钢铁企业烧结余热发电技术研究-论文

山东科技大学学士学位论文 摘要

摘要

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

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ABSTRACT

Sintering waste heat power generation technology is a sintered exhaust heat resources into electricity saving technology. As domestic sintering waste heat power generation started late, so there are still many problems such as low recovery rate, now we existing analysis cogeneration systems, propose new measures for improvement, thereby improving waste heat recovery and power generation units.

This study analyzed separately dual-pressure sintering waste heat power generation system, a single pressure system, flash system and the complement system, fuel system, four kinds of cogeneration thermodynamic and economic calculations and found that the iron and steel enterprises, dual pressure system and economy of the thermodynamic properties is best, fewer pollutants dischar- ed, is the most reasonable design. Finally, the sintering waste heat power genera- tion technology difficulties of current technical conditions, this design through the design of waste heat power generation process, strict control of waste heat power generation process, in order to optimize the waste heat power generation system, and obtain better economic and environmental benefits.

Key words: waste heat power generation, sintering, dual-pressure

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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

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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

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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

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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

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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）

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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；

i1 i2 i3 i4—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

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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

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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 = Pi ηm (2-10)

式中，ηm—汽轮机的机械效率； （4）发电机功率[12]

Pel = Pe ηg

(2-11)

式中，ηg—发电机效率； （5）汽轮发电机组的绝对电效率

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