钢铁企业烧结余热发电技术研究-论文

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date钢铁企业烧结余热发电技术研究-论文钢铁企业烧结余热发电技术研究-论文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ABSTRACTSinteringwaste heat power generationtechnology isasinteredexhaust heat resources intoelectricitysaving technology.As domesticsinteringwaste heat power generationstarted late, sothere are stillmany problems such aslow recovery rate, now weexisting analysiscogenerationsystems, propose newmeasures for improvement, thereby improvingwaste heatrecoveryandpower generationunits.-This studyanalyzed separatelydual-pressuresinteringwaste heat power generationsystem, a singlepressure system,flashsystemand the complementsystem, fuelsystem,four kinds ofcogenerationthermodynamicand economiccalculations and found thattheiron and steel enterprises, dualpressure systemand economy ofthe thermodynamicproperties is best,fewerpollutantsdischar-ed,is the most reasonabledesign.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目录1绪论11.1研究背景11.2烧结余热发电技术国内外研究现状31.3烧结余热发电研究意义41.4研究内容52烧结余热发电系统分析62.1烧结余热发电系统62.2烧结余热发电烟气系统82.3烧结余热发电热力系统分析方法92.4烧结余热发电四种热力系统热力学分析132.5烧结余热发电四种热力系统经济性分析223烧结余热发电设备263.1选型原则263.2部分主要设备的选型要求及选择264烧结余热发电技术应用难点及解决方法324.1烧结余热发电技术应用难点324.2烧结余热发电技术应用难点解决方法335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421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3.5kW3。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(i1i3) = D(h1h3w) （2-2）通过此公式也可计算出锅炉的蒸汽量： D = G(i1i3) / (h1h3w) （2-3）对于省煤器区段： G(i3i4) = D(h3wh4) （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(i1i4) = 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h为余热锅炉利用的能量与输入余热锅炉的能量之比8，即： h = D (h1 h4) / G(i1 ie) = G(i1i4) / 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： h = (14) / (1 te) （2-7）式中，1烧结预热的烟气温度，；4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p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t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2550）。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。 i = (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Pi11 Pi = D0(h0 hnl) i / 3.6 (2-9)式中，D0汽轮机的进气量，t/h；i汽轮机的相对内效率；（3）汽轮机的轴端功率Pe Pe = Pi m (2-10)式中，m汽轮机的机械效率；（4）发电机功率12 Pel = Pe g (2-11)式中，g发电机效率；（5）汽轮发电机组的绝对电效率 a,el = (h0 hnl) el / (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1kWh所消耗的蒸汽量，用d来表示： d=1000D0 / Pel (2-13)热耗率是指1kWh电能所消耗的热量，以q来表示： q = d(h0 hc)=3600(h0hc) / (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2.62 MPa，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(i1i3) = G y cy(13) =(20+20)104 1.1681.2(360241.09)=772439636 kJ式中，G360m2环冷机的烟气量，Nm3/h；i1360m2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，1.4 kJ/kg；y烟气的平均密度，1.168 kg/m3；1360m2环冷机的平均烟气温度，360；3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 / (h1h3w) = 772439636 / (3090.92 1016.83)= 36 t/h式中，h1过热蒸汽的出口焓值，3090.92 kJ/kg；h3w省煤器的出口焓值，1016.83 kJ/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 y(13) =(20+20)1041.1681.4(241.09164.92) = 49480032 kJ/h式中，cy烟气的平均比热容，1.4 kJ/kg；y烟气的平均密度，1.168 kg/m3；1余热锅炉低压蒸发段的排气温度，241.09；3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) = 21.25 t/h（6）双压系统的总蒸汽量的计算D = D1+D2 = 36+21.25 = 57.25 t/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：h = (1 4) / (1 te) = (360 95) /（360 15)= 77% 式中，1烧结余热的烟气温度，；4余热锅炉的出口温度，；te环境温度，15。（8）汽轮机的内功率Pi为Pi = D0(h0 hnl) i / 3.6 = 53(3305.04 2104.1)83% / 3.6= 11996 kW式中，D0汽轮机的进气量，t/h；i汽轮机的相对内效率，取0.83；h0汽轮机的进气焓值，3305.04kJ/kg；hnl汽轮机的理想过程（等熵过程）的终焓，2104.1kJ/kg。（9）汽轮机的轴端功率Pe为：Pe = Pi m = 11816 kW式中，m汽轮机的机械效率，取0.985。（10）汽轮机的发电机效率el 为：el = img =79%式中，m汽轮机的机械效率，取值0.985；g发电机效率，取值0.96。（11）发电机功率Pel：Pel = Pe g = 118160.966=11414.3 kW 式中，g发电机效率，取值0.966。（12）热耗率和汽耗率：汽耗率是指每生产1kwh所消耗的蒸汽量，用d来表示：d=1000D0 / Pel =6.65 kg/kWh 热耗率是指1kWh电能所消耗的热量，以q来表示：a,el= (h0 hnl)el / (h0 hc)=981.540.83/ (3085.65 158.83)=0.26q = d(h0 hc)=3600(h0 hc) / (h0 hc) a,el =3600 / 0.26 =13595.5 kJ/kWh 2.4.2烧结余热发电单压系统单压系统是采用单压余热锅炉和单级进汽汽轮机的发电系统，如图2.7所示。该系统组成简单，除氧水经给水泵依次进入余热锅炉内的省煤器、蒸发器、过热器最后进入汽轮机做功发电。一般单压系统余热锅炉排烟温度在170，排气用于烘干物料13。烧结余热发电单压系统热力学分析计算同2.4.1烧结余热发电双压系统。 图2.7烧结余热发电单压系统图2.8烧结余热发电闪蒸系统2.4.3烧结余热发电闪蒸系统闪蒸系统是采用闪蒸补汽式汽轮机的发电系统，如图2.8所示。闪蒸原理是将较高压力及温度的热水等热源，经减压扩容，释放出所需的较低压力饱和蒸汽。给水经给水泵进入余热锅炉后，一部分热水经废气换热后生成过热蒸汽，接入汽轮机的主进汽口；另一部分高温高压欠饱和热水进入闪蒸器，生产出一定量的低压饱和蒸汽，进入汽轮机的低压补汽口，主蒸汽与低压蒸汽在汽轮机内做功发电。闪蒸器分离产生的大量饱和水进入除氧器，与汽轮机排出的冷凝水一起经除氧后由给水泵供给锅炉，形成一个完整的热力循环。锅炉排烟温度可降低到90以下14。烧结余热发电单压系统热力学分析计算除系统产汽量外均同2.4.1烧结余热发电双压系统，其中闪蒸系统产汽量计算方法如下：（1）余热锅炉的产汽量闪蒸工艺的余热锅炉的蒸汽量D1，可根据公式(2-3)计算（忽略了余热锅炉这一区段的散热损失）；D1 = Qy / (h1h3w) =78932896 / (3090.92930.9)= 36.5t/h式中，h1过热蒸汽的出口焓值，3090.92 kJ/kg；h3w省煤气的出口焓值，930.9kJ/kg；（2）通过闪蒸器所产生的蒸汽量对于通过闪蒸其所产生的蒸汽量，设每小时有D kg、温度为tR1的高压热水进入扩容器由于压力降低至p，热水温度降至p所对应的饱和温度tR2，并且放出热量，使一部分热水(d kg)吸热量而汽化成对应温度tR2的饱和蒸汽。如果不计设备的散热损失，则根据下列的热平衡关系可以求出产生的蒸汽量：DcptR1 = dh + (Dd)cptR2 因此： d = Dcp(tR1tR2) / (hcptR2) 式中，D每小时进入闪蒸器的热水量，kg/h；tR1进入闪蒸器的热水的温度；tR2经过闪蒸器的热水的温度；d闪蒸蒸汽量kg/h；h闪蒸蒸汽的焓，即温度tR2下的饱和蒸汽的焓值，kJ/kg；cp水的低压比热容，cp=4.1868kJ/kg；取闪蒸压力为0.35MPa，tR2为160，tR1为217.19，闪蒸蒸汽的比焓为2778.1kJ/kg，本工程中每小时有30000kg的给水流向闪蒸器，则：d = 300004.1868(217.19160)/(2778.14.1868160)=3.4 t/h（3）闪蒸系统的总的蒸汽量D = D + d = 36.5+3.4 = 39.9 t/h图2.9 带补燃系统的烧结余热发电系统2.4.4带补燃系统的烧结余热发电系统在副产煤气富余的企业如钢厂，副产煤气资源丰富，出现了带补燃的余热利用系统，如图2.9所示。在常规单压、双压或复合闪蒸系统的基础上，通过在余热锅炉高温过热段补充燃烧部分富余煤气，将锅炉入口烟气温度（300400）提高到中高温热风（500600），使余热利用的热力系统蒸汽参数达到中温中压参数，进一步提高热力系统的余热利用效率和热电转换效率，同时对烟气、废气温度的波动起到一定的平衡调节作用，对整个厂网而言还能避免浪费，减少管网蒸汽、煤气放散量，获得很好的经济效益和环境效益。但该系统复杂，利用范围存在局限性10。带补燃系统的烧结余热发电系统热力学分析计算除系统产汽量外同2.4.1烧结余热发电双压系统，带补燃系统产汽量计算如下：带补燃系统的余热锅炉的产汽量，仍然可根据公式(2-3)计算，只不过余热量是烧结烟气的余热量和通过补燃装置产生的发热量之和：D1 = Qy / (h1h3w) =112016436 / (3090.921016.83) =36.5t/h式中，h1过热蒸汽的出口焓值，3090.92 kJ/kg；h3w省煤气的出口焓值，1016.83kJ/kg；2.4.5余热发电四种系统热力学分析对比2.4.12.4.4以双压系统为例对余热发电四种系统进行了分析计算， 下面将计算结果统计如表2.1所示。其中，四种系统主蒸汽温度均为335，主蒸汽压力为2.62MPa，汽包压力2.751MPa，余热锅炉进口废气温度360。由下表可以看出双压烧结余热工艺的热力特性最佳，通过双压工艺的余热锅炉所产生的蒸汽量比闪蒸工艺的多了约50%，相应的余热锅炉的排烟温度较低，所以排出的污染物较少；单压系统由于废气余热得不到充分利用，影响了发电能力，在这几种系统中单压系统发电能力最低；补燃系统所产生的蒸汽量约是单压系统的余热锅炉的所产生的蒸汽量的2倍；闪蒸系统发电能力较单压系统得到提高，但闪蒸器的出水未能转换为电能，与双压系统相比，系统的发电能力又有所降低，而且闪蒸器产生的是饱和蒸汽，在进入汽轮机做功后，易使汽轮机排汽干度不能满足汽轮机的要求。表2.1 余热发电四种系统分析计算结果计算量双压单压闪蒸补燃余热锅炉窄点温差（）12129.412蒸发段出口排气温度（）241.09241.09238.49241.09余热锅炉排气温度（）11595150120接近点温差（）10104.910省煤器出口给水温度（）219.09219.09217.19219.09余热锅炉蒸汽量（t/h）高压段低压段锅炉锅炉闪蒸锅炉3621.251836.53.434.12蒸汽量总量（t/h）57.251839.934.12锅炉效率77%61%71%70%汽轮机进气量（t/h）5316.6736.9431.6额定功率（MW）121.563汽轮机轴端功率（kW）118161421.65703.594877.4热耗率（kJ/kWh）13595.530718.61800018000汽耗率（kg/kWh）6.6512.346.756.75发电效率26%12%20%20%发电机发电机功率（kW）11414.31350.55475.454682.3发电机效率79%74%78%78%2.5烧结余热发电四种热力系统经济性分析2.5.1烧结余热发电的经济效益的计算（1）烧结余热发电经济效益计算有以下两个假设原则15：原则1：10000m2的300400的低温烟气经过余热锅炉，可以产生1 t的过热蒸汽，发电200kWh。原则2：1kWh电相等于0.39kg标煤。（2）烧结余热发电量的计算烧结余热发电量的计算是基于上述两个基本原则：已知某烧结余热发电系统通过余热锅炉所产生的蒸汽量为D t/h，每天生产的烧结矿为K t，根据每吨蒸汽发200kWh的电，而烧结矿的品位为，则可计算出每生产1 t钢的发电量为： e = D24200/ (K ) (2-15)（3）烧结余热发电工程总投资 M=Pe B (2-16)式中，Pe实际的输出功率；B每kW的投资额。2.5.2四种烧结余热发电系统的经济效益分析以安钢的360m2烧结机为例，按每天生产烧结矿20000 t，利用环冷机冷却机产生的300400的废气，设备年运行小时数为7000 h，下面对四种烧结余热发电系统进行经济性分析：（1）双压系统经过双压系统产过热蒸汽57.25t/h，每吨蒸汽发电200kwh，烧结矿的品位为57%，根据公式(2-15)可计算出每生产l t钢的发电量为24.11kWh；因此年发电量为7290.86104kWh，按电价为0.47元/kWh计算则采用闪蒸系统所创造的经济效益为3426.71万元。取余热发电每kW投资5500元，则根据公式(2-16)可估算全部工程总投资费用为6600万元。按照原则2：1kW.h电等于0.39kg标煤，则利用闪蒸系统可节省标煤2843.54吨。（2）单压系统经过单压系统产过热蒸汽18t/h，根据公式可计算出每生产l t钢的发电量为7.58kWh；由此可计算出年发电量为2292.19104kWh，单压系统所创造的经济效益为1123.17万元。可估算全部工程总投资费用为825万元，利用闪蒸系统可节省标煤893.95吨。（3）闪蒸系统经过闪蒸系统产过热蒸汽39.9t/h，根据公式可计算出每生产l t钢的发电量为16.8kWh；由此可计算出年发电量为5080.32104kWh，则闪蒸系统所创造的经济效益为2387.75万元。可估算全部工程总投资费用为3300万元。利用闪蒸系统可节省标煤1879.72吨。（4）补燃系统经过闪蒸系统产过热蒸汽34.12t/h，根据公式可计算出每生产l t钢的发电量为14.37kWh；由此可计算出年发电量为4345.49104kWh，按电价为0.47元/ kWh系统中所采用补燃煤气的消耗量为9935m3/h，价格按0.12元/m3计算，可得实际采用带补燃装置的烧结余热发电工艺所创造的经济效益：4345.491040.49993570000.12=1394.75万元。根据公式（2-16）可估算全部工程总投资费用为3300万元，可节省标煤1694.74吨。2.5.3烧结余热发电环境效益及经济性比较由于余热锅炉的运行，代替了相应的燃煤锅炉产汽量，而且余热锅炉的产汽量与烧结生产同步，因而具有节约煤炭资源、减少燃煤污染的作用。以安钢360m2的烧结机为例，由2.5.2可得，当分别采用双压系统、单压系统、闪蒸系统和带补燃系统这四种系统时，机组的热特性如表2.2所示：表2.2 四种余热发电系统机组热特性余热发电系统双压单压闪蒸补燃节省的标煤（t）2843.44893.951879.721694.74项目投资（万元）660082533003300年发电量（104kWh）7290.862292.195080.324345.49余热锅炉产气量（t/h）57.251839.934.12由此表便可看出双压烧结余热发电工艺技术的环境效益最好，也就是说烧结余热发电的SO2和CO2的排放量最少。双压系统虽然年发电量是四种工艺中最大的，而且它和闪蒸系统一样都通过利用低压蒸汽向汽轮机补气从而提高余热锅炉的产气量的这种方式，但是它的系统庞大，而且工程总投资费用是闪蒸工艺的2倍，但是对于低温热源较多的情况下，采用这种工艺流程是比较合理的；而对于补燃系统，虽然采用这种工艺能产生更多的蒸汽，其年电量大约是单压系统的2倍，但是由于补燃煤气的耗费高，所以它所带来的经济效益反而不是很大，然而对于有较多富裕的高炉煤气的条件下，采用补燃系统的余热回收的效果会更加显著。带补燃和不带补燃的烧结余热发电系统总图见附录A。3烧结余热发电设备3.1选型原则设备选型应遵循以下原则7： （1）采用成熟稳定、实用可靠的中低温烟气余热回收发电技术及国产设备，技术装备水平达到国际先进水平；（2）选用国产成熟设备，降低生产成本和基建投入；（3）系统简洁可靠、方便检修维护，充分利用厂区现有设施，合理布置热力发电机组设备、系统。3.2部分主要设备的选型要求及选择3.2.1余热锅炉余热锅炉是余热发电系统的关键设备和核心，如何将富含能量的热介质回收汇集以及引出，进而通过余热锅炉进行能量转换是一个技术难点，余热锅炉本身的设计一定程度上决定了余热回收利用的比例和彻底性。余热锅炉取的排烟温度越低，锅炉的受热面布置越多，回收的烟气余热量越大。但锅炉等系统的投资会随受热面积增加而增加。余热锅炉的选取需要考虑以下几点16：（1）余热锅炉进气温度比较低，因此余热锅炉的传热温差比较小，其最小传热温差的选取不仅决定余热锅炉的成本，而且决定了主蒸汽的参数。（2）余热源中含有SO2等酸性气体和水蒸汽，从而存在酸露点温度，当温度低于酸露点温度时将严重腐蚀尾部烟道的受热面。（3）锅炉布置可分为立式、卧式两种。目前的国外余热锅炉多采用卧式布置，国内则存在两种布置。立式布置具有占地面积小、灰尘收集方便、烟气流动均匀、传热系数高的优点，但积灰以及积灰清除差于卧式，管束间易出现搭桥现象，耗钢量相对较大。锅炉布置在综合考虑安装条件的基础后选择立式。（4）由于热源含尘浓度大，为防止磨损的发生，采用合理的流速设计，合理组织烟气动力场，使烟气流动均匀，避免局部过速磨损。同时粉尘粒度小，极易在锅炉受热面上积灰，导致传热系数下降，因此在锅炉设计时需考虑除灰。炉前需设置高效旋风除尘器或电除尘器，除去大部分的粉尘。炉内受热面最好使用模式壁和光管结构，减少积灰的可能，并适当的增加受热面积，防止锅炉出力不足。在设计锅炉时还需设计清灰系统，目前多采用超声波吹灰、压缩气体吹灰和振打清灰。由于余热利用产生的蒸汽压力和流量不大的原因，蒸汽吹灰在余热发电中基本不使用。（5）余热锅炉烟气的流动由炉尾的引风机维持，因此在余热锅炉尾部形成很大的负压区，一般多在57 kPa 左右。漏风将严重影响蒸发量及主蒸汽温度，增加引风机等后续设备电耗。锅炉需整体采用钢板全焊接密封，并对管子穿墙处及炉门采用适当的密封。因此，余热锅炉采用适用于中低温烟气余热回收和利用的双压、立式、无补燃自然循环锅炉。这种锅炉采用双通道烟气进气系统，高温烟气经部分高压受热面换热，低温烟气经部分低压受热面换热，高温烟气烟温降至与低温烟气相当后，两股烟气混合再与其余的受热面换热，充分利用不同品质的烟气，实现烟气热能的梯级利用。锅炉带有自除氧装置，无需额外的除氧装置及其所需的加热蒸汽设备。特别是在余热锅炉冷态启动阶段，现场无法提供除氧加热蒸汽的情况下，可有效保障余热锅炉的正常运行。3.2.2汽轮机组余热蒸汽进汽参数不稳定、比容大、湿度大等特点，要求在汽轮机设计中考虑17。汽轮机组的选取需要考虑以下几点：（1）进汽参数不稳定要求汽轮机的进汽调节系统必须能适应进汽参数的波动，保证汽轮机稳定、安全运行。在主蒸汽前需设置压力调节器控制调节阀，当新蒸汽压力降低时，关小调节阀，防止由于余热锅炉的蒸发量不足，促使压力进一步降低，汽轮机通流末级产生鼓风；反之开大调节阀。（2）余热发电用汽轮机为了快速启动，而且能够在滑压方式下运行，喷嘴配汽在空载和低负荷时只有部分进汽度，这种情况对汽机暖机不利，特别在快速启动时尤为明显，因此余热发电汽轮机采用节流配汽，不设调节级。汽机启动时靠调节阀控制转速，使发电机并网；正常运行时，调节阀全开，汽轮机处于滑压运行状态。此种进汽方式使汽轮机进汽部分始终处于均匀受热状态，这样就能满足在整个启动过程，及低负荷时能够保证汽机进汽均匀，以利于汽机快速启动，提高通流效率。（3）主蒸汽参数低，蒸汽比容增大，要求汽轮机的进汽能力比常规机组大，因此要加大主汽阀口径或增加主汽阀数量。为增加余热发电单位利用率而采用的双压系统，汽轮机必须具有补汽能力。首先设计汽缸时需加大补汽进入的汽缸空间，补汽口采用蜗壳结构，并使补汽的流动方向与汽轮机旋转方向一致，从而使补汽进入汽缸后能够迅速扩散，减少对主流蒸汽的冲击。其次合理设计补汽口的位置，防止由于补汽与主汽之间的温度差使汽缸壁温度发生变化，造成上下缸温差增加，膨胀不均匀，甚至使机组振动增大，影响机组安全、稳定运行。（4）余热发电的补汽多为饱和蒸汽，导致汽轮机末几级相对湿度较大。这不仅增加了机组甩负荷时由于汽机负荷变化导致部件表面水膜闪蒸而引起的超速危险，而且造成汽轮机通流部件的严重侵蚀，汽轮机的安全将受到严重威胁，大大缩短机组使用寿命，而且降低汽轮机的热效率。因此必须采取有效的去湿措施减小蒸汽湿度，并对汽轮机零部件采取防侵蚀的措施来抵抗湿蒸汽的侵蚀，从而减少湿度大给机组带来的各种危害。在补汽进口前增加了防水滴滤网或汽水分离器，减少了进入汽缸内的水滴。通流设计时过加大静叶和动叶的轴间间隙使水滴能充分的雾化，可以减少动叶的腐蚀。汽缸下半设置疏水口，尽可能保证汽缸内壁形状平滑，确保通过重力作用使积水连续流动，通过底部疏水口或排汽管排出。末几级动叶片后设置去湿槽和捕水腔室，收集由于离心力而向外飞出的沉积在动叶表面上的水分。在静止部套的中分面、连接突肩处镀不锈钢保护层防止湿蒸汽的缝隙侵蚀，末几级动叶片背弧顶部焊接整条的司太立合金片，动叶采用电火花强化处理以加强强度，达到防水蚀的目的。（5）余热锅炉排汽将在整个系统中循环利用，在汽轮机的启动和故障停机时，工业系统和余热锅炉还将继续运行。因此在系统中必须设有旁路系统，回收多余蒸汽。在汽机主汽阀前设置旁路系统，主蒸汽通过减温减压阀，流入凝汽器，补汽由于压力低可直接排入凝汽器，从而减少由于汽轮机原因导致的整个工业系统的停机。因此，本系统采用补汽凝汽式双压汽轮机组，该机组有利于提高发电效率。余热锅炉产生的中压蒸汽进入汽轮机中压段做功，低压蒸汽从低压段入口进入汽轮机做功。双压汽轮机虽然增加了汽轮机末级叶片的高度和制作强度要求，增加了汽轮机约15%的造价，但产生的经济效益更高。通过测算，双压汽轮机组比单压汽轮机组发电量约增加15%20%，在3年内即可收回全部投资7。3.2.3除氧器该余热发电系统中，虽然采用了带自除氧装置的余热锅炉，但在此仍对除氧器的选择进行详细描述，以备选择。为了保证余热锅炉的给水水质要求，防止热力设备及其管道的腐蚀，必须除去在锅炉给水中的溶解氧和其他气体。目前除氧方法主要有化学除氧、热力除氧。化学除氧法只能除去水中的氧，但不能除去其他气体，且药品价格昂贵，后期运行费用上升，因此不为首选。热力除氧按工作压力分为真空除氧、大气式除氧以及高压除氧。在工程上对除氧压力的选择主要决定于技术经济比较，目前在余热发电中用的比较多的是真空除氧和大气式除氧。（1）大气式除氧器对进口水温要求较高，一般104，在余热发电系统中不设低压加热器，因此凝结泵出口水温度难以满足其工作要求，造成除氧效果不佳。如果在炉膛尾部再加设一级前置加热器来保证给水除氧效果，这便使锅炉受热面布置变得更加复杂化，且该加热器受到的低温腐蚀也会比较严重，造成设备检修更换周期短。但在双压系统中，用低压蒸汽给水除氧有利于汽轮机低压补汽参数的稳定，从而将因余热参数波动引起的低压蒸汽参数波动缓解于除氧过程，为解列热力系统创造了条件。（2）真空除氧器就是通过降低除氧器内压力，使气体在水中的溶解度降低，使水中的氧和其他气体析出。这种除氧方式可以使水在低温沸腾，在除氧的同时不提高给水温度，因而对进口水温适应范围较广，凝结泵出口水不需要加