钢铁企业烧结余热发电技术研究论文之欧阳体创编.docx

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钢铁企业烧结余热发电技术研究论文之欧阳体创编

摘要

时间：

2021.02.03

创作：

欧阳体

烧结余热发电技术是一项将烧结废气余热资源转变为电力的节能技术。

由于国内烧结余热发电起步较晚，因此还存在回收率较低等很多问题，现对现有的余热发电系统进行分析，提出新的改进措施，从而提高余热资源回收率及机组的发电功率。

本研究通过分别分析烧结余热发电双压系统、单压系统、闪蒸系统和补燃系统四种余热发电系统的热力学和经济性计算，发现对于钢铁企业，双压系统的热力特性和经济性最佳，排出的污染物较少，是最合理的设计方案。

最后，对于当前技术条件下烧结余热发电技术应用难点，本设计通过设计余热发电流程，严格控制余热发电环节，以优化余热发电方案，取得更好的经济及环境效益。

关键词：

余热发电、烧结、双压

ABSTRACT

Sintering wasteheatpowergeneration technologyis a sintered exhaustheatresourcesinto electricity savingtechnology. Asdomestic sintering wasteheatpowergeneration startedlate,so therearestill manyproblemssuchas lowrecoveryrate,nowwe existinganalysis cogeneration systems,proposenew 

measuresforimprovement,therebyimproving wasteheat recovery and powergeneration units.

 Thisstudy analyzedseparately dual-pressure sintering wasteheatpowergeneration system,asingle pressuresystem, flash system andthecomplement 

system,fuel system, fourkindsof cogeneration thermodynamic andeconomic 

calculationsandfoundthat the ironandsteelenterprises,dual pressuresystem 

andeconomyof thethermodynamic propertiesisbest, fewer pollutants dischar-

ed, isthemostreasonable design. Finally,thesinteringwasteheatpowergenera-

tiontechnologydifficultiesofcurrenttechnicalconditions,thisdesignthroughthedesignofwasteheatpowergenerationprocess,strictcontrolofwasteheatpowergenerationprocess,inordertooptimizethewasteheatpowergenerationsystem,andobtainbettereconomicandenvironmentalbenefits.

Keywords:

wasteheatpowergeneration,sintering,dual-pressure

1绪论1

1.1研究背景1

1.2烧结余热发电技术国内外研究现状3

1.3烧结余热发电研究意义4

1.4研究内容5

2烧结余热发电系统分析6

2.1烧结余热发电系统6

2.2烧结余热发电烟气系统8

2.3烧结余热发电热力系统分析方法9

2.4烧结余热发电四种热力系统热力学分析13

2.5烧结余热发电四种热力系统经济性分析22

3烧结余热发电设备26

3.1选型原则26

3.2部分主要设备的选型要求及选择26

4烧结余热发电技术应用难点及解决方法32

4.1烧结余热发电技术应用难点32

4.2烧结余热发电技术应用难点解决方法33

5总结36

参考文献37

致谢39

附录A烧结余热发电系统总图40

附录B外文参考文献及译文42

1绪论

1.1研究背景

1.1.1钢铁工业烧结余热能源现状

钢铁生产过程中消耗了大量的资源、能源，因此随着钢铁产量的增长，能源消耗总量也持续上升。

在所有钢铁生产流程中，烧结工序能耗所占比例较高，一般约占总能耗的10%。

降低烧结工序能耗对于促进钢铁工业节能减排，提高企业综合产能具有十分重大的意义。

2005年我国重点大中型钢铁企业烧结工序能耗平均值为64.82kgce/t，因为2006年国家将电力折标煤系数从0.404kgce/kWh调整到0.1229kgce/kWh，因此，2006年以后烧结工序能耗出现大幅度下降的现象。

到2009年，我国重点大中型钢铁企业烧结工序能耗首次降低到55kgce/t以下，2010年则在此基础上更进一步，达到52.65kgce/t。

2005~2010年我国重点大中型钢铁企业烧结工序能耗变化及对比情况如图1.1所示[1]。

图1.1“十一五”期间我国重点大中型钢铁企业烧结工序能耗

钢铁工业烧结余热发电是一项将烧结废气余热能源转变为电能的余热回收利用技术，该技术不需要消耗一次能源，不产生额外的废气、废渣、粉尘以及其它有害气体，降低了钢铁企业对环境的粉尘污染和热污染，具有较大的经济效益、环境效益和社会效益。

但该技术目前面临余热回收设备投资较大，余热能源的回收率较低等问题。

国外先进钢铁企业二次能源的回收率一般在90%以上，而国内的大多数钢铁企业回收率只有30%~50%，比国外先进钢铁企业落后约50个百分点，可见国内钢铁企业余热能源回收利用潜力巨大。

1.1.2钢铁工业余热回收利用概况

钢铁工业烧结余热回收主要有两部分：

一部分是烧结机尾部废气余热，另一部分是热烧结矿在冷却机前段空冷时产生的废气余热。

这两部分废气所含热量约占烧结总能耗的50%，充分利用这部分热量是提高烧结工艺的效率，显著降低烧结工序能耗的途径之一[2]。

目前，国内烧结废气余热回收利用主要有三种方式：

一是直接将废烟气经过净化后作为点火炉的助燃空气或用于预热混合料，以降低燃料消耗，这种方式较为简单，但余热利用量有限，一般不超过烟气量的10%；二是将废烟气通过余热锅炉或热管装置产生蒸汽，并入全厂蒸汽管网，替代部分燃煤锅炉；三是将余热锅炉产生蒸汽用于驱动汽轮机组发电。

从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度来看，最为有效的余热利用途径是余热发电，对烧结矿产生的烟气余热回收，平均每吨可发电20kWh，折合每吨钢综合能耗可降低8千克标准煤。

我国烧结余热发电机组按余热锅炉形式分为四种，即：

单压余热发电技术、双压余热发电技术、闪蒸余热发电技术和带补燃余热发电技术。

近年，纯低温余热发电技术已在建材等行业得到了广泛应用，特别是随着双压、闪蒸发电技术和补汽凝汽式汽轮机技术获得突破，大大提高了余热回收效率，为钢铁企业烧结余热发电技术的推广创造了条件。

1.2烧结余热发电技术国内外研究现状

在余热发电技术的研发应用方面，日本、德国等发达国家钢铁工业发展较早，特别是日本由于自然资源缺乏，尤为重视，各种余热发电技术均走在世界领先水平，相比较而言，我国钢铁工业起步较晚。

新日本炼铁八幅炼铁厂的第一号烧结装置，1979年开始运行，从烧结冷却机排烟（约350℃）获得250℃、约4.9MPa的高温高压热水送往热水透平发电，能量的回收效果是3988kW/h,每吨烧结矿的电力回收量达到3.5kW[3]。

日本新日铁君津烧结机和歌山烧结机的余热电站也是运行较早的烧结余热电站，并形成了区域余热发电的雏形，运行效果较好。

2004年9月，马鞍山钢铁股份有限公司第二炼铁厂建设了我国烧结行业第一套余热发电系统，并且于2005年9月实现并网发电。

该系统从日本引进，采用“两炉带一机”的模式，开我国烧结余热发电之先河[4]。

2009年12月，工业和信息化部发布了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》，该方案准备从2010至2012年，在全国重点大中型钢铁企业的80余台烧结机上推广烧结余热发电技术，计划将钢铁行业的烧结余热发电比例提高到20%，实现节约近160万t标准煤，进一步降低钢铁企业生产成本，提高综合竞争力。

方案中指出，2009年底，全国已建成10套烧结余热发电机组，共涉及19台烧结机，烧结机面积共4849m2。

烧结余热发电技术在国内的应用也不断地成熟，全套设备实现国产化，建设投资得到了有效压缩和控制。

对已实施烧结余热发电技术的钢铁企业进行考察发现，投产的发电机组面临的普遍问题是无法达到设计负荷。

其中既有实际生产工况和设计参考值偏差较大的问题，也有与正常烧结生产产生矛盾冲突的问题。

经过近段时期的发展以及技术不断的成熟和完善，截止到2010年底，据不完全统计，全国钢铁企业已建成烧结余热发电机组27套，涉及到23家钢铁企业的53台烧结机，总烧结面积14370m2，发电机组总装机容量484MW。

其中烧结余热发电工作较为突出的钢铁企业包括马钢、唐钢、济钢、太钢、湘钢等。

综上所述，由于烧结余热发电还存在很多问题，且回收率较低，因此应对现有余热发电系统进行分析，提出新的改进措施，从而提高余热资源回收率及机组的发电功率，从而尽早实施烧结余热发电工程，与企业实现互利共赢。

1.3烧结余热发电研究意义

余热发电是当前提高二次能源利用率，节约能源的一项有效措施。

冶炼过程中产生的低温烟气，将其热能通过余热锅炉产生蒸汽再带动汽轮发电机组进行发电，能有效提高二次能源的综合利用率，最大程度的节约能源、降低企业生产成本，推动企业经济快速发展。

其研究意义在于：

第一，余热发电工程的实施，可有效降低企业的烧结矿生产成本，提高企业的市场竞争力，为企业产生良好的效益。

烧结纯低温余热发电项目由于能将废气中的热能转化为电能，有效减少烧结矿生产过程中的能源消耗，具有显著的节能效果。

第二，整个发电工艺过程不需要任何一次能源，在回收大量对空排放造成环境热污染的废气余热的同时，所建余热发电工程不对环境造成任何污染，这对于减少CO2的排放量、减少温室效应、保护生态环境起着积极的作用。

因此，钢铁企业大力发展和推广余热发电技术是遵循国家钢铁产业发展政策、符合当前可持续发展要求、实现循环经济的重要手段；是促进钢铁产业技术升级和结构调整，提高环境保护和资源综合利用水平的有效途径。

我国钢铁工业余热发电技术的应用起步较晚，但发展迅速，虽然在推广过程中仍存在一些障碍，但在国家提倡节能减排的总体形势下，充分利用余热资源进行发电，目前已逐步成为钢铁工业余热资源发展利用的一个主流方向。

作为我国节能减排潜力最大的行业，我们有理由相信钢铁工业余热发电技术的发展将拥有更广阔的发展空间，同时在我国钢铁工业能源结构中发挥重要作用。

1.4研究内容

本课题将通过分别分析烧结余热发电双压系统、单压系统、闪蒸系统和补燃系统四种余热发电系统的热力学和经济性计算，选择并设计对于钢铁企业，热力特性最好、污染最少、经济性最佳的烧结余热发电方案。

最后该研究将对当前技术条件下烧结余热发电技术应用亟待解决的难点进行分析，提出具体优化方案，合理设计余热发电流程，以获得最好的经济及环境效益。

2烧结余热发电系统分析

2.1烧结余热发电系统

余热发电系统是利用余热回收装置将烟气产生的动力蒸汽来驱动冷凝发电机组产生电能。

该系统包括烟气系统和热力系统两部分。

其工艺流程是环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出约160℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。

同时将处理过的水经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，使其达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电[5]。

余热发电系统流程图如图2.1所示：

图2.1烧结余热发电系统流程图

2.1.1余热发电烟气系统流程

在余热发电机组正常运行时，原有烧结环冷冷却风机停运，启动循环风机，烟气由开式排放变成闭式循环，可进一步提高余热锅炉进口烟气温度并稳定烟气工况参数，锅炉出口烟气温度150℃左右，通过循环风机再次鼓入环冷机入口风箱，代替常温空气冷却烧结矿，烟气再循环系统是本系统中采用的核心技术，烟气再循环技术可以提高余热锅炉进口烟气温度，增加余热回收量，还使烧结矿的急冷破碎较少，提高烧结矿的品质，利于后续的炼铁工艺[2]。

烧结余热发电烟气系统流程如图2.2所示：

图2.2烧结余热发电烟气系统流程

2.1.2余热发电热力系统流程

余热发电热力系统是生产用水进入软化水车间进行软化，除氧器将水中的氧脱掉，之后经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，时期达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电，最后水流入冷凝器，在打入除氧器循环使用，热力系统流程图如图2.3所示：

图2.3烧结余热发电热力系统流程图

图2.4烧结余热发电烟气系统工艺流程

2.2烧结余热发电烟气系统

烧结余热发电烟气系统流程如图2.4所示，环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出的约150℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。

循环风机设置冷风吸入口，当余热锅炉正常工作时，余热锅炉排出收集的烟气经循环风机增压后，鼓入环冷机下部冷却烧结矿。

当余热锅炉停机检修时，打开冷风吸入口的阀门，循环风机鼓入常温空气冷却烧结矿[6]。

烟气再循环显著提升了环冷机一区、二区中低温烟气的品质，提高了余热锅炉的能量回收效率，增加了发电量，减少了含尘烟气直接排空，提高了烧结矿料品质[7]。

2.3烧结余热发电热力系统分析方法

常规发电系统常采用抽汽回热系统，在余热发电系统中，汽轮机抽汽回热虽然可以提高给水温度、汽轮机效率，但会提高余热锅炉排烟温度，降低余热锅炉效率，相互作用的结果将降低发电系统的热效率，因此余热发电系统一般不设置回热系统，下面对余热发电系统进行热力学分析。

2.3.1建立数学方程

（1）从热力学角度来考虑，余热锅炉中的每一个模块就是一个烟气放热和汽水吸热的能量平衡方程[8]，即：

Q烟气放热=Q汽水放热（2-1）

结合余热锅炉的T-Q图，将这一能量平衡方程具体应用到每一个模块，图2.5是典型的余热锅炉T-Q图，是研究余热锅炉热力特性的基础。

对蒸发器和过热器区段：

G（i1－i3）=D（h1－h3w）　　　　　　　（2-2）

通过此公式也可计算出锅炉的蒸汽量：

D=G（i1－i3）/（h1－h3w）　　　　　　（2-3）

对于省煤器区段：

G（i3－i4）=D（h3w－h4）　　　　　（2-4）

图2.5余热锅炉中的T-Q图

因此可推出对于整个锅炉：

G（i1－i4）=D（h1–h4）（2-5）

式中，G—烟气流量，kg/s；

D—蒸汽流量，kg/s；

i1i2i3i4—余热锅炉各区段的出口烟气焓，kJ/kg；

h1—过热蒸汽出口蒸汽焓，kJ/kg；

h3—省煤器出口水焓，kJ/kg；

h4—省煤气进口水焓，kJ/kg。

（2）余热锅炉的热效率ηh为余热锅炉利用的能量与输入余热锅炉的能量之比[8]，即：

ηh=D（h1–h4）/G（i1–ie）=G（i1－i4）/G（i1–ie）（2-6）

如果认为在余热锅炉的整个温度范围内，烟气的比热近似相等，同时忽略余热锅炉保温热损失的影响，则上式可表示为：

ηh=（θ1－θ4）/（θ1–te）（2-7）

式中，θ1—烧结预热的烟气温度，℃；

θ4—余热锅炉的出口温度，℃；

te—环境温度，℃。

2.3.2窄点温差和接近点温差

图2.5表明了余热锅炉各个受热面的换热量和每一点上汽水和烟气的温度。

在不带补燃循环中，烟气温度与蒸汽或水的温度最接近的点，是烟气从蒸发器离开的地方。

图中δp是窄点温差，即烟气的温度与进入蒸发器的饱和水的温度的差值，通常是整个余热锅炉中烟气侧与工质侧温度差的最小点。

窄点温差的合理选择是设计余热锅炉的重要因素之一[9]。

如果窄点温差过小，虽然余热锅炉的蒸汽参数会提高，吸热量增加，但是它会造成平均传热温差减小，从而导致受热面积增加，相应的增加成本。

图中的δt是接近点温差，即省煤器出口的水温与相应压力下的饱和水温之间的差值。

为了避免余热锅炉的省煤器内发生给水汽化现象，在设计余热锅炉是总是要求省煤器的出口水温略低于其相应压力下的饱和水温。

2.3.3余热锅炉的排烟温度

根据方程（2-3）和（2-4）可以得出余热锅炉的排烟温度，并且有着两个方程可以看出：

当主蒸汽参数提高时，余热锅炉的排烟温度也随之升高，其主要原因在于，当主蒸汽参数升高时，余热锅炉的蒸发量减少，锅炉的给水量就随之降低，直接导致省煤器内的吸热量减少，所以余热锅炉的排烟温度就会很高。

因此，余热发电系统通常采用双压和闪蒸系统来降低余热锅炉的排烟温度；对于带补燃装置的余热锅炉，其排烟温度也较不带补燃装置的余热锅炉的排烟温度低，这点将在以后章节详细论述。

2.3.4汽轮机的热力学计算

汽轮机的进气参数由烧结烟气的温度值来确定，一般来讲，进入汽轮机进口的蒸汽初温应是烧结烟气温度减去余热锅炉中的传热温差（一般为25~50℃）。

汽轮机的进气压力比余热锅炉主蒸汽压力低5%~10%，从而可以确定余热锅炉的主蒸汽压力[10]。

（1）汽轮机的相对热效率

汽轮机组的相对热效率是汽轮机的有效焓降与等熵焓降（绝热焓降）之比。

ηi=（h0–hc）/（h0–hnl）（2-8）

式中，h0—汽轮机进气出焓，kJ/kg；

hc—汽轮机实际排气焓，kJ/kg；

hnl—汽轮机理想过程（等熵过程）的终焓，kJ/kg；

（2）汽轮机的内功率Pi[11]

Pi=D0（h0–hnl）ηi/3.6（2-9）

式中，D0—汽轮机的进气量，t/h；

ηi—汽轮机的相对内效率；

（3）汽轮机的轴端功率Pe

Pe=Piηm（2-10）

式中，ηm—汽轮机的机械效率；

（4）发电机功率[12]

Pel=Peηg（2-11）

式中，ηg—发电机效率；

（5）汽轮发电机组的绝对电效率

ηa,el=（h0–hnl）ηel/（h0–hc´）（2-12）

式中，hc´—汽轮机排气压力下的饱和水焓，kJ/kg；

（6）汽耗率和热耗率

汽耗率是指每生产1kW·h所消耗的蒸汽量，用d来表示：

d=1000D0/Pel（2-13）

热耗率是指1kW·h电能所消耗的热量，以q来表示：

q=d（h0–hc´）=3600（h0－hc）/（h0–hnl）（2-14）

2.4烧结余热发电四种热力系统热力学分析

目前烧结余热发电工艺有如下四种系统：

烧结余热发电双压系统、烧结余热发电单压系统、烧结余热发电闪蒸系统以及烧结余热发电带补燃系统[5]。

下面对烧结余热发电这四种系统进行热力学分析。

2.4.1烧结余热发电双压系统

双压系统是采用双压余热锅炉和单级补汽的汽轮机发电系统，如图2.6所示。

该系统按照能量梯级利用的原理，余热锅炉设置两个汽包，在受热面布置上顺着烟气流动同方向依次布置了过热器、高压蒸发器、二级（高压）省煤器、低压蒸发器、一级（低压）省煤器，给水泵将除氧水分别升压到高、低压省煤器，进入两个压力不同的汽水循环在余热锅炉中生产两种不同压力的蒸汽：

主蒸汽和低压蒸汽。

低压蒸汽作为补汽进入汽轮机中部与主蒸汽一起推动汽轮机做功发电。

由于采用这种双压结构，锅炉排烟温度能降到110℃左右。

下面以安阳钢铁集团有限公司360m2烧结机双压系统为例介绍热力系统分析[12]。

该系统主蒸汽温度为335℃，主蒸汽压力为2.62MPa，余热锅炉进口废气温度360℃。

图2.6烧结余热发电双压系统

（1）选定高压段汽包压力并查取相应的饱和温度

高压段汽包压力可按余热锅炉主蒸汽压力105%选取为2.751MPa（汽包压力在不大的范围变化时对蒸汽循环部分的热经济性影响相当小）[8]；

（2）选取窄点温差及确定蒸发段出口排气温度

取窄点温差12℃，余热锅炉蒸发段出口排气温度为241.09℃，其后便可确定余热锅炉蒸发段出口气温，根据公式（2-2）可以计算出锅炉进气温度到高压段蒸发段出口排气温度时的放热量Qy1：

Qy1=G（i1－i3）

=Gρycy（θ1－θ3）

=（20+20）×104×1.168×1.2×（360－241.09）

=772439636kJ

式中，G—360m2环冷机的烟气量，Nm3/h；

i1—360m2环冷机烟气进入余热锅炉的焓值，kJ/kg；

i3—余热锅炉蒸发段出口焓值；

cy—烟气温度为360℃的平均比热容，1.4kJ/kg·℃；

ρy—烟气的平均密度，1.168kg/m3；

θ1—360m2环冷机的平均烟气温度，360℃；

θ3—余热锅炉的蒸发段排气温度，241.09℃。

（3）选取接近点温差及二级省煤器出口给水温度

取接近点温差10℃，按省煤器的出口水温略低于其相应压力下的饱和水温，取省煤器出口给水温度为219.09℃。

（4）余热锅炉高压段的蒸汽量

双压余热锅炉的高压段蒸汽量D1，可根据公式（2-3）计算：

D1=Qy/（h1－h3w）

=772439636/（3090.92–1016.83）

=36t/h

式中，h1—过热蒸汽的出口焓值，3090.92kJ/kg；

h3w—省煤器的出口焓值，1016.83kJ/kg。

（5）余热锅炉低压段的蒸汽量

对于余热锅炉低压段，取低压段压力为0.49MPa，温度为235℃，其汽包压力可按余热锅炉低压段蒸汽压力的105%选取，经计算可得0.5145MPa，可确定余热锅炉低压蒸发段的排气温度为164.92℃，计算方法同双压余热锅炉高压段的放热量的计算。

根据公式（2-3）便可计算出由余热锅炉低压段的放热量Qy2：

Qy2=Gcy´ρy（θ1´－θ3´）

=（20+20）×104×1.168×1.4×（241.09－164.92）

=49480032kJ/h

式中，cy´—烟气的平均比热容，1.4kJ/kg·℃；

ρy´—烟气的平均密度，1.168kg/m3；

θ1´—余热锅炉低压蒸发段的排气温度，241.09℃；

θ3´—余热锅炉低压蒸发段的排气温度，164.92℃。

经计算可得一级省煤器出口给水（进汽包的给水）水温度为142.92℃，计算方法同高压段。

根据公式（2-3）可计算出双压系统的低压段的产气量D2：

D2=Qy2/（h1´–h3w´）

=49480032/（2930–601.74）

=21.25t/h

（6）双压系统的总蒸汽量的计算

D=D1+D2=36+21.25=57.25t/h

（7）余热锅炉效率

双压烧结余热工艺的余热锅炉的排气温度比较低，本研究取为95℃，因此根据公式（2-6）便可计算出双压余热锅炉的效率为：

ηh=（θ1–θ4）/（θ1–te）

=（360–95）/（360–15）

=77%

式中，θ1—烧结余热的烟气温度，℃；

θ4—余热锅炉