烧结余热能效发电研究

华北电力大学(北京)博士学位论文烧结余热能效发电研究姓名：赵斌申请学位级别：博士专业：动力工程及工程热物理；热能工程指导教师：徐鸿；杜小泽201206摘要摘 要我国将节能减排定为钢铁工业重点研究目标之一，而高效回收和充分利用钢铁工业余热是未来钢铁生产深层次节能的突破口。随着国家大型钢铁项目的立项和节能减排的迫切要求，烧结工序中烧结机尾风箱烟气和烧结矿显热的高效回收与发电是亟待攻克的难题。论文以钢铁工业中烧结工序为研究对象，根据场协同原理和能量梯级利用方法，进行了烧结余热高效回收理论研究、烧结矿显热梯级回收实验研究、烧结余热高效回收装置及工艺研发和烧结余热电站优化选型与优化调度。四部分内容既相互独立又相互支撑、相互印证。主要科学问题涉及：1建立烧结矿输送和冷却两个过程的换热模型，基于烧结能流图，揭示输送通道和冷却机内热质输运效应；根据对流传热优化的场协同原理，进行烧结矿气固换热机理分析，研发了立式冷却机和双螺旋冷却机，揭示中低温余热能传递中品位提升的科学本质。2利用正交实验法进行烧结矿显热梯级回收实验，研究不同粒径、料厚、冷却风量和进口风温下冷却机的换热特性，揭示烧结矿操作工艺和设备参数等因素对冷却机废气冷却速率和热源参数的影响，为冷却机的优化操作、设计和改进提供依据。3根据协同回收和梯级利用方法，研发三进气余热锅炉和双工质热源余热锅炉，以期全面提升烧结余热回收装置的性能和效率，达到烧结余热热耗散最小的目标。进行烧结机及冷却机一余热锅炉汽轮机热功转换的科学基础与循环协同规律研究，提出了烧结双余热源集成发电和旋冷机梯级发电先进工艺方案。4以净发电功率为优化目标值，依据梯级利用方法，建立烧结余热电站热力计算和优化模型，进行热力系统及设备的优化选型。研究废气系统与汽水系统的耦合机制及冷却机适应烧结机制变化的响应策略，提出了单位烧结矿余热发电指标优化调度的方法，以达到对烧结余热电站运行的优化调度。论文从热能传递和转换的角度开展了烧结余热高效发电应用基础研究，开发了冷却机强化换热技术、烧结矿显热提取技术、烧结余热梯级回收技术和烧结余热电站优化选型四项关键技术。其研究成果为中低品位工业余热高效回收基础科学问题的研究提供了理论参考，也为钢铁工业节能减排提供了技术保障。关键词：烧结余热；场协同；实验研究；装置研发；梯级发电华北电力大学博士学位论文AbstractEnergyemcient and emission-reducing has been taken as one of the importantresearch targets in iron and steelindustry in China，and e珩cient recovery and mU useof the waste heat in iron and steel industry will be as the breakthrough of deep-levelene唱y conservation in ifon and steel pmductionWith project selection of major ironand steel project and u唱ent demand in energyemcient and emissionreducing inChina，ef葑cient recoVery and power generation of sensible heat of nue gas仃omsintering machine tail bellows and sinter ore in sintering process is an u唱ent problemto overcomeIn this dissertation，the sintering process in iron and steel industry istaken as the research objectAnd based on field syllergy principle and ene玛y cascadeutilization method，lots of work including theoretical study on ef丘cient recoVery ofsintering waste heat，experimental study on sensible heat cascade recoVery of sinter，development of efEicient recovery deVice and process about sintering waste heat andoptimal selection and scheduling of sintering waste heat power station is doneAboVefIour parrts，they are independent of each other，support each other and proVe eachotherThe major scientmc issues inVolVed are as f01lows：1Heat transfer model of two processes including sinter conVeying and sintercooling is establishedBased on the sintering energy now diagram，themomasstransport effect on transport pathways and in cooler is reVealedAccording to fieldsyne唱y principle of conVectiVe heat transfer optimization，the mechanism of sintergass01id heat transf酐is analyzed，Venical Sinter cooler and doubleheliX sinteTc001er are developed， and the scientific essence of improVement of medium-lowtemperature waste heat孕ade is reVealed。2Combined with orthogonal experimental method，the experiment of sintersensible heat cascade recovery is done Heat transfbr characteristic in differentpanicle size，material thickness，c001ing air V01ume and air temperature of me c001erinlet is discussed The innuence of sinter operation process and equipmentparameters and other factors on c001ing rate of c001er exhaust gas and heat sourcepar锄eters is revealedAbove work can proVide basis for the optimization operation，design and improVement of me cooler3 According to the method of c01laborative heat recovery and cascadeutilizationthe threeinlet HRSG and dual-source HRSG are developed to enhanceTTcompr“ensively the perfbrmance and emciency of the sintering waste heat recoVerydevice，and to achieve the goal of minimizing the sintering waste heat dlsslpatlonThe disserrtation researches scientific basis and circulation collaboratiVe 1aw ofconvenion行om heat to mechanical energy among sintermg machine and cooler，waste heat boiler and ste啪turbine，then puts fb刑ard adVanced pro伊ess programabout sintering double waste heat sourcec001er cascade power generationintegrated power generation and helical4Net power output is taken as the optimization targetAccording to the methodof cascade utilization， this dissertation builds thennodynamic calculation andoptimization model of sintering waste heat power station， and makes optimizedselection of the咖al system and equipment，at the s釉e time，researches couplingmechanism of exhaust syst锄a11d steamwater system and response strategy otc001er adapting to sintering mechanism change，then proVides the optimal diSpatchmemod about unit sinter waste heat power generation indicators to achieVe optimizedscheduling to sintering waste heat power station operationAt the view of heat transfer and converSion，this dissertation carries out appliedbasic research on emcient power generation of sintering waste heat，and deVelopsfour key technologies includes the technology of c001er heat transfer enhancement，teclm0109y of sinter sensible heat extraction， technology of cascade recoVery ofsintering waste heat，techn0109y of optimizated selection of sintering waste heatpower stationThe research results provide theoretical reference for basic scienceproblem research about lowmedium铲ade industrial waste heat e髓cient recoVery，and also off打technical assura】【1ce for ene堵ye伍cient and emissionreducing in theiron and steel industr讥K|eywords： sintering waste heat； field synergy； experimental research； deVicedevelopment；cascade power generationIII第1章绪论11选题背景及意义第1章绪论111选题背景近年来，随着世界尤其是我国常规能源的短缺和能源与环境之问关系的日益紧张，节能减排越来越受到社会各界的重视【I刁J。节约能源对保证我国经济的快速发展、提高经济效益、推进技术进步、合理利用资源、减少环境污染、提高人民生活水平等起着重要的作用，也是实现我国经济增长方式从粗放型向集约型转变的重要途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。保护环境、节能减排、建设资源节约型社会已成为中国各级政府的共识。国家“十一五”规划纲要明确提出：“十一五”期间，要实现“单位国内生产总值能耗降低20，主要污染物排放总量减少10”的约束性指标，并提出“在钢铁等行业开展余热余压利用和能量系统优化，使企业综合能耗达到或接近世界先进水平的具体目标。国务院于2011年8月31日发布关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知(国发(2011)26号)，对“十二五”节能减排提出了更为具体的措施和更高的目标要求。钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是实现我国工业化的支撑产业，也是资源、能源密集型产业和高耗能行业之一。近年来，随着钢产量的迅猛增长，能源消耗与环境保护之间的矛盾日益突出，钢铁工业面临的“节能减排”形势和任务十分严峻。此外，能源成本占钢铁企业成本的2030【41，能源消耗事关企业兴衰存亡，节能减排不仅是企业抵御市场风险的有力武器，更是钢铁企业立足长远提高企业核心竞争力的有力手段。钢铁企业余热资源的回收与高效转换一直是世界各国冶金工作者关注的焦点问题【5书J。钢铁工业在生产过程中会产生大量的余热资源。钢铁工业生产中的余热有高温热源和中低温热源。其中，高温热源包括焦炭显热、转炉烟气显热和熔融炉渣显热等，中低温热源则包括烧结矿球团矿显热、烧结机烟气和热风炉烟气显热等。目前国外先进钢铁企业对余热、余压和副产煤气等能源的回收率均在90以上，而国内目前的回收率不足258。所以，今后除了继续把结构调整、流程优化作为降低吨钢能耗的重要途径之外，加强余热回收与再利用也将是我国钢铁工业节能的主攻方向。烧结是我国铁矿粉造块的主导生产工艺，是整个钢铁生产流程中重要的一华北电力大学博：卜学位论文环。烧结工序的物料处理量在钢铁联合企业中处于第二位【9】，仅次于高炉炼铁，是现代钢铁制造流程中物质流、能量流【lo最大的工序之一。降低烧结工序能耗是烧结生产中的重要课题，也是降低烧结矿成本的重要途径。据统计，全国炼铁系统能耗占钢铁工业总能耗的6941，其中烧结工序能耗约占整个企业能耗的10，是仅次于炼铁的第二大耗能工序，烧结工序中有50左右的热能被烧结烟气和冷却机废气带走。除去热风烧结、热风点火、热风保温所用热风之外，热风还有大量剩余。由于各厂配料不同，采用的工艺不同，烧结机建设水平不同，烟气和废气参数差别较大。一般钢铁企业的烧结厂，烧结机主烟道烟气余热占烧结工序能耗的1323，环式冷却机(简称环冷机)或带式冷却机(简称带冷机)的废气余热占烧结工序能耗的19。35。而据有关数据统计，在实际生产过程中，余热资源回收利用水平与国际先进水平相比仍有一定差距，若不包括副产煤气和高炉炉顶压差发电在内，国际先进钢铁企业的余热资源回收率均在50以上，但我国的回收利用率不足30。据统计，钢铁企业吨钢余热资源总量为2878kgce7ts。其中，烧结和转炉烟气余热及钢渣显热资源量约占235。在钢铁生产过程中产生的各种余热余能资源中，烧结工序中低温余热资源由于存在分散、间歇、低温等特点并受到工艺和技术等因素的限制尚未被有效回收和充分利用【l。现有烧结冷却机电站吨矿余热发电指标不足20kwh，具有较大的节能空剐12。1 3I。112研究意义当前，我国能源利用仍然存在着利用率低、经济效益差、生态环境压力大的主要问题，提高能源综合利用率是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位，而余热回收利用是实现工业节能降耗的重要手段。我国工业余热资源十分丰富且广泛存在于各种生产过程中，特别在煤炭、石油、钢铁、化工、建材、机械、轻工和电力等行业，被视为继煤、石油、天然气、水力之后的第5大常规能源。受历史、技术、理念等因素局限，我国大量运营的工业耗能装置中的绝大部分，其原始设计无法合理利用显热和潜热，在生产中有大量的余热能直接放散，既浪费能源又污染环境。数据显示，我国工业各领域余热总资源占其燃料消耗总量的1767，其中可回收利用的部分占余热总量的60左右。余热回收技术及技术创新是余热再利用产业链中的核心环节，是一项国家鼓励与大力扶持、推广的节能环保项目【H。1 51。“十二五”期间国家对余热再利用产业扶持政策力度的加大，更将推动余热再利用产业及余热回收技术进步迈向一个快速发展阶段，其市场前景会更加广阔。钢铁工业作为资源、能源密集型产业，每年消耗大量的能源。我国作为一个第1章绪论发展中大国，在经济发展的相当长时期内钢铁需求量大，产量已多年位居世界第一，但在同等GDP条件下，我国的一次能源消耗量远高于发达国家，钢铁生产过程中产生大量的资源，是钢铁工业可利用的重要资源之一。在钢铁生产过程中产生的二次能源中，烧结工序中低温余热由于受到工艺和技术等因素的限制而不能被充分利用。而对口装备的研发、工艺系统的优化设计及高效的运行控制是实现钢铁企业能量系统优化和深层次节能的突破口【1 6l。烧结余热回收是加强二次能源回收利用、节约能源的有效途径之一17。1 81。目前大型烧结厂的烧结矿显热回收主要通过余热锅炉产生蒸汽用于发电1 91，但电站运行中普遍存在着漏风率高，无效风量大，导致鼓风机功耗增加；不同温度的热废气汇合后回收，造成热源温度降低，中低品位回收利用较困难；受烧结机作业率等的影响，热源波动大，没有可靠的稳定措旌三个难题2 01。根据烧结余热利用的现有技术水平及工程实践，结合烧结余热资源的数量和品位以及用户的需求特点，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的技术方法，进行钢铁企业中低温余热高效回收应用基础研究。强化烧结矿显热的提取，研发新一代冷却机及余热锅炉装置，利用梯级取热的方法将热量重新分配，提高余热品位和利用价值，稳定余热源参数，实现余热电站装备创新和工艺的集成，将中低温余热最大限度地加以回收与发电，具有重要的学术价值和现实意义。12烧结余热发电现状及研究动态121钢铁工业余热资源分布钢铁生产过程产生的大量二次能源主要分为余热和余能两大类。余热为各主要生产工序排出的热载体(以环境温度25为基准)可释放的热量；余能主要有高炉煤气余压及焦炉、高炉和转炉煤气的化学能。调查了国内20余家钢铁企业的二次能源资源量及其回收和利用状况，20052006年统计结果：生产1t钢产生的二次能源平均为1329GJ211。其中，焦化工序产生余热为093GJ，占二次能源总量的700，占余热总量的1306；烧结球团工序产生的余热为156GJ，占二次能源总量的1174，占余热总量的2191：炼铁工序产生二次能源为798GJ，占二次能源总量的6004，其中余热为261GJ，占余热总量的3665；炼钢工序产生二次能源为181GJ，占二次能源总量的1362，其中余热为10lGJ，占余热总量的1419；轧钢工序产生余热为101GJ，。占二次能源总量的760，余热总量的1419221。钢铁工业二次能源构成见图11，余热资源分布见图12。华北电力人学博十学位论文炼141炼钢轧钢760图11钢铁：r业二次能源分布Fig11 Distribution secondary energy of steel industry轧钢 焦化结球团191图12钢铁_1：业余热资源分布Fig1-2 Dis仃ibution heat of steelindustry烧结工序是高炉矿料入炉以前的准备工序，有块状烧结和球团状烧结两种工艺。块状烧结是将不能直接加入炉的炼铁原料，如精矿粉、高炉炉尘、硫酸渣等配加一定的燃料和溶剂，加热到13001500，使粉料烧结成块状。而烧结工序中余热资源包括烧结矿显热和烧结机烟气显热2种，以1t钢为基准核算烧结余热的回收利用数据【22J见表11。表11烧结余热资源及回收量统计表Tab1-l Statistics of sintering waste heat source and recoVery quantity4第l章绪论122烧结工序余热资源分布烧结过程是热加工过程。在目前普遍采用冷矿工艺的情况下，烧结过程又可分为烧结和冷却2个环节引。烧结过程能流如图13141所示，烧结工序余热能温度分布如图14所示。图13烧结过程能流图Fig1-3 TherIIlal balance of sintering process冷却机p越赠醇趟窭景愈废气显热293图14烧结工序余热能温度分布Fig1-4 Waste heat temperatllre distribution in sintedng process(1)余热资源量从图13分析可知，以过程形式耗散的冷却机废气和烧结机烟气显热是烧结过程的主要余热资源。其中，冷却机废气显热占烧结总热量的29