电项目在技术上是可行的、效益也是显著的，但该项目在我国钢铁行业的普及推广止步于进口设备的昂贵财务成本和国产设备的技术障碍。
对于国内钢铁企业而言，无须怀疑烧结低温余热发电系统的可行性，我们所要做的是突破技术障碍，进而实现产业化。
上述技术障碍，对于余热锅炉而言，最大的难点是在经济合理的条件下如何最大限度地提高余热回收量。
因为低品位意味着巨大的换热面积，只有降低受热面成本才能提供高性价比的产品；而高粉尘带来的是粉尘附着造成传热性能降低，甚至恶性堵灰事故造成可靠性降低。
目前企业对余热余能的主要利用方式：
一种是直接利用其热能供生产或生活需要，受种种条件限制，其利用率非常低；另一种是利用生产线余热资源将其转换成使用方便、输送灵活的电能，可供研究选择的余热发电技术方案主要有以下几种：
1、带补燃的余热发电技术。
由于使用了补燃锅炉，整个系统比一个小型的火力发电厂还要复杂，运行起来更为麻烦，而小型的火力发电厂效率低，污染大，浪费资源。
国家已经明令不得再建小型的火力发电厂。
因此，为了利用低品位的余热而附加上一个“小型的火力发电厂”是不合理的。
2、不带补燃锅炉的低温余热发电技术。
由于没有补燃锅炉，不对环境产生附加污染，蒸汽参数较低，其运行操作简单方便，运行的可靠性和安全性高。
其所用的汽轮机必须专门设计和制造。
设计时要全面权衡系统各部分的得失，采用最合理的热力系统和最先进的热能工程技术，尽可能地降低投资、提高效率和发电量，对用户最有利、运行成本最低，日常的运行管理也最简单。
因此
，对用户来说，这是负担最轻，收益最高的余热回收方式。
3、使用低沸点工质的工业余热发电技术。
这是一个很热门的低品位热能发电技术。
这种技术使用低沸点工质代替水来发电，其优点是在较低的温度下，低沸点工质仍然有较高的饱和压力，因而其比容小。
这样，蒸汽管道和汽轮机的尺寸就可以大为缩小，从而可以降低投资。
但是，使用低沸点工质的缺点也是显而易见的：
首先，低沸点工质多数是易燃易爆或是有毒的物质，其危险性大，安全问题突出。
一旦这些工质泄漏将对环境造成污染。
其次，长期运行后这些低沸点工质多数会劣化，其再生和提纯十分麻烦。
因此，除非不得已，一般不应考虑采用这种发电方式。
4、全流循环低温余热发电技术。
严格地说，这种技术仅适用于热水型的余热，热水直接进入全流膨胀机膨胀做功。
这比先把热水减压闪蒸出低压蒸汽，蒸汽再进入汽轮机作功的方式来说，在理论上可以多发电30%左右。
但目前这项技术还处于早期研究阶段，还存在一些难以逾越的技术困难。
实用化前景还比较渺茫。
因此，目前暂不考虑这种发电方式。
烧结过程中可供利用的余热占钢铁厂总热耗的12％。
其中烧结矿的余热占8
％，烧结废气余热占4％，而冷却机废气和烧结烟气的显热约占烧结过程全部热支出的50％。
将这些气体的余热充分回收并加以高效利用，将是烧结工序节能的重要途径和发展趋势。
但是，余热回收也存在许多问题:
各企业的余热回收水平不一，对余热的重视程度不够，余热利用技术开发有待继续提高，余热系统的投入不够。
第二节 昆钢余热状况
昆明钢铁集团有限公司以“大处着眼，小处着手”的节能降耗原则，通过对生产工艺系统进行改造提升，把原来排放掉的煤气、氧气、余热蒸汽回收利用，使公司每年节约１０多万吨标准煤，减少企业外购电成本开支达到７０００万元。
该公司是国家特大型工业企业和全国５２０家大企业之一,在早些时候，昆钢在生产中所产生的煤气、剩余氧气都通过燃烧进行放散。
据有心人估计,当时每天仅排放的煤气、氧气价值“相当于一辆桑塔纳轿车”，不仅每年给企业带来煤气１５亿立方米、氧气２０００多立方米的损失，而且使整个工厂附近长期被“黑灰污染”困扰。
对此，公司近年来通过对动力厂３台７５ｔ／ｈ燃煤锅炉进行以烧高炉煤气的改造，一方面节约了燃煤消耗，把原来白白放散的煤气全面回收利用。
同时，公司投巨资改造了炼钢转炉、烧结环冷机等的余热蒸汽回收系统，以回收蒸汽替代置换锅炉部分负荷用于１２ＭＷ、１５ＭＷ发电机组、ＴＲＴ发电项目，使公司自发电装机能力达到３３ＭＷ，年自发电达２．５亿千瓦时，节约企业生产成本，减少了外购电力对社会用电产生的压力
。
为了更好利用工业生产产生的“余热”，变废为用，目前昆钢正在针对３台７５ｔ／ｈ锅炉积极开展在燃气情况下提高负荷及燃气轮技术运用的研究，在生产中采用蓄热式燃烧新技术的试点也取得了成功。
最近,昆钢还兼并整合了昆明焦化制气厂，着力打造昆明市的“第二气源”。
余热利用，是提高企业用能水平，降低单位产品能耗，提高经济效益的重要措施，是建设节约型企业，实现企业循环经济的重要手段，随着能源形势的变化，余热利用日益受到重视。
余热利用是根据余热资源的数量、品质和用户需求，尽量使能级匹配，在满足技术经济的条件下，选择适当的系统和设备，使余热发挥最佳效果。
按照余热资源回收利用的可行性与紧迫性，一般按余热资源利用投资回收期和利用率将余热资源分为三个等级：
一等余热资源如650℃以上高温烟气，可燃性气体、废液、废料，供热系统冷凝水，建材窑炉中用于干燥坯料的低温烟气等，二等余热资源如300－650℃中温烟气，80℃以上冷却水等，三等余热资源如300℃以下低温烟气，500℃以上排渣等。
近年来，昆钢高度重视余热资源的利用，较高品位的余热得到较好地回收利用，为进一步提高公司用能水平，促进公司吨钢综合能耗进一步降低，决定对公司低品位余热资源进行调研。
第三节昆钢余热利用的目的和意义
昆钢两台130㎡烧结机所产烧结矿的显热主要用于生产蒸汽，目前其实际饱和蒸汽产量约为16t/h（压力约0.4MPa，温度约为110℃），由于受压力、温度等因素的制约，加之用途有限，现生产及生活实际用汽量仅为4～5
t/h，其余均被大量放散。
据考察，国内大多数钢铁企业都存在该种情况。
本项目研发成功并实施后，可在现有的烧结生产装备及工艺技术条件下，利用烧结矿显热产生过热蒸汽约27.54t/h，回收软水可循环使用，同时结合热水闪蒸所产饱和蒸汽进行发电，平均小时发电量可达为4500kW，年均发电量可达3600×104kW，可使烧结工序能耗降低
2kgce/t。
随着我国人口的不断增加和经济的快速发展，资源相对不足的矛盾将日益突出，合理地利用和节约现有的宝贵资源将是我国今后确保经济可持续发展的关键所在。
节约资源、改善环境状况、提高经济效益，实现资源的优化配置和可持续发展将是我国国民经济和社会发展中的一项长远战略方针。
社会主义市场经济的建立和不断完善，使我国的经济建设日益蓬勃且快速健康地向前发展，在此带动之下，我国的钢铁产量已雄居世界第一，钢铁工业的建设规模和技术水平也有了长足的进步，但钢铁工业是一个传统的高耗能行业，目前国内钢铁行业普遍存在大量余热、余能未被利用或即便通过付出代价回收后，因为没有足够的用户和有效的利用方法，又被大量放散的现象，这不仅造成二次能源的大量浪费，而且会造成环境污染。
最大限度地进行余热余能的综合利用已成为钢铁企业挖掘节能潜力、提高节能水平的重要途径。
世界上技术先进的钢铁企业余热余能利用率已达90％以上，如日本新日铁钢铁公司的余热余能回收利用率为92％，其企业能耗占成本的比例是14％。
我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在30～50％，其能耗占生产成本的30
～45％，宝钢余热余能回收率达到68％以上，其能耗占生产成本的比例不到20
％。
因此，我国钢铁工业余热、余能的回收利用潜力还很大，可带来的经济效益也是巨大的。
本项节能工程主要是低温余热回收发电，属于国家十大重点节能工程中的第三大项，同时也属于国家“十一五”建设节约型社会的重点支持对象。
随着世界能源危机的不断加剧，低温余热利用技术将成为近几年国家对钢铁工业的
一项很重要的节能要求。
因此，昆钢作为云南省的大型钢铁工业企业之一，实施本项目具有如下重要意义：
1、扩展昆钢余热、余能资源的利用范围，提高昆钢余热资源利用效率。
2、通过对烧结矿显热的回收，可降低炼铁生产成本，减少二氧化碳排放量
。
3、该项目研发成功后，可以为昆钢烧结工序降低一次能源消耗量、软水量
和减少外购电量，有利于资源综合利用发展循环经济。
4、填补云南乃至中国钢铁企业不能依靠自主知识产权，利用烧结矿显热产生蒸汽发电的技术空白。
据相关文献、资料显示，目前国内利用烧结矿显热发电的钢铁企业，只有马鞍山钢铁公司于2005年9月引进日本技术建成的一套，用
2台300
m2烧结机所产烧结矿余热发电项目，其年发电量约为6300万kWh，平均每平方烧结面积年发电量为10.5万kWh，而本项目实施成功后预计每平方烧结面积年发电量为13.8万kWh。
5、可为云南工业企业拓宽低温余热资源利用范围做出示范，为推动云南的节能降耗做出一定的贡献。
通过低温余热蒸汽发电技术在三烧2台130㎡烧结环冷机烟气余热回收系统的应用研究，找到提高昆钢烧结矿余热回收利用效率的有效途径，产生良好的示范效果，以利于今后本技术在昆钢下属的红河钢铁公司2×90㎡烧结机、玉溪新兴钢铁公司2×90㎡烧结机、本部拟新建的300㎡烧结机、红河钢铁公司和玉溪新兴钢铁公司分别拟建的200㎡烧结机等相对大型化的烧结设备上配套、推广
，并为具有“有色金属王国”之称的云南省有色工业在金属冶炼生产中使用的矿热炉、烧结机等设备的余热回收利用技术水平提升，做出有益的应用示范。
第一章 初始参数确定及热力初步计算
第一节初始参数的确定
通过到昆钢的实地实习收集到数据，将所收集的初始参数整理如下：
表1.1.1：
初始参数：
序号
项目
单位
数据
1
烟气条件
2
进口烟气量
Nm³/h
450000
3
烟气含尘量
g/Nm³
2
4
入口烟温
℃
380
6
出口烟温
℃
92
8
锅炉蒸发段
9
额定蒸发量
t/h
40
10
额定蒸汽压力
MPa
1.87
11
额定蒸汽温度
℃
330
12
给水温度
℃
70
13
排污率
%
5
14
锅炉热水段
15
热水流量
t/h
115
16
热水压力
MPa
0.37
17
热水温度
℃
140
18
给水温度
℃
70
19
排污率
%
5
第二节热量的初步分配
表二：
初步分配
序号
名 称
符号
单位
公式及数据来源
结果
1
烟气量
G
m³/h
450000
2
烟气进口温度
T
℃
已知
380
3
烟气进口焓
h1
KJ/m³
插值法
513.6278
4
烟气出口温度
T
℃
已知
92
5
烟气出口焓
h2
KJ/m³
插值法
120.4461
6
总烟气散热量
Q0
KJ/h
Q=G*（h1-h2）
176931765
7
给水温度
T
℃
已知
70
8
给水焓
h3
KJ/kg
插值法
293.29
9
省煤器出口水温
T
℃
先假定，计算后校核
160
10
省煤器出口水焓
h4
KJ/kg
插值法
676.31
11
额定蒸发量
G0
t/h
已知
40
12
排污率
已知
5%
13
省煤器吸热量
Q1
KJ/h
Q1=G0*（1+5%）*（h4-h3）
16086840
14
锅筒压力
P
Mpa
1.87
15
锅筒饱和蒸汽温度
T
℃
查水与水蒸汽焓表
209
16
饱和蒸气焓
h5
KJ/kg
插值法
2796.88
17
蒸发器吸热量
Q2
KJ/h
Q2=G0*（1+5%）*（h5-h4）
89063940
18
额定蒸汽温度
T
℃
已知
330
19
额定蒸汽压力
P
Mpa
已知
1.8
20
额定蒸汽焓
h6
KJ/kg
由T.P查表
3097.49
21
过热器吸热量
Q3
KJ/h
Q3=G0*（1+5%）*（h6-h5）
12625620
22
锅炉蒸发段吸热量
Q4
KJ/h
Q4=Q1+Q2+Q3
117776400
23
热水段给水温度
T
℃
70
24
给水焓
h7
KJ/kg
293.29
25
热水段出口温度
T
℃
140
26
出口焓
h8
KJ/kg
589.21
27
锅炉热水段吸热量
Q5
KJ/h
Q5=105*（h8-h7）
31071600
28
利用效率
η
%
84.12734106
第三节方案设计
4.1预选两个设计方案：
（a）:
余热利用供气；
（b）:
余热利用发电。
4.2方案比较：
余热利用供气使用废气加热水，变为可以向用户提供的蒸汽。
但是，蒸汽的需求量远小于蒸汽的供给量，多余的必须排放出去，就会造成大量的浪费。
可见余热并没有达到足够的利用。
余热利用发电是把生成的蒸汽送入汽轮机然后带动发电机发电，然后供给用户，这样就不会造成回收余热又有大部分不能得到利用的尴尬局面。
综上所述，选择余热锅炉发电与供气方案相比具有显著的优点，并且在各方面都拥有重大意义。
所以本设计在以上的方案比较之后选择余热发电。
第四节焓温表和焓温曲线
为使之后的校核计算方便，制作烟气焓温表和焓温曲线：
表1.5.1：
烟气焓温表
名称
单位
温度
℃
50
90
92
100
200
300
380
400
空气焓
值
kJ/kg
322.7
5
362.8
3
364.85
372.9
1
474.8
7
578.9
9
663.8
2
685.24
图1.5.1：
烟气焓温曲线
第二章 锅炉热力计算
第一节锅炉结构
本锅炉属于立式自然循环余热锅炉，被加热的工质循环分为两部分，第一部分为锅炉蒸发段，给水温度为70度，进入省煤气加热后进入锅筒，然后自锅筒引出，经下降管流入对流管束，在这里加热后的汽水混合物再引回锅筒，经汽水分离装置从锅筒引出饱和蒸汽再到过热器加热后经减温器到额定参数。
第二部分为锅炉热水段
，给水温度为70度，在热水段中被加热到140度，经热水段出口集箱引出，此部分为强制循环。
1锅筒结构简介：
锅筒内径为Φ1500，材料20钢。
主要锅内设备有：
水下孔板、波形板分离器、给水装置等。
进入锅筒的汽水混合物，先经水下孔板，在经波形板分离器完成进一步分离后引出。
此外，为了进一步提高汽水品质，锅筒上还安装了加药管和排污管等结构。
2过热器简介：
过热器的工质与烟气逆流换热。
过热器为Φ38*4的蛇形螺旋鳍片管错列布置，材料为20号钢，鳍片管高度18mm，节距8mm，厚度1.2mm，鳍片材料为08AL。
3对流管束:
对流管束的工质与烟气对流换热。
对流管束为Φ38*4的蛇形螺旋鳍片管错列布置，材料为20号钢，鳍片管高度18mm，节距8mm，厚度1.2mm，鳍片材料为08AL。
4省煤器：
省煤器的工质与烟气逆流换热。
省煤器为Φ38*4的蛇形螺旋鳍片管错列布置，材料为20号钢，鳍片管高度18mm，节距8mm，厚度1.2mm，鳍片材料为08AL。
5热水段:
热水段的工质与烟气逆流换热。
热水段管束为Φ38*4的蛇形螺旋鳍片管错列布置，材料为20号钢；鳍片高18mm，节距8mm，厚度1.2mm，鳍片材料为08AL。
第二节过热器热力计算及尺寸确定
过热器是锅炉的重要受热面，他的作用是
（1）将饱和蒸汽或低温蒸汽加热成为达到合格温度的过热蒸汽。
（2）调节蒸汽温度。
当锅炉负荷等工况运行变化是，进行调节，保持其出口蒸汽温度在额定温度的-10℃~+5℃范围内。
表2.2.1过热器结构尺寸
序号
数值名称
符号
单位
计算公式
结果
1
管子直径及布置
d
mm
Φ38*4
2
横向排数
Z1
-
50
3
纵向排数
Z2
-
36
4
横向节距
S1
mm
90
5
纵向节距
S2
mm
98
6
横向相对节距
δ1
-
s1/d
2.368421053
7
纵向相对节距
δ2
-
s1/d
2.578947368
8
蒸汽流通面积
f
m2
Z1πd2/4
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