（热能工程专业论文）南钢烧结余热回收利用研究.pdf

：。f 、 、( 1 - 、 at h e s i si nt h e r m a le n g i n e e r i n g i f i ll rf i rr l lr r l lll j i y 1716 8 9 9 r e s e a r c ho nt h er e c y c l i n go f s i n t e r i n gw a s t e h e a to fn i s c o b yz h a n gh o n g l i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rd ut a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：旅孑钐铱。 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 南钢烧结余热回收利用研究 摘要 钢铁对国家经济和社会的发展起着非常重要的作用。近年来，我国钢铁产量每年都 以很大比例增长，同时钢铁企业能源消耗也逐年升高。伴随着能源形势的紧张，节能降 耗对钢铁企业越来越重要。烧结工序能耗占整个钢铁企业能耗较大，一般为1 0 - - 2 0 ， 同时有很好的余热利用空问，合理地回收烧结余热有助于钢铁企业的节能降耗。 热平衡分析法和火用分析法是进行热力学分析较常用的方法，因为热平衡分析法简单 直观，容易计算，被广泛采用，但它不能深刻地揭示能量转换发展方向，还要结合其它 分析方法给予补充。火用分析法建立在热力学第一和第二定律基础上，有较强的实用价值， 能级匹配理论可以指导能量的使用。 利用两种热力学分析方法计算烧结工序中烧结机和环冷机两个系统收入、支出和变 化的热量及火用量，给出烧结节能措施及所需能量的数量和品质，根据能级匹配原则合理 利用烧结余热。针对南钢新铁厂1 8 0 m 2 烧结机，开展余热的优化利用，可降低工序能耗 5 4 3 k g c e 。 随着国内烧结机容量的增大，烧结余热的利用也呈现出多元化的趋势，烧结余热发 电受到了越来越多钢铁企业重视。烧结余热发电需要考虑余热的品质和数量。本文从简 单热力发电系统出发，计算机组热效率及发电量等，给出影响因素及优化措施，最后建 立换热模型计算余热锅炉入口侧废气温度等参数。通过对南钢3 6 0 m 烧结机的计算得到 优化后吨矿发电量为17 0 8 k w h 。 关键词：烧结；热力学分析；余热回收利用；余热发电 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h er e c y c l i n go fs i n t e r i n gw a s t eh e a t o f n i s c o a bs t r a c t t h es t e e lp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fs t a t ee c o n o m ya n ds o c i e t y i n r e c e n ty e a r s ，o u rc o u n t r y ss t e e l p r o d u c t i o n t oal a r g e p r o p o r t i o n o fa n n u a lg r o w t h ， s i m u l t a n e o u s l ye n e r g yc o n s u m p t i o ni ns t e e le n t e r p r i s e sh a sa l s oi n c r e a s e dy e a rb yy e a r w i t h t h ei n t e n s i v ee n e r g ys i t u a t i o n ，t h ee n e r g ys a v i n gi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ot h es t e e l e n t e m h s e s t h ee n e r g vc o n s u m n t i o no fs i n t e d n go r o e e s sa c c o u n t e df o ral a m eo r o o o r t i o no f t h ee n t i r es t e e le n t e r p r i s e se n e r g yc o n s u m p t i o n ，g e n e r a l l yi s10 - 2 0 ，s i m u l t a n e o u s l yt h e r ei sa v e r yg o o ds p a c ef o rr e c u p e r a t i o n ，t h er e a s o n a b l er e c o v e r ys i n t e f i n gw a s t eh e a ti sb e n e f i c i a lt o s t e e le n t e r p r i s e se n e r g ys a v i n g t h et h e r m a lb a l a n c e a n a l y s i s a n dt h e e x e r g ya n a l y s i s m e t h o da r ec o n l l n o n t h e r m o d y n a m i ca n a l y t i cm e t h o d s ，b e c a u s e t h e r m a la n a l y t i cm e t h o di ss i m p l ea n d d i r e c t - v i e w i n g ，e a s yt oc a l c u l a t e ，i sw i d e l yu s e d ，b u ti t c a n tp r o f o u n dr e v e a l e de n e r g y c o n v e r s i o nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，i td e m a n d so t h e ra n a l y s i sm e t h o d st og i v et h es u p p l e m e n t t h ee x e r g ya n a l y s i si sb a s e do nt h ef i r s ta n dt h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，h a ss t r o n g p r a c t i c a lv a l u e ，a tt h es a m et i m e ，e n e r g y - m a t c ht h e o r yc a ng u i d et h e u s eo f e n e r g y u s i n gt h et w ok i n d so ft h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d st oc a l c u l a t et h ei n c o m e ，o u t l a y a n dc h a n g e si nt h ea m o u n to fh e a ta n de x e r g yo ft h es i n t e r i n gm a c h i n ea n dt h el i n kc o l d - m a c h i n ei ns i n t e r i n gp r o c e s s ，g i v et h ee n e r g ys a v i n gm e a s u r e sa n dt h en e e d e dq u a n t i t ya n d q u a l i t yo fe n e r g y , u s es i n t e r i n gw a s t eh e a ta c c o r d i n gt oe n e r g y - m a t c hp r i n c i p l er e a s o n a b l y u s i n gt h en i s c on e wi r o n18 0 m 2s i n t e r i n gm a c h i n et oc a r r yo u tt h eo p t i m a lu s eo fw a s t eh e a t ， m a yr e d u c et h ep r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n5 4 3 k gs t a n d a r dc o a l w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h es i n t e r i n gm a c h i n e sc a p a c i t yi no u rc o u n t r y , t h eu s eo f s i n t e r i n gw a s t eh e a ta l s or e p r e s e n td i v e r s i f i e d ，t h es i n t e r i n gw a s t eh e a tc o g e n e r a t i o nh a sa l s o b e e na t t e n t i o n e db ym o r ea n dm o r es t e e le n t e r p r i s e s t h ep o w e rg e n e r a t i o nb ys i n t e r i n gw a s t e h e a tn e e d st oc o n s i d e rt h ew a s t eh e a tq u a l i t ya n dq u a n t i t y t h i sp a p e rb a s e do nt h es i m p l e i i i - 东北大学硕士学位论文 t h e r m a le n e r g yg e n e r a t i n gs y s t e m ，c a l c u l a t e su n i t s t h e r m a le f f i c i e n c ya n dt h eg e n e r a t i n g c a p a c i t ya n ds oo n ，g i v e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n do p t i m i z e dm e a s u r e s f i n a l l yt h i sp a p e r e s t a b l i s h e sh e a tt r a n s f e rm o d e l ，c a l c u l a t e st h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo fe n t r a n c es i d ea n do t h e r p a r a m e t e r s t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nf o rt l l en i s c o3 6 0 m 2s i n t e r i n gm a c h i n eo b t a i n st h e o p t i m i z e dt o ns i n t e rg e n e r a t e de n e r g ym a ya c h i e v e17 0 8 k w h k e yw o r d s ：s i n t e r i n g ；t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ；t h eu s eo fw a s t eh e a tr e c o v e r y ；w a s t eh e a t p o w e rg e n e r a t i o n i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 第1 章文献综述l 1 1 论文背景1 1 1 1 我国钢铁企业的能耗状况1 1 1 2 钢铁企业的余热回收3 1 2 烧结余热的回收利用4 1 2 1 烧结余热的介绍4 1 2 2 国内外烧结余热的利用6 1 2 3 烧结余热发电实例8 1 3 热力学分析方法9 1 3 1 热力学分析方法介绍9 1 3 2 热平衡分析法的发展1 0 1 3 3 火用分析法的发展1 0 1 4 论文主要内容1 1 第2 章烧结佘热回收利用分析方法1 3 2 1 热平衡分析法13 2 1 1 能量平衡方程1 3 2 1 2 稳定流动的能量方程1 4 2 1 3 能量方程式的工程应用1 5 2 2 火用分析法16 2 2 1 基本概念1 6 2 2 2 开口体系工质的火用18 2 2 3 火用的计算1 9 2 2 4 火用平衡方程式2 l 2 3 烧结余热回收利用的热力学分析2 2 2 3 1 烧结余热产生的模型2 2 2 3 2 烧结余热利用的分析方法2 3 第3 章南钢烧结余热资源回收利用热力学分析2 5 东北大学硕士学位论文目录 3 1 南钢烧结工艺介绍及能耗分析2 5 3 1 1 南钢烧结工艺流程介绍2 5 3 1 2 南钢烧结厂概况及余热利用情况2 5 3 1 - 3 南钢烧结工序能耗分析2 7 3 2 南钢18 0 m 2 烧结机余热资源状况分析2 8 3 2 1 烧结机系统2 8 3 2 2 冷却机系统3 6 3 3 南钢18 0 m 2 烧结机余热资源状况分析4 1 3 3 1 烧结余热回收利用方式4 2 3 3 2 余热利用的能量品质4 2 3 3 3 余热的合理分配利用4 4 3 4 南钢3 6 0 m 2 烧结机余热转换利用分析4 5 3 4 1 烧结余热资源状况分析4 5 3 4 2 余热利用的能量品质4 7 3 4 3 烧结余热发电原因4 8 第4 章南钢烧结余热发电系统分析5 1 4 1 烧结机余热发电基本情况51 4 1 1 烧结机余热发电系统的分类5 1 4 1 2 烧结机余热发电的问题5 2 4 2 南钢3 6 0 m 2 烧结机余热发电简单热力系统5 3 4 2 1 烧结余热发电简单热力系统5 3 4 2 2 热量和火用损失计算与分析5 4 4 2 3 余热发电影响因素5 6 4 3 烧结机余热发电优化热力系统5 8 4 3 1 烧结机余热发电系统的优化5 8 4 3 2 热力学参数计算5 9 4 3 3 状态参数分析6 3 4 3 4 热量和火用损失计算与分析6 4 第5 章结论6 7 参考文献6 9 致谢7 1 东北大学硕士学位论文 第1 章文献综述 1 1 论文背景 第1 章文献综述 1 1 1 我国钢铁企业的能耗状况 钢材由于其高强度、通用性和耐用性目i j 仍然是世界上最主要的结构材料及功能材 料，作为生产资料和生活资料被广泛采用，钢铁对国家经济和社会的发展起着举足轻重 的作用，所以是必选材料。根据国际钢铁协会对全球6 3 个主要产钢国的统计，2 0 0 0 年 全球钢产量达到了8 4 3 1 0 9 t t 。2 0 世纪9 0 年代以来，我国钢铁产量持续增长，1 9 9 0 年 钢产量为6 5 3 5 万t ，占世界钢产量的8 4 8 ；2 0 0 0 年的产量是1 2 7 6 4 万t ，占世界产钢 量的1 5 5 1 ；到2 0 0 6 年中国钢产量增加到4 1 8 7 8 万t ，占世界钢产量的3 3 8 1 。随着 钢铁产量的增加，钢铁企业的总能耗也在逐年增长，1 9 9 0 年钢铁工业年能耗总量为9 8 7 2 万t 标煤，2 0 0 0 年是1 2 9 6 0 万t 标煤，2 0 0 6 年是2 9 3 9 8 万t 标煤【2 j ，见图1 1 。 u 擎事擎擎窖擎擎擎事擎拶妒妒萨守擎守 年份 图1 11 9 9 0 - - 2 0 0 6 年中国钢铁年产量和能耗总量 f i g 1 1o u t p u to fc r u d es t e e la n dt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no f c h i n as t e e li n d u s t r yf r o m19 9 0t o2 0 0 6 钢铁企业是能源消耗大户，整个钢铁行业占全国能源消耗总量的1 5 。钢铁工业面 临的能源形势严峻，因为能源供应不足及价格不断上涨，成本已经成为影响钢铁工业发 0 o o 0 0 o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o 5 o 5 0 5 o 5 4 3 3 2 2 1 1 。p妖嘲躜耀罐抖pk嘲钆廿弗器匾 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 展的一个重要因素。我国钢铁工业的能耗明显高于世界主要产钢国，能源费用占成本比 例较大，国内企业间能耗水平差距也比较大。下面给出2 0 世纪9 0 年代世界几个国家的 吨钢能耗情况，见表1 1 【3 1 。 表1 1 部分国家n 屯钢能耗k g c e a ( 钢) t a b l e1 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o np e rt o ns t e e lo fs o m ec o u n t r y ( k g c e t ) 注：1 我国大中型企业司比能耗为9 8 0 k g 标准煤t 钢； 2 国外吨钢能耗中不含焦炭加工能耗。 从表1 1 中可以看出，我国钢铁工业吨钢综合能耗相对其它国家较高，因为统计的 范围与国外相差较大，国外钢铁工业包括烧结、炼铁、炼钢、轧材、铁合金等主要生产 工序；而我国钢铁工业除以上工序外，还包括矿山、耐火、碳素、机修、焦化、等生产、 辅助和其它工序，因此应该对吨钢能耗进行统计范围修正。 若不考虑国内外轧钢系统在工序能耗和成材率两方面的差异，2 0 0 5 年我国大中型钢 铁企业的吨钢可比能耗比先进产钢国高出9 9 ，即6 4 k g c e t ；若考虑两者的差异并取国 内轧钢工序与国外相同的水平，则我国的吨钢可比能耗将比先进产钢国高出1 7 2 ，即 11 2 k g c e t t 4 1 。 自1 9 8 0 年以来，我国钢铁工业在节约能源和非能源两个方面取得了很大成绩，全国 大中型钢铁企业的吨钢可比能耗从1 9 8 0 年的1 2 8 5 t 标煤降到2 0 0 5 年的0 7 1 4 t 标煤，吨 钢可比能耗指标下降了5 7 1 k g 标煤。如果考虑轧钢成材率提高引起的吨钢能耗上升量， 截至2 0 0 5 年吨钢能耗指标实际下降了6 1 7 k g 标煤，其中直接节能的贡献占5 6 3 ，间接 节能贡献占4 3 7 1 4 1 。 国家“十一五”规划提出：“十一五 期末单位国内生产总值能源消耗比“十五 期 术降低2 0 左右。从重点大中型钢铁企业看，“九五”、“十五 期问吨钢综合能耗分别 下降2 0 左右。预计“十一五”期i 、日j 下降幅度会减小，因为我们与国外先进水平的差距 在缩小。2 0 0 6 年1 月中国钢铁工业协会、中国金属学会组织召丌“钢铁行业十一五 节能目标设定 研讨会，确定到2 0 1 0 年的节能目标是：单位产品能耗在2 0 0 5 年基础上 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 降低6 8 ，其中吨钢综合能耗由7 4 7 k g c e t 降低到6 8 0 - - 7 0 0 k g c e a ，吨钢可比能耗由 7 1 4 k g c e t 降低到6 6 0 6 7 0 k g c e & ( 按电力折算系数0 4 0 4 算) ，总体上达到国际先进水平， 部分企业达到国际领先水平f 5 】o 1 1 2 钢铁企业的余热回收 2 0 世纪8 0 年代初，陆钟武院士主张既要节约能源又要节约非能源，指出了我国钢 铁工业的节能方向：降低各个生产环节第一类载能体的单耗及其载能量，降低各个生产 环节第二类载能体及其载能量，回收散失的各种余热，余能和废气物【4 1 。1 9 9 4 年和1 9 9 6 年陆钟武院士及其合作者在发表的两篇文章中提出：“我国钢铁工业节能方面的研究”和 “再论我国钢铁工业节能方向和途径提出吨钢能耗的e - p 分析法，同时给出“钢比系 数”定义，论证了节约能源和节约非能源同样重要1 6 , 7 】。 钢铁企业降低工序能耗要从两个方面入手，一方面降低该工序单位产品所直接消耗 的燃料量和各种动力；另一方面及时地回收本工序产生的各种余热和余能。随着钢铁工 业生产流程的逐步优化和工序能耗的不断下降，节能难度越来越大，回收利用余热余能 的效果会更加明显 4 1 。 钢铁工业消耗能源推动物料转变的同时会产生大量的余热余能，各种余热余能的有 效回收利用已成为钢铁工业进一步节能的方向和途径。王建军等人在对国内2 0 家钢铁企 业余热余能回收利用调研的基础上，按主要生产工序分析计算了我国钢铁工业余热余能 资源量及回收利用现状，并计算目前我国钢铁工业的吨钢余热余能量及回收率，如表1 2 所示，分析计算了未来我国钢铁工业各生产工序余热余能回收利用水平，给出了节能潜 力【8 】o 表1 2 我国钢铁余热余能资源及同收利用k g c e t ( 钢) t a b l e1 2t h er e c l a i ma n du t i l i z er e s i d u a lh e a ta n de n e r g yo fc h i n a ( k g c e t ) 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 炼铁 高炉渣显热 高炉冷却水显热 高炉煤气显热 热风炉烟气显热 高炉煤气余压 高炉煤气化学能 1 8 50 4 3 2 40 0 2 6 30 0 2 7 3 31 5 7 9 1 2 33 7 1 2 73 2 1 7 1 11 5 0 6 钢坯显热 1 7 56 9 钢渣显热 5 1o 0 转炉 转炉煤气显热 7 22 9 炼钢 6 2 02 7 8 转炉煤气化学能 2 7 51 6 7 电炉 钢坯显热3 3 1 3 电炉烟气显热1 4 0 0 注：包括回收的高炉煤气显热和余压，全部作为高炉煤气余压的回收量。 1 2 烧结余热的回t l 女：n 用 1 2 1 烧结余热的介绍 在钢铁企业中，烧结工序的能耗仅次于炼铁，居第二位，一般为钢铁企业总能耗的 1 0 - 2 0 。国内外很多钢铁企业对烧结过程也做了热平衡计算，郭森魁、何屏根据据某 钢铁厂热平衡测试数据9 1 得出：烧结机的热收入中8 8 的热能由焦粉燃料提供，点火用烟 气代入6 ，高炉瓦斯灰中的炭燃烧代入4 ；热支出项目中，水分蒸发耗热占1 8 2 ， 东北大学硕士学位论文 第1 章文献综述 石灰石分解热占1 5 2 ，冷却废气占3 1 2 和烧结废气显热占2 8 2 ，如图1 3 所示，热 烧结矿在经环冷机冷却的过程中，热能变为冷却废气显热。 3 5 3 0 2 5 爸2 0 萎1 5 i 皿 1 0 5 0 联1 鏊i 黟 錾5 卜 鬃麓鏊 参霹薰 罄 罄，琶罄 嗣 篓么鬓。上i藿二匿三 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 1 2 2 国内外烧结余热的利用 ( 1 ) 国内烧结余热的利用情况 目前，国内烧结厂回收的余热主要是冷却机冷却废气显热，利用途径各有差异，有 用于点火保温炉作助燃空气，有用于加热点火前混合料，有用于热风烧结，有用于产生 蒸汽供公司使用，还有进行余热发电。 国内不少钢铁企业采用了热风点火技术，例如济钢等，据济钢现有效果和预测分析， 采用带冷废气直接助燃的热风点火技术后，可取得产量提高2 ，转鼓指数提高约1 5 ， 成品率提高2 ，降低燃气单耗1 2 , - - - - 1 4 和固定碳消耗降低2 , - - - , 4 的显著效果【l l 】。 烧结余热可用于加热混合料，将冷却废热加热烧结机点火前的混合料，对混合料进 行预热，例如津西钢铁的2 0 0 m 2 和2 6 5 m 2 烧结机均采用预热混合料，降低固体燃料消耗 2 3 k g t 。也可用于热风烧结，让抽风空气经过预热，使烧结过程加速，固体燃料消耗减 少，改善了烧结矿的强度，提高产量，例如沙钢，根据公司3 6 0 m 2 烧结机做出的对比测 试，进行热风烧结，烧结矿转鼓强度提高了1 5 【1 2 】。 目自i f 国内很多钢厂回收冷却机余热是利用余热锅炉回收冷却废热，余热锅炉产生蒸 汽并入公司蒸汽主网供生产或者生活使用，这种余热锅炉很多利用热管换热技术。热管 技术的主要特点是利用气化相变传热，传热效率高，性能可靠，投资回收期短，已经获 得了广泛的工业应用，主要集中在中低温余热资源回收利用方面。为了有效地利用冷却 余热，南京化工学院热管技术开发中心与武钢一烧合作，在武钢一烧4 号带冷机上设计 安装了一套热管蒸汽发生系统，生产低压蒸汽b 】。采用热管技术回收烧结工序的余热产 生蒸汽系统，经马钢二烧、武钢一烧、安阳钢铁公司烧结厂及攀钢烧结厂等厂的投运， 取得较好的效果。热管余热蒸汽发生系统用于烧结废气的余热回收具有独特的优点，经 济效益良好，有一定推广价值和应用前景。 东鞍山烧结厂3 6 0 m 2 烧结机采用了一种翅片式余热回收装置，翅片管式余热回收装 置是采用高频焊接的螺旋翅片管组，管内介质为软水，由管外的热废气加热管内软水使 其蒸发产生蒸汽。翅片管式余热回收置的传热是通过管壁传导进行的，其热量被直接传 递给饱和水进行换热。从换热机理来说，水侧的传热系数远远大于气侧的传热系数，限 东北大学硕士学位论文笫1 章文献综述 制性环节在气体侧。所以，改善气体侧的换热，将提高综合传热系数。因为它属于一次 换热，换热效率高【1 4 1 。 宝钢的能源消耗在全国重点钢铁企业中是最低的，1 9 9 6 年其烧结工序能耗已经降到 5 7 2 1 k g c e a i ”1 ，余能余热回收率约在4 5 左右。烧结工艺中，一期工程一号烧结机采用 环冷机热风预热煤气装置，将环冷机产生的部分废气用作点火炉和保温炉的助燃风，以 降低焦炉煤气的消耗量。二号烧结机投产后，自行开发了主排风烟气废热和环冷机烧结 矿显热回收装置，与余热锅炉连接产生蒸汽，参与全厂蒸汽平衡。该装置每小时能生产 过热蒸汽5 6 6 - - - - 8 0 2 t ，即每吨烧结矿能产汽9 0 5 一 1 2 8 3 k g t l 6 1 。 ( 2 ) 国外烧结余热的回收利用情况 国外很早就对烧结余热的回收利用进行了研究。同本是能源贫乏的国家，对烧结余 热利用技术的研究与开发取得了很好的成绩。1 9 7 6 年，日本新日铁的室兰6 号烧结机和 若松4 号烧结机使用了点火器供风装置。1 9 7 9 年，日本住友金属和歌山的3 号和4 号烧 结机投产冷却机废气余热锅炉，产生蒸汽分别为2 2 t h 和2 0 t h t l 7 】。 日本自1 9 7 7 年来新建的烧结厂较少，多数余热回收装置是八十年代以后建成的，一 般是通过技术改造新增加的系统，实践证明这些装置运行正常。由于回收废气的温度不 同，回收的流程( 废气循环流程) 不同，设备条件( 主要是密封效果) 的不同，各厂实际的热 回收效率也有很大的差异，在产生蒸汽的各厂中比较，冷却机废气余热回收效率最高的 厂是住友的小仓厂，平均每吨烧结矿可回收1 0 4 3 k g 蒸汽，压力为0 8 8 3 1 2 7 5 m p a ，温 度为2 7 3 。烧结机废气的余热回收以新日铁大分2 号机效果最好，平均每吨烧结矿可 回收蒸汽量为3 2 8 k g ，压力1 o m p a ，温度为2 1 3 c 。若松热水发电目前实际达到发电量 约5 4 6 0 k w h ，平均每吨烧结矿发电量为7 5 k w h t l 8 1 。 日本住友金属工业公司和歌山制铁所采用直线型冷却机，冷却层厚度较薄，排出空 气温度低( 2 0 0 ) ，为更有效地回收热量，采用了二通路式显热回收装置【1 9 】。其工艺特点 是将冷却层的高温段分成两个室，循环气体先后经两室与赤热烧结矿进行两次热交换， 传热面积相同，由于通过烧结矿的气流速度提高一倍，回收热量也增加约5 0 。采用这 种方式，适宜循环风量为每吨矿7 0 0 - - - - 8 0 0 m 3 回收热量为该烧结矿消费热量的1 0 以上。 在欧洲，余利利用发展也较快，主要产钢国家的重点烧结厂基本上实现了冷却机排 7 东北大学硕士学位论文 第1 章文献综述 气的余热利用。德国施韦尔根烧结厂3 号机点火炉于1 9 8 5 年利用冷却机排气作助燃空气； 4 号烧结机还将热风送往烧结废气脱硫装置。意大利塔兰托烧结厂，采用冷却机排气作 助燃空气及其它措施后，使点火燃耗下降3 4 左右。采用冷却机排气作点火助燃空气的 还有英国雷德卡等厂和荷兰艾莫依登厂。此外，澳大利亚b h p 公司肯布拉港烧结厂将冷 却机排气用于预热点火助燃空气和机上混合料，使点火煤气单耗由4 m 3 降到1 5 m 3 ，焦 耗由5 2 4 k g t 减少到4 7 4 k 卧2 0 1 。 德国蒂森钢铁公司施韦尔根厂利用冷却机废气余热预热烧结点火助燃空气。具体做 法是在3 号烧结机的卸矿处和冷却机排气罩上装有三级循环冷却器，出口与电除尘相连， 除尘器的气流量为2 8 5 0 0 0 m 3 h ，平均温度为2 0 0 。c ，粉尘含量低于3 0 m g m 3 。该冷却机排 出的废气通过风管进入2 、3 和4 号烧结机点火器作助燃空气用，每台烧结机可节约热量 平均为3 0 m j t 烧结矿，系统回收的总热量为4 0 g j t 烧结矿【2 。 p m p e l a g a g g e ，a c c a p u t o 和g c a r d a r e l l i 等为了回收坚硬层的余热，在不稳 定状态操作的假设下，分析了几个热回收装置。假设恒定的、相同的冷却空气流速，考 虑了基于单一和双重罩的解决方案。结果表明，在第二罩用做预热空气的来源时，双重 罩系统能够得到超过单一罩的重大改进。改进以热传递效率和操作适应性的形式来达到 实际的流动条件【2 2 】。 a c c a p u t o ，gc a r d a r e l l i 和p m p e l a g a g g e 对一个在非稳态状态下移动床热回收 优化的研究项目作出了首要贡献。提出了一个能表现气一固床在不同操作参数和设计选择 下状况的仿真模型。通过给高炉供料的烧结厂空冷床对这个方法进行了详细的介绍。特 别分析了t a r a n t oi l v a 钢铁厂的烧结冷却机。模型的结果为热回收系统的设计和管理提供 了有用的参考【2 3 】。 1 2 3 烧结余热发电实例 最早利用烧结余热发电的钢铁企业是日本钢管公司的扇岛厂和福山厂，采用冷却机 高温段循环冷却风方式。 日本新同铁和住友也较早的利用烧结余热进行发电。1 9 7 1 年投产的君津3 拌机是一台 5 0 0 m 2 的带式烧结机，年产烧结5 4 7 5 万t ，冷却采用鼓风环冷机。1 9 8 1 年底安装了一套 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 低沸点有机介质循环的余热发电系统，发电量可达1 2 5 k w h 。1 9 7 6 年投产的小仓3 撑烧结 机面积为2 2 3 m 2 ，其余热回收系统每小时产生1 1 0 m p a 蒸汽2 6 吨，余热发电装机容量 5 0 0 k w 。住友和歌山4 # 烧结机采用机上冷却的方式，面积为1 8 9 m 2 ，在机上冷却段分两 段布置两台余热锅炉产生中压过热蒸汽，供给自备发电站用于发电，并且从一级省煤器 后抽出热水作为自备电站锅炉预热供水2 4 1 。 马钢是我国首先利用烧结余热进行发电的钢铁企业，余热发电系统主要有烟气回收 输送系统、烟气锅炉系统、凝汽式汽轮机发电系统和d c s 集散控制系统等组成。烧结带 冷机烟罩出口的3 6 0 3 9 5 废气从废气锅炉顶部进入废气锅炉进行热交换，经余热锅炉 换热后的过热蒸汽推动汽轮发电机组发电。废气锅炉采用卧式自然循环汽包炉，额定参 数：烟气3 9 5 。c 、4 0 万m 3 h 、含尘量2 9 m 3 ；过热蒸汽3 7 5 c 、1 9 5 m p a 、3 7 4 t h t 2 5 1 。 济钢第二烧结厂现有3 2 0 m 2 烧结机一台，2 0 0 7 年3 月该烧结余热发电系统并网发电。 该系统通过引风机将带冷机l 号、2 号烟囱的4 0 0 的高温烟气引出，混合后进入高效余 热锅炉，加热锅炉内的水产生3 7 5 c 的过热蒸汽和0 3 9 m p a 的低压饱和蒸汽，供给汽轮 机发电。经引风机排出的烟气经过三通挡板阀一部分排向大气，一部分经循环风机增压 后返回2 号带冷鼓风机风作为冷却介质冷却烧结矿，以提高带冷机排烟温度【2 6 1 。 1 3 热力学分析方法 1 3 1 热力学分析方法介绍 根据热力学原理对能量系统进行热力学分析可以有不同的方法。能量平衡法是基础 的分析方法，它依据热力学第一定律从能量数量方面分析研究，揭示能量传递和转换过 程中的数量关系；熵分析法以热力学第二定律为基础，它从能量的品质方面对能量传递 和转换过程进行分析，它以熵增原理为依据，求取能量传递和转换过程中的不可逆熵产 及不可逆损失为目标，通过对热力学过程和循环中的能量贬值状况分析，采取措施改进 热力过程或循环，从而减少品质的降低；火用分析法是以热力学第二定律为基础，结合热 力学第一定律，从质和量两个方面进行热力学分析；因为任何系统，包括设备、过程和 循环等都存在能量供给和能量使用的匹配问题，因此在火用分析基础上出现了能级分析法； 东北大学硕士学位论文 第1 章文献综述 因为热力学分析通常要为经济利益服务，因此也出现了火用分析法的另一个发展方面热经 济学田1 。 本文采用热平衡分析法和火用分析法对烧结余热转换利用进行分析，因为热量分析法 简单直观，容易计算，目前被广泛采用，但是它不能深刻的揭示能量转换的发展方向， 所以还要结合其它分析方法给予补充。火用分析法建立在热力学第一和第二定律上，它从 技术上做功的角度说明了能量的转换方向，因此有较强的实用价值。同时本文利用能级 匹配理论指导能量的使用。 1 3 2 热平衡分析法的发展【2 8 】 1 8 4 2 年，迈耶( 1 8 1 4 1 8 7 8 ) 提出了能量守恒原理，认为热是能量的一种形式，可 以和机械能相互转换。 1 8 5 0 年焦耳( 1 8 1 8 1 8 8 9 ) 在他的关于热功相当实验的总结论文中，以各种精确的 实验结果使能量守恒与转换定律，即热力学第一定律得到了充分的证实。能量守恒与转 换定律是1 9 世纪物理学的最重要发现。 1 8 5 1 年，汤姆逊把能量这一概念引入热力学。 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用，它确定了热力过程中热 力系与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。根据热力学第一定律， 对任何热力过程建立热力系统的能量平衡方程式，进行热力学分析。它可以从系统在状 态变化过程中各项能量的变化和它们的总能量守恒这一原则推出。热力学第一定律应用 于系统中的能量变化时可写成如下形式： 进入系统的能量一离开系统的能量= 系统中储存能量的增加 上式是系统能量平衡的基本表达式，任何系统，任何过程均可据此原则建立其平衡 式。 1 3 3 火用分析法的发展【2 9 】 火用的发展是建立在热力学第一和第二定律基础上的，简单介绍火用的发展史。 1 7 8 4 1 7 9 3 年间，英国人瓦特( 1 7 3 6 , - - 1 7 1 9 ) 研发了高于大气压的单缸蒸汽机，提 东北大学硕士学位论文第1 章文献综述 高了蒸汽机的参数。 1 8 2 4 年，法国人卡诺( 1 7 9 6 - 1 8 3 2 ) 提出了卡诺定律和卡诺循环，即热机必须在两 个不同温度的热源之间工作，提出了热机最高热效率概念。 1 8 5 0 年，克劳修斯从能量传递方向性的角度提出：热不可能自发地，不付代价地从 低温物体传至高温物体。 1 8 5 1 年，开尔文和普朗克等人从热能转化为机械能的角度提出：不可能制造出从单 一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化地热力发动机。即为热力学第二 定律的一种表示方法。 热力学第一定律确定了各种热力过程中总能量在数量上的守恒，而热力学第二定律 则说明了各种实际热力过程中能量在质量上的贬值，可用能的减少。 卡诺，汤姆逊，泰特早在1 9 世纪初就确定了热量的有效部分g ( 1 一爿和无效部分 曰，即工程热力学的有效热和无效热。 1 9 0 5 年斯托多拉( a s t o d l a ) 研究了稳定物质流，计算了稳定物质流的最大有效功， 计算了不可逆过程中熵增与损失问关系，即高乌一斯托多拉公式。 基南( j h k e e n a n ) 称最大有效功为有效能，当系统同环境达到平衡时，有效能为 零，他首次明确地取环境为有效能的计算基准。 1 9 5 6 年朗特( z r a n t ) 命名为e x e r g i e ，得到公认。1 9 6 0 - 1 9 6 3 年，朗特将火用重新定 义为能量的可转换部分，而将不可转换部分定义为“火无 。 1 9 5 7 年南京工学院动力系将e x e r g i e 译为“火用”。 1 9 6 1 年朗特提出了能级q 的概念。 1 9 8 1 年，吴幼奋利用能级匹配原则，提出余热利用的关系式。 1 4 论文主要内容 近年来我国钢铁工业取得