烧结烟气暨高炉煤气综合利用发电技术.pdf

工业锅炉 20 15 年第 5 期(总第 153 期 ) 文章编号： 1004 8774 (20 15 )05-0028-04 D OI： 10 16558 j c nki i ssnlO048774 2015 05 006 烧结烟气暨高炉煤气综合利用发电技术 张政 (上海康恒环境股份有限公司， 上海 200040 ) T h e U ti li za ti on of S i n teri n g F lu e G as an d E x tra B la st F u rn ac e G a s f0 r P ow er G en erati on Z H A N G Z h en g (Shanghai SU S E nvi ronm ent CoLtd ， Shanghai 200040 ，Chi na) 摘要： 对于钢厂烧结余热和高炉煤气， 目前国内普遍采用的是将二者各 自回收用于发 电； 介绍了一种将烧结余热和富裕高炉煤气综合利用发 电技术 ， 并与 目前国内普遍采用的发电 技术进行了比较分析， 体现了该余热回收综合利用发电技术的优越性， 具有显著的经济效益和 环保效益 。 关键词： 高炉煤气 ； 烧结余热； 综合利用 中图分类号 ： TK 229 92 9 文献标识码 ： B O 前言 钢铁行业是我国的基础性产业 ， 同时也是高耗 能产业 。据统计 ， 我国钢铁工业能耗 占全 国总能耗 的 15左右。高能耗的生产过程 中， 同时也产生了 大量的余热资源， 如高炉煤气、 烧结余热等， 具有极 高的回收利用价值 。 高炉煤气是在冶炼生铁过程 中产生 的副产品 ， 每炼 1 t 生铁可产生 约 3 000 m (标 态 ) 的高炉煤 气 ， 产量巨大。由于高炉煤气热值低 ， 可燃成分含量 少 ， 可利用价值低 ， 除供给钢厂 内部生产 使用外 ， 其 余部分以往则采用燃烧等方式排放掉 ， 造成 了能源 极大的浪费。 烧结能耗约 占整个钢厂能耗的 10 20 ， 是 仅次于高炉的又一大耗能工序 。经计算， 在烧结 总能耗 中冷却 机废气 带走显 热 占 20 一28E2。 可回收利用价值巨大。 如何有效且高效地回收这些余热 ， 降低钢铁生 产工艺能耗， 是我国钢铁行业普遍关注的一个问题。 1 目前国内烧结余热和高炉煤气 回收利用 普遍采用的方案 1 1烧结余热回收常规技术方案 烧结烟气主要分高温段 、 中温段和低 温段。高 收稿 日期 ： 20 15-0710 作 者 简 介 ：张 政 (1985 一)， 2012 年 毕业 于上海 理工大 学 ， 热 能 工 程 专 业 ， 硕 士。 目前 主 要 从 事垃圾焚烧余 热利 用 。 温段烟气温度在 300 450 ， 是烧结余热回收的重 点 ； 低温段烟气温度在 200 左右 ， 主要用在作为点 火炉的助燃风 、 作为烧结助燃空气和预热混合料等。 本文重点分析 300 oC 以上的烧结烟气 回收利用。 目 前 国内对高温段烧结烟气回收主要是将其引入余热 锅炉中生产蒸汽 ， 然后将蒸汽通人汽轮机做功发 电。 将烟气余热转化为电能 ， 最大限度地发挥烧结余热 的利用价值。 1 2 高炉煤气 回收利用常规技术方案 由于高炉煤气主要可燃成分是 C O ， 约 占气体组 成成分 的 25左右 ， 热值低 ， 一般 为 3 000 3 700 kJ m 。 ， 可利用价值低 J。 目前 国内对 钢铁企 业富 裕 的高炉煤气 回收利用主要是用来发电。将高炉煤 气通人燃气锅炉中 ， 生产高温高压或中温中压蒸汽 ， 然后将蒸汽通人汽轮机中做功发电。高炉煤气的化 学能转化为高品质的电能 ， 用于企业 内部生产用 电， 经济效益显著。 对于既有高温烧结余热， 又有富裕高炉煤气的 钢铁企业 ， 目前普遍做法就是将这两种余热分开回 收， 用于发电。但若将这两种余热综合回收利用， 与 常规方法相 比就会产生更高的经济效益。 2 烧结余热和高炉煤气综合利用发电技术 2 1 高炉煤气和烧结烟气成分分析 高炉煤气为多种气体混合组成的气体， 其主要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 节能与改造 烧结烟气 暨高炉煤气综合利用发电技术 29 成分有 N 、 c O 、 c O 、 I-I 、 C I-t 等 ， 高炉煤气 的成分和 量的灰尘 ， 一般为 10 m g m (标态) 以下 。 热值如表 1 所示 ， 同时高炉煤气经除尘后 ， 仍含有少 表 1高炉煤气成分和热值 对于高温段的烧结烟气 ， 由于温度比较高 ， 流量 也 比较大 ， 而且烟气 中大部分成分都为空气 ， 很少含 有 SO 、 N O 等腐蚀性气体 ， 所 以在利用 的过程 中不 用考虑防腐问题 。但 由于烟气 含尘量较 高， 在利用 时需考虑除尘问题。 2 2 烧结余热和高炉煤气综合利用发电技术简介 烧结余热和高炉煤气综合利用发 电技术基本思 路如下 ： _丰蒸 汽 (1)由于烧结 高温段 烟气 的主要成分是空气 ， 可利用烧结高温段烟气作 为燃气锅炉助燃空气 ， 提 高燃气锅炉入炉热量 。 (2)将剩余烧结高温段烟气在燃气锅炉空预器 后引入 ， 加热省煤器 中的锅炉给水。 (3 )为进一步提升 能源利用效率 ， 在燃气锅炉 省煤器后布置给水预加热器 ， 可提高冷凝水的温度 。 系统主工艺流程如图 1。 图 1主工艺流程 图 3 烧结余热和高炉煤气综合利用发 电技术 统， 所发的电能作为厂内生产所用， 降低生产成本， 应用 实例 提高经济效益。该钢厂内部余热资源如表2 所示。 3 1 钢厂余热资源条件 表2某钢厂余热资源 某钢厂余热资源既有烧结烟气 (烧结有效面积 126 m )， 又有富裕 的高炉煤气 ， 为 了使这些宝贵 的 余热资源不被白白浪费， 钢厂采用烧结余热和富裕 的高炉煤气综合利用技术新建一座高温高压发电系 该钢厂的高炉煤气成分和热值如表 3 所示。 表3 高炉煤气成分和热值 3 2关键参数计算 (1)高炉煤气燃气锅炉人炉热量计算 ： 富裕 高炉煤气燃烧所需 的助燃烧结烟气量 计算 (按 = 1 2 ) ： Vk = ：59 400 m h (标态) 式中0【 过量空气系数 实际所需 助燃烧 结烟 气量 ， m h (标 态) 理论所需助燃 烧结烟气 量 ， m 。 h (标 态) 助燃烧结烟气带入燃气锅炉内的热量计算： Q = Vk = 2 64 10 kJ h 式中 Q 助燃烧结烟气带人燃气锅 炉内的热 量 ， kJ h ， 烧结烟气焓值 ， kJ m 。 (标态 ) 高炉煤气燃烧放热量计算(低位发热量)： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 30 工业锅炉 2015 年第 5 期 (总第 153 期 ) 80 000 X 3 150 ：25 2 10 kJ h 。 从以上计算中可得 出， 80 000 m h(标态 )的高 炉煤气燃烧所需的助燃烧结烟气量 占总烧结烟气量 (150 000 m h (标态) )的 40 ， 燃气锅炉入炉热量 提高了 10。经锅炉热平衡计算 ， 可生产高温高压 蒸汽 D = 88 4 t h。 (2 )剩余烧结烟气从燃气锅炉空气预热器后 引 入 ， 和燃气锅炉燃烧后的烟气混合后 ， 共同加热其后 受热面计算 ： 省煤器锅炉给水温度计算 ： a高炉煤气与助燃烧结烟气混合燃烧后 的烟 气量为 ： = + 1 016 1( 一1)v0 = 13 10 m h (标态 ) 式中 燃烧后的实际烟气量 ， m h(标态 ) 燃烧理论烟气量 ， m h (标态 ) b省煤器出 口锅炉给水温度计算 ： 将剩余烧结烟气在燃气锅炉空气预热器后引入 与锅 炉燃烧后 的烟气混合 后总 的烟气量 为 ： 22 万 m h(标态 )， 通过热平衡计算 ， 混合后的烟气温度 在 350 以上 。 除氧后的锅炉给水进入省煤器的温度按 133 计算 ， 将锅炉给水加热到 250 所需的热量 ： P = (， 。 ， i ) D = (1 086 559 ) 88 4 1 000 = 46 597 07 1 l(J h 式 中Q 加 热省煤 器 中锅炉 给水所 需 热量 ， kJ h ， s。 省煤器出 口250 锅炉给水焓值 ， kJ kg ， 省煤器进15 133 oC锅炉给水焓值， kJ kg 空气预热器后 350 的混合烟气总热量为 ： q kh = 220 000 ， kh = 220 000 497 5 = 10 9 45 0 000 kJ h 式 中 q 空气预热器后 350 c C 的混 合烟气 总 热量 ， kJ h ， kh 空气预热 器后 350 的混合 烟气 的 焓值 ， kJ m 由此可得 ， 剩余烧结烟气在燃气锅炉空气预热 器后足 以将 省煤器锅 炉给水 加热 至饱 和温度 250 。因此， 可以取消汽轮机高加系统， 减少汽轮机中 间抽汽 ， 降低汽轮机发 电汽耗 ， 提高系统发电量 。 燃气锅炉省煤器后给水预加热器计算： 为进一步提升能源利用效率， 在燃气锅炉省煤 器后布置给水预加热器 。 a 省煤器出 口烟气温度计算 ： 省煤器出 口烟气焓值 ： ， 。 = (q kh q ) 220 000 = (109 450 000 46 597 07 1 1 220 000 = 285 7 kJ m 。 查焓值表可得 ， 对应烟气温度为 205 。 式中， 一省煤器出15 烟气焓值， kJ m b给水预加热器出 口给水温度计算 ： 给水预加热器进 口水为冷凝水 ， 温度为 40 qC ； 燃气锅炉排烟温度按 145 计算 ， 则给水预加热器 出口给水焓值为 ： ， 。 = ， i + (， 。 一， 。 ) 220 O00 D = 379 3 kJ kg 查焓值表可得对应饱 和水温度为 9O。 式 中， 。 给水预加热器出 口水焓值 ， kJ kg ， i 给水预加热器进 口水焓值 ， kJ kg t 。 145 的锅炉排烟焓值 ， kJ m 这样可以降低汽轮机低温加热器抽气量， 降低 汽轮机发电汽耗 ， 进一步提高系统发 电量 。 3 3 综合效益分析 通过以上对某钢厂现有余热资源计算分析可得 出 ： 采用烧结余热和富裕 高炉煤气综合利用发 电技 术 ， 可 产 生 9 8 M Pa、 540 的 高 温 高 压 蒸 汽 88 4 t h ， 汽轮机不需要高加抽气 ， 额定发 电功率约 25 2 M W。 在相同的烧结余热资源前提下 ， 常规高炉煤气 发电系统和烧结余 热发 电系统分开建设 ， 额定发 电 功率如下 ： (1)低位发热量为 3 150 kJ i n (标态 )、 80 000 m h(标态 )的高炉煤气燃气发电可生产 9 8 M Pa、 540 高温高压蒸汽 83 t h ， 汽轮机需设 高加抽汽 ， 额定发电功率约 21 8 M W ； (2 )330 oC 、 150 000 i n h (标态)的烧结烟气余 热发 电可采用单压或双压再循 环方式进行 回收 ， 生 产的蒸汽通入汽轮机 中做功发 电 ， 额定发电功率约 3 5 M W。 两者总的发 电功率约为 25 3 M W 。 虽然烧结余热和富裕高炉煤气综合利用发 电技 术与常规发电技术的额定发电功率差不多， 但烧结 余热和富裕高炉煤气综合利用发电技术仍具有以下 优势 ： (1)烧结烟气余热利用效率及系统可靠性大幅 提升 烧结烟气余热不太稳定 ， 尤其是温度 ， 受生产负 荷调整和烧结线料层厚度 、 运行速度的影响非常大 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 节能与改造 烧结 烟气暨高炉煤气综合利用发电技术 31 烟温波幅经常性在 20 50 以上 ， 再加上经常因故 障原 因短暂停运 。这就造成独立 的烧结余热发电系 统年正常运营小 时数很低 ， 整体发 电效率 降低 。若 采用烧结余热和富裕高炉煤气综合利用发电技术 ， 烧结烟气余热将得到完全充分利用 ， 并且可 自动平 衡烧结烟气温度 、 流量波动的影 响。其理论依据主 要为 ： a、 余热综合利用方案中燃气锅炉设空气预热 器 ， 正常运行工况下 ， 锅炉燃烧用一 、 二次风全部取 自烧结烟气 ， 此时烧结烟气通过空气预热器时因温 压小换热量小 。当烧结线停运或烧结烟气温度较低 时(低于 250 ) ， 锅 炉燃 烧用一 、 二次风可 由空预 器加热至 250 以上 。剩余烧结环烟气在锅炉空预 器 出口和燃气锅炉尾气混合后 ， 通过省煤器、 给水预 加热器换热加热锅 炉给水后 ， 再经 由引风机排人烟 囱。因此 ， 无论烧结烟温如何变化 ， 余热综合利用方 案均能保证燃气系统 的助燃风温在 250 以上 ， 这 样既保证了燃气锅炉燃烧的稳定又提高了烧结烟气 表 4 余热的利用率。 b、 当烧结烟气余热降至 300 oC 以下时， 烧结余 热发电效率会大大下降 ， 降至 250 以下时汽机将 解列 ， 每次汽机解列后重新运行是非常耗时的， 而在 优化方案中， 只要烧结烟气温度大于燃气锅炉的设 计排烟温度 (约 145 )， 其余 热 资源均可 有效利 用 ， 并且最终被转化成为优质的高温高压蒸汽 ， 烧结 烟气温度变化只影响发电系统 的产汽量和发 电量 ， 对发电系统的正常运行无影响。 (2)投资费用降低 烧结余热和富裕高炉煤气综合利用发电技术是 将烧结余热作为辅助热源利用在高炉煤气发电系统 中， 取消了烧结余热发 电系统内的余热锅炉、 汽轮发 电系统 ； 虽然高炉煤气发 电系统容量 、 尾 部烟道尺 寸 、 受热面、 辅机等部分会增加投入 ， 但整体看 ， 余热 综合利用方案 的投资费用明显低于常规方案。投资 费用对 比如表 4 所示。 (3 )运行费用降低 烧结余热和富裕高炉煤气综合利用发电技术是 将原本两个发电系统合并为一 ， 电厂班组运行事务 也减少了一半。同时余热综合利用技术的综合厂用 电率较常规技术相 比也有明显的降低 。 此外 ， 很多钢铁企