毕业论文-烧结余热发电闪蒸系统参数优化.doc

学学 号：号：200806030225 HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕 业业 论论 文文 GRADUATE THESIS 论文题目：烧结余热发电闪蒸系统热力参数的优化烧结余热发电闪蒸系统热力参数的优化 学生姓名：学生姓名：杨秋香杨秋香 专业班级：专业班级：0808热动热动2 2班班 学学 院：院： 冶金与能源学院冶金与能源学院 指导教师：王子兵指导教师：王子兵 副教授副教授 2012 年年5 月月 30 日日 河北联合大学 毕业论文摘要 I 摘 要 随着技术的不断进步,各种先进的烧结余热发电技术不断地被开发出来,但 是，现役烧结余热利用技术还存在参数优化方法不完善等诸多问题。同时,怎样 针对不同特点的烧结余热热源,有针对性地选用烧结余热利用流程是提高企业余 热利用水平的关键。论文主要分析了烧结余热发电的特点以及对余热热源的要 求，动态优化了余热锅炉主汽及闪蒸补汽，余热锅炉的热端温差、窄点温差、 接近点温差等运行参数，并对原系统和年发电量最大系统进行分析，计算了 优化前后系统的经济效益和社会效益。不仅提高了系统的经济性、稳定性、安 全性，使系统运行达到最佳，而且对设计人员及现场运行人员具有一定的指导 意义。 关键词: 烧结；余热；闪蒸；参数优化； 河北联合大学 毕业论文摘要 II Abstract As technology advances, various kinds of advanced sintering waste heat power generation technology was constantly developed, but the existing sintering waste heat utilization technology parameters optimization method still exist many problems, such as is not perfect. However, concerning how to reasonably adopt in the process is the key to improve the level of waste heat utilization. The paper mainly analyzes the characteristics of power generation and sintering waste heat to the requirements of the waste heat source, and dynamics optimization heat recovery steam boiler main Steam, flash compensation operation parameters, optimize waste heat boiler temperature difference of temperature of the hot junction, pinch point and close to the point of difference. At the same time, the paper analyzes the original system and the largest annual generation system exergy, and Calculates the before and after the system optimization economic benefits and social benefits. Not only improve the system economics, stability, security, as result of the system to achieve the best, and to design personnel and the site operation personnel has certain directive significance. Keywords: sintering, waste heat, water flashing, optimization parameter, exergy 河北联合大学 毕业论文目录 III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 引 言.2 1 文献综述.2 1.1课题研究背景和意义.2 1.1.1 课题研究背景.2 1.1.2 课题研究的意义.2 1.2 烧结余热发电概况 .2 1.2.1 国内烧结余热发电概况.2 1.2.2 国外烧结余热发电概况.2 1.3 本课题主要研究内容和方法.2 1.3.1 研究内容.2 1.3.2 研究方法.2 1.4 课题预期目标.2 2 闪蒸补汽式余热发电技术.2 2.1 烧结余热发电热力系统类型 .2 2.2 烧结余热的特点和利用原则 .2 2.2.1 烧结余热的特点.2 2.3 热水闪蒸余热系统存在的问题及注意事项 .2 2.4 烧结余热发电系统基本工艺流程.2 2.4.1 烧结余热发电热废气回收系统.2 2.4.2 闪蒸原理及烧结余热发电闪蒸系统TS图.2 3 闪蒸补汽式余热发电系统参数优化.2 3.1 烧结余热发电系统参数优化动态特性研究的必要性.2 3.2 烧结余热发电闪蒸系统主蒸汽参数性能影响分析.2 3.2.1 几个关键变量.2 3.2.2 主蒸汽参数的优化设计.2 3.2.3 闪蒸余热发电系统热力计算模型.2 河北联合大学 毕业论文目录 IV 3.2.4 闪蒸余热发电系统热力计算.2 3.3 闪蒸余热发电系统及其平衡分析.2 3.3.1 的计算.2 3.3.2 平衡分析.2 3.4 参变量的优化选取.2 3.4.1 汽轮机机组年发电量与窄点温差的关系.2 3.4.2 汽轮机机组年发电量与接近点温差的关系.2 3.4.3 汽轮机组年发电量与热端温差的关系.2 3.5 烧结余热发电闪蒸系统补汽参数的优化.2 3.6 小结 .2 4 烧结余热发电闪蒸系统的经济效益和社会效益.2 4.1 闪蒸补汽式余热发电系统经济效益计算的两个原则 .2 4.2 闪蒸补汽式余热发电系统的经济效益 .2 4.2.1 闪蒸补汽式余热发电系统的优化前的经济效益.2 4.2.2 闪蒸补汽式余热发电系统的优化后的经济效益.2 4.2.3 闪蒸补汽式余热发电系统的优化前后的经济效益.2 4.3 闪蒸补汽式余热发电系统的社会效益.2 4.3.1 闪蒸补汽式余热发电系统的优化前的经济效益.2 4.3.2 闪蒸补汽式余热发电系统的优化后的经济效益.2 4.3.3 闪蒸补汽式余热发电系统的优化前后的经济效益.2 结 论.2 参考文献.2 致 谢.2 附 录.2 河北联合大学 毕业论文目录 V 引 言 随着世界尤其是我国常规能源资源的短缺，余热资源的回收利用越来越受 到重视。在工业生产中，能源耗费巨大，中低温余热资源丰富，但这些余热资 源尤其低温余热资源不能直接利用而被排入大气，造成能源资源的巨大浪费， 环境污染严重，给人们的生活健康带来了严重危害，同时在工业生产中还常伴 有电力不稳定、用电紧张等现象耗能大户同时也是最具有节能潜力的对象，不 仅可以缓解电力不足现象，而且可以提高企业运行的效率和经济效益。烧结余 热发电技术是指利用钢铁烧结工序的中低温废气产生低品味蒸汽，推动低参数 的汽轮机做功发电，它是当前节能和环保要求下的必然趋势和产物。若钢铁行 业能充分利用低温余热资源发电，不仅能减少对环境的污染，而且还可以缓解 自用电紧张的局面。目前，余热动力回收受到工艺、技术等因素的限制，不能 及时足量回收本工序产生的各种余热，回收效率低，发电量不足，且余热回收 设备投资大。从长远的角度看，提高余热发电装置效率，高效回收和充分利用 钢铁工业余热资源，是实现钢铁企业能量系统优化和深层次节能的突破口。 由于现阶段运行的烧结冷却机密封差，意外停机多，烟气温度波动频繁、 大等原因，使得已经投入的几套余热回收装置运行不是十分理想，均达不到设 计标准。针对以上原因，通过对烧结余热电站热力系统主蒸汽参数的优化（主 要针对闪蒸余热回收系统），研究窄点温差、热端温差、接近点温差等设计变 量对最佳主蒸汽压力的影响，为进一步提高余热锅炉的余热利用率和汽轮机组 发电量提供依据，同时，提高余热回收装置的稳定性、经济性和安全性。对现 场运行人员及设计单位均具有一定的指导意义。 河北联合大学 毕业论文 2 1 文献综述 1.1课题研究背景和意义 1.1.1 课题研究背景 钢铁工业是我国重点的能耗大户，总能耗约占全国总能耗量的15左右， 钢铁生产工艺流程长，工序多，且主要以高温冶炼、加工为主，生产过程中产 生大量余热余能，主要来自烧结机烟气显热，冷却机热废气，红焦显热、高炉 炉顶煤气余压、转炉烟气等与余热回收装置。这种余热资源约占全部生产能耗 的68，说明在目前钢铁生产工程中23以上的能量是以废气、废渣和产品余 热的形式消耗。不仅浪费能源，而且污染环境，降低了钢铁工业的经济效益、 社会效益、环境效益。我国“十二五”规划纲要继续将节能减排作为国民经济 和社会发展的约束性指标，指出2015年全国单位国内生产总值能耗要比2010年 减低16等节能指标，“十二五”期间要合理控制能源消费总量，大幅度降低 能源消耗强度和二氧化碳排放强度，有效控制温室气体排放。草案明确提出， 中国非化石能源占一次能源比重提高到11.4，单位GDP能耗和二氧化碳排放 分别降低16和17，主要污染物排放总量减少到8到10.森林蓄积量增加6 亿立方米，森林覆盖率提高到21.66。钢铁工业二次能源丰富，主要分为可燃 性余能、余压、余热三大类。可燃性余能包括焦炉煤气（COG）、高炉煤气(B FG)、和转炉煤气(LDG) 等在生产中排出的能源；余压主要是指高炉炉顶煤气压差能；余热是指在生产 过程中各种用能设备及产品排放或携带出的有回收价值的热量，是钢铁工业主 要的二次能源。余热资源按余热载体可划分为固体、液体、气体载体的余热资 源1。按余热载体的温度水平可分为高温余热（温度高于650）中温余热（温 度为300- 650）、低温余热（温度低于300），钢铁工业余热资源丰富，是二次能源 回收的重点。 钢铁工业二次能源的回收利用不需要消耗一次能源，不产生额外的废气、 废渣、粉尘和其他有害气体，降低了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，但回收设备投资较大，高炉煤气、转炉煤气 等部分放散，二次能源的回收率较低。我国的余热余能回收利用效率较国外先 进水平有较大差距，我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在30- 河北联合大学 毕业论文 3 50，其能耗占生产成本的30- 45，宝钢余热余能回收率68，其能耗占生产成本的20，因此，我国钢铁 工业二次能源回收利用潜能是巨大的，可带来的效益是巨大的。 1.1.2 课题研究的意义 随着科技水平的迅速发展，工业企业和电厂的生产设备日新月异，产品的 批量生产越来越大，排放的低温余热资源越来越多，一次能源消耗越来越严重 ，对环境的污染日益加重，给人们生活带来越来越多的隐患。在国家资源产业 政策的推动下，纯低温余热发电技术问世和投入运行，问题得到了缓解。纯低 温余热发电技术是利用废弃的工业企业低温余热资源进行发电，不增加任何一 次能源，对节能和环保起到积极作用，然而不是任何的低温余热都可以进行回 收发电的，需要考虑当前的余热锅炉及补气式汽轮机等设备对余热的要求，以 及整个纯低温余热发电系统的经济效益和社会效益。在满足余热设备要求的条 件下，纯低温余热发电系统的经济效益和社会效益越高，在工业企业中越得到 重视，也越满足节能和环保的要求。 在钢铁生产过程中，烧结工序的能耗约占总能耗的122。仅次于炼铁工 序，位居第二，每吨烧结矿的平均能耗高达20kgce。在烧结工序能耗中，有近5 0的热能以烧结烟气和冷却机废气的显热形式排入大气，节能潜力很大，由于 烧结烟气温度不高，仅为150- 450，加上以前余热回收技术的局限，余热回收项目往往被忽略，近年来，特 别是闪蒸发电技术和补气凝气式汽轮机在技术上获得突破，式豪杰烟气余热也 得到了回收利用。目前，虽然烧结余热发电技术已有利用，但现有技术条件下 ，余热资源回收率的提高还有很大潜力。随着能源日益紧张，减少工艺能耗， 高效回收烧结工序余热是钢铁企业深入开展节能的方法之一。对于余热发电技 术的评价指标，很多企业只重视吨熟料发电量，很少注意其它相关因素对发电 量的影响，因而采用这种指标评价中低温余热发电技术是不科学、不准确的3 。由于烧结余热属于中低温余热，能量品位相对较低，做功能力不强，因此采 用热力学第二定律对系统进行评价分析能真正反映余热发电技术水平的高低， 本文正是基于热力学第一和第二定律的火用分析法来进行的，遵循“温度对口 ，分级回收，按质用能，梯级利用”原则，从烧结余热品味较低载流量较大的 特点出发，进行烧结余热的“分级回收，梯级利用”，即分别对冷却废气和烧 结废烟气两种余热资源进行分级回收，在优先用于改善烧结工艺条件的前提下 河北联合大学 毕业论文 4 ，梯级利用已回收的各种品位的余热:对高温余热首选动力回收，通入余热锅炉 生产高品质蒸汽并发电;对中低温余热进行直接热回收，用于预热或干燥烧结原 料和作为点火炉助燃空气，为烧结生产提供热风等。随着低参数补气式汽轮机 生产技术的成熟，中低温余热发电技术在我国得到推广应用，单余热回收效率 相比国外还有很大差距，有必要对系统中相关设备参数进行优化设计和分析， 从而提高系统的效率和余热资源的利用率。平衡法不仅考虑了能量的数量的 差异而且考虑了能量的质量即做功能力的不同，相同热量，如温度不同时，回 收利用价值也不同。根据烧结余热品味低的特点，采用分析以揭示余热回收 系统中损较大环节，并对系统配置，蒸汽参数进行优化，以指导钢铁工业开 展余热回收工作，为实现钢铁企业高效余热回收及系统节能创造条件。 文献调查了国内20余家钢铁企业的余热资源量及其回收利用状况，统计结 果如图1所示。2005年，生产1 t钢产生的余热平均为8.44 GJ。其中，产品或 图1 余热分布 中间产品的显热为3.35 GJ(烧结矿/球团矿为中温显热，其余为高温显热)，占余热总量39%；渣的显热 为0.74 GJ(均为高温显热)，占余热总量的9%，废(烟)气的显热为3.10 GJ(转炉煤气为高温显热，其余为中、低温显热)，占余热总量的37%；冷却水 的显热约为1.24 GJ(均为低温显热)， 占余热总量的15%。 以1 t钢为基准核算各种余热的回收利用数据，并列于表1。2005年，我国钢铁工业 余热资源的平均回收率只有25%，其中，按余热资源的品质统计回收高温余热 居多，回收率为44.4%；其次是中温余热，回收率为30.2%低温余热的回收率还 不足1%。若按携带余热的物质形态统计，回收最多的是产品显热，回收率为50. 04%，其次是烟气显热，回收率为14.92%，冷却水的显热回收率只有1.90%；各 种渣的显热的回收率更少，为1.59%。 河北联合大学 毕业论文 5 1.2 烧结余热发电概况 1.2.1 国内烧结余热发电概况 2004年9月1日，我国首套从日本川崎引进的烧结余热发电系统在马鞍山 表1 我国钢铁企业吨钢余热资源回收利用的情况 钢铁股份有限公司第二炼铁厂开工，2005年9月6日顺利实现并网发电，这是 我国烧结行业第一套余热发电装置，开我国烧结余热发电之先河。该系统采用 “两炉带一机”的模式，设计发电能力17.5MW。该系统设备和技术全套从日本 引进，废气锅炉采用卧式自然循环汽包炉，汽轮机组采用多级、冲动、混压、 凝汽式，主要工艺参数见表24。 余热类别 高温余热中温余热低温温余热合计 资源量回收量资源量回收量资源量回收量资源量回收量 烧结矿0.940.280.940.28 焦炭0.590.060.590.06 钢坯0.60.240.60.24 产 品 显 热 小计2.411.40.940.283.351.68 高炉渣0.590.010.590.01 钢渣0.150.15 小计0.740.010.740.01 焦炉烟 气 0.190.19 焦炉煤 气 0.170.020.170.02 烧结烟 气 0.690.69 高炉煤 气 0.770.77 热风炉 烟气 0.360.110.360.11 废 气 显 热 转炉煤 气 0.210.080.210.08 高炉冷 却水 0.950.95 加热炉 冷却水 0.290.020.290.02 冷 却 水 显 热小计1.240.021.240.02 合计3.361.492.190.662.890.028.442.17 河北联合大学 毕业论文 6 表2 马钢烧结余热发电机组主要工艺参 废气流量 /Nm3h-1 废气温度 / 蒸汽产量 /th-1 蒸汽压力 /MPa 温度 / 额定功 /kW 40 104 38040074.81.9537517.5 2006年全年累计发电6100. 51万kWh，产生经济效益2367万元。可节约标煤3万t/a，每年减少排放CO2约8 万t， SO2约300 t取得了很好的社会效益和环境效益。该余热电站采用了自然循环废气锅炉，烟 风系统和汽水系统综合了热风循环技术、闪蒸余热发电技术和汽轮机补汽技术 ，使余热电站在烧结机运行参数经常调整的情况下也能够长期稳定运行。 2006年5月20日，由我国自行设计、建造的烧结余热发电系统在济钢集团有 限公司第二炼铁厂开工，2007年3月21日并网发电。该系统回收一台320 m2烧结机余热，设计发电能力8.2 MW，由一台390/400-36.4(10.4)- 2.06(0.39)/375(141.1)双压余热锅炉和一套补汽凝汽式汽轮发电机组组成。投产 初期，由于烟气回收系统设计不合理，发电能力未能达到设计水平，后经改造 达到了设计能力，目前已具备日发电20万kWh的能力。 除此之外，安阳钢铁、江苏沙钢、武汉钢铁、日照钢铁、涟源钢铁、湘潭 钢铁等企业于2009年也投运了一批烧结余热发电机组。吉林建龙、邯郸钢铁、 柳州钢铁等企业的烧结厂已开工建设烧结余热发电工程， 昆钢三烧、昆钢集团玉溪新兴钢铁厂烧结余热电站也于近期投入运行，这些新 建工程均为国内设计单位自行设计，主体装备全部为国内生产、建造。 1.2.2 国外烧结余热发电概况 国外很早就对烧结余热的回收利用进行了研究。日本缺少资源，节能尤为 中重视，烧结节能利用起步最早，各公司烧结厂在余热利用方面走在世界各国 的前面。20世纪70年代末期，日本住友金属工业公司对烧结机冷却器用废热锅 炉回收蒸汽， 80年代中期，日本烧结厂的余热回收技术就己经应用得比较广泛，其中冷却机 废热利用的普及率达到57%，而烧结机废气利用的普及率为26 %5。 世界上最早利用冷却机废气产生蒸汽用于发电的是日本钢管公司的扇岛厂 和福山厂，其余热回收方式是在环冷机高温段鼓入100的循环空气，该部分空 河北联合大学 毕业论文 7 气经环冷机后温度可达350，再经过余热锅炉产生1.4MPa的蒸汽用于发电。 另外，日本新日铁君津3#烧结机和住友金属小仓3#烧结机的余热电站也是 运行较早的烧结余热电站。1971年投产的君津3#机是一台500m2的带式烧结机 ，年产烧结矿547.5万吨，采用鼓风环冷6。1981年底安装了一套利用F- 85低沸点有机介质循环的余热发电系统(简称ORCS)，产生蒸汽再带动汽轮机发 电，装机容量14.8MW，发电量可达12.5MW。1976年投产的小仓3#烧结机面积 为223m2，其余热回收系统每小时产生1.0MPa蒸汽26t，余热发电装机容量500k W。 住友金属和歌山4#烧结机采用机上冷却的方式，面积为189m2，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。该系统于1991年6月 完工，也是日本烧结余热回收发电较早的一个厂，并且已经有了区域余热发电 的雏形7。 1.3 本课题主要研究内容和方法 以烧结机尾部风箱中的烟气和冷却机废热闪蒸余热发电系统为研究对象， 结合能量分析方法和分析法对闪蒸系统进行优化。 1.3.1 研究内容 1. 我国烧结余热发电技术引进日本川崎的设备,参数用的是原设备参数, 余热回收系统设计不合理或实际工况偏离设计点太大，进行参数优化是余热发 电技术的核心，而现有参数优化方法主要是静态优化的方法，在实际运行中出 现了非正常停机率、补气系统失效率、低效工况率偏高的情况, 由于烧结余热低品位，参数波动大的特点，目前静态参数优化方法存在较大缺 陷，本文介绍了基于烧结余热特点的热力参数动态优化方法的基本原理； 2. 研究烧结余热发电闪蒸系统经年发电量和损随主蒸汽压力的变化规律，对主 蒸汽参数优化分析； 3. 对优化后的系统参数进行经济效益和社会效益分析。 1.3.2 研究方法 课题主要是基础应用研究，理论与实践相结合，主要是针对马钢320m2烧 河北联合大学 毕业论文 8 结机余热发电系统优化研究，通过查阅相关文献及技术资料，结合自身所学烧 结余热锅炉的相关理论，了解烧结余热闪蒸发电循环系统当前发展概况，并以 此为基础对系统的的主蒸汽参数、闪蒸补汽参数、三点温差（热端温差、窄点 温差、接近点温差）等关键参数进行优化，本论文采用如下两种方法研究： 1. 热力学第一、第二定律； 2. 系统及平衡。 1.4 课题预期目标 通过本课题的研究要全面了解烧结余热系统及余热利用中存在的问题，为 进一步深入研究做铺垫。同时，通过大量科技、学术文献的阅读和对专业知识 的深入思考，掌握烧结余热发电系统闪蒸循环热力参数优化的过程，夯实理论 基础，提高分析和解决工程实际问题的能力。最终达到的目标： 1. 优化出烧结余热发电闪蒸系统的最佳热力参数； 2. 立烧结余热发电闪蒸系统热力参数优化模型； 3. 建立烧结余热发电闪蒸系统热力系统的技术评价模型。 河北联合大学 毕业论文 9 2 闪蒸补汽式余热发电技术 2.1 烧结余热发电热力系统类型 余热发电技术热力系统有三种：单压余热发电、双压余热发电、蒸汽/热水 复合闪蒸余热发电。 1. 单压系统 图2 烧结余热单压系统流程图 单压系统是指余热锅炉只生产一种参数的蒸汽，汽轮机只设置一个进汽口 。当前单压系统配套的凝汽式汽轮机组相对比较成熟，因此单压系统具有构造 简单、主体设备成熟可靠、系统运行维护简单及建设初期投资低等优点，在水 泥行业得以普遍应用。但由于单压余热锅炉废气出口温度一般在170以上，废 气余热得不到充分利用，影响了其发电能力，因而在这三种系统中单压系统发 电能力最低。 2. 双压系统 双压系统是指在余热锅炉中设置两种压力等级的汽水系统，采用补气式汽 轮机的双压单级补气系统，烧结余热锅炉产生压力不同两种蒸汽，较高压力的 过热蒸汽作为主蒸汽、较低压力的过热蒸汽（或饱和蒸汽）作为补汽，分别进 入补汽凝汽式汽轮机，推动汽轮机做功。采用双压系统的主要目的是为了提高 余热利用率，使低品位的余热充分利用。由于在余热锅炉上增设了低压蒸发器 、低压省煤器等受热面，能够更多地吸收较低温度余热，比单压系统发电量明 河北联合大学 毕业论文 9 显增加，且可解列双压系统，即关掉补汽阀门，停止给汽轮机补汽，维持单压 系统运行。双压系统使余热得到合理利用，余热利用率较高，济钢余热发电系 统采用了双压系统方式。 图 3 烧结余热发电双压系统流程图 3. 蒸汽/热水复合闪蒸系统 图 4 烧结余热闪蒸系统流程图 蒸汽/热水闪蒸复合发电技术是一项适用于多种中、低温余热发电的专利技 术，其主要设备均为国内成熟产品，于国家科委重点支持和推广的节能项目。 该技术能够在成本投资较小的情况下，极大限度地利用温度在200500之间 的低品位热源，比同条件下的常规余热发电系统能多发电10%左右，符合我国 能源政策的节能和环保的发展趋势。 闪蒸系统是在单压系统基础上增设了闪蒸器，余热锅炉产生的主蒸汽进入汽轮 机的主进汽口，而省煤器出口部分热水经过闪蒸器产生低压饱和蒸汽，进入汽 轮机补汽口，比同条件下的单压发电系统发电量增加。与双压系统不同，闪蒸 河北联合大学 毕业论文 10 系统余热锅炉没有另设低压受热面部分，而是利用闪蒸原理（高温热水低压汽 化，并随着压力的下降，汽化程度不断提高）闪蒸出饱和蒸汽。闪蒸系统增加 了省煤器的工质流量，可充分吸收低温余热，由于闪蒸器产生低压饱和蒸汽， 易使汽轮机排汽干度不能满足汽轮机末级叶片的要求。 闪蒸系统是一种适应于中低温余热回收的系统形式，目前在马钢、昆钢、 武钢等烧结余热发电系统采用闪蒸系统方式，但闪蒸器真正投入运行的却很少 。 2.2 烧结余热的特点和利用原则 2.2.1 烧结余热的特点 烧结矿冷却过程产生的高温废气是烧结余热发电的主要热源，这一热源具 有如下基本特点： 1. 烧结余热热源品质整体较低，中低温部分比例较大 随着烧结矿冷却过程的进行，带冷机烟囱排出的废气温度逐渐降低，烟气 温度从450逐渐降低到150以下，如图5所示。高温部分温度在300450之 间，根据测量结果，这部分废气占整个废气量的30%40%；低于300的废气 量占所有冷却废气量的60%以上。整体来讲烧结余热属于中低品质热源，且低 品质所占比例较大。 图5热废气温度 2. 热废气温度波动大 烧结生产中，随着烧结矿在烧结机上的烧成情况不同，其冷却过程中产生 的废气温度也不同。烧结矿欠烧、过烧时，冷却过程中产生的废气温度都高。 热废气侧热源变动大，而蒸汽侧要求热力参数相对稳定。汽轮机负荷总在不断 变动，烧结机运行不连续和封闭式烟气循环中余热锅炉排气温度的变化都使得 河北联合大学 毕业论文 11 余热锅炉进口烟气温度和流量发生很大变化。对烧结冷却机热废气温度工艺性 波动规律采用概率描述的方法，可以较好的实现对不同热力参数配置方案的动 态适应性的评价。图6为模型案例的烧结冷却机热废气温度概率分布实测结果。 图6 余热温度概率分布 从图可知热废气温度波动幅度较大在不同温度段内出现的概率也出现较大差别。 因此，余热锅炉的热力特性也随之变动，其产汽量、蒸汽温度和压力等都会发 生变化。但蒸汽侧的热力参数通常要求比较稳定，即使是滑压运行，变动量也 不是很大，且还有许多工程上和热力学上的约束，例如，省煤器不能出现汽化 现象，排烟温度不能低于露点等。所以，变工况过程中，余热锅炉热废气和蒸 汽两侧热力变化不协调就构成它的一大热力特点。如此大范围的温度波动给利 用烧结余热发电带来了很大的困难，这是烧结余热发电设计过程中要重点解决 的问题。 3. 热源的连续性难以保证 热源的连续性是对余热进行有效回收的必要条件。烧结余热主要来自热烧 结矿所携带的物理显热，只有当烟气回收段连续不断的有烧结矿通过时，烧结 余热才能成为一种连续的热源。若烧结矿物流中断，整个余热回收系统的热源 也就中断了。在烧结生产中由于设备运行的不稳定性，短时间的停机很难避免 ，烧结矿物流的中断是经常出现的情况，所以烧结余热热源的连续性难以保证 。 2.2.2 烧结余热的利用原则 遵循“温度对口，分级回收，按质用能，梯级利用”原则，从烧结余热品 味较低载流量较大的特点出发，进行烧结余热的“分级回收，梯级利用”，即 分别对冷却废气和烧结废烟气两种余热资源进行分级回收，在优先用于改善烧 河北联合大学 毕业论文 12 结工艺条件的前提下，梯级利用已回收的各种品位的余热:对高温余热首选动力 回收，通入余热锅炉生产高品质蒸汽并发电；对中低温余热进行直接热回收， 用于预热或干燥烧结原料和作为点火炉助燃空气，为烧结生产提供热风等。随 着低参数补气式汽轮机生产技术的成熟，中低温余热发电技术在我国得到推广 应用，单余热回收效率相比国外还有很大差距，有必要对系统中相关设备参数 进行优化设计和分析，从而提高系统的效率和余热资源的利用率。 2.3 热水闪蒸余热系统存在的问题及注意事项 1. 由于闪蒸系统采用的是补气式汽轮机即混压进汽式汽轮机。据统计，目前国内 应用补汽式汽轮机建设的余热电站有 6 套（安徽宁国 2 套、山东某企业 1 套、天津院设计的 3 套）。除安徽宁国水泥有限公司余热电站使用的是日本汽轮机外，其他混压进 汽式汽轮机都没有达到预期设计目的，补汽不能正常、稳定地投入运行8。这 是因为补汽式汽轮机由于补汽的存在使得排汽流量大于主蒸汽流量，在补汽式 汽轮机设计中要加大低压缸的通流面积，很多补汽式汽轮机在设计时就是没有 作到这一点，影响补气效率。同时，汽轮机补汽口要考虑调节配汽等机构，补 汽参数及补汽量要适应烧结余热的波动； 2. 闪蒸余热发电系统的控制和安全问题。主蒸汽进汽阀与低压进汽阀之间的联锁 、保护、控制和调节关系要适应安全生产运行要求。低压蒸汽发生器进水温度 和进水量发生变化时，低压蒸汽的压力和蒸汽量变化以及低压热水温度和流量 发生变化，都会对整套系统产生影响。在闪蒸系统中，还要考虑将汽水两相流 理论应用到闪蒸余热电站闪蒸热水的输送设计中，并充分考虑输送管道以及低 压蒸汽发生器的安全性9。 2.4 烧结余热发电系统基本工艺流程 2.4.1 烧结余热发电热废气回收系统 烧结余热发电系统主要由三部分组成：废气回收系统及循环系统（烟风循 环系统和汽水循环系统）、余热锅炉和汽轮机发电机组系统。 烧结矿在冷却机(带冷机或环冷机)上通过鼓风进行冷却，由底部鼓入的冷 风在穿过热烧结矿层时吸热，成为具有一定温度的废气。将其中的高温废气(一 河北联合大学 毕业论文 13 般360420)通过引风机引入余热锅炉，产生蒸汽推动汽轮电机组发电。 废气回收及循环系统是烧结冷却工艺与余热回收系统的衔接，图7为烧结冷 却机废气回收循环系统示意图，其主要功能是利用引风机产生的负压将冷却机 烟罩内高温废气引到余热锅炉内；放热冷却后的废气通过引风机送回冷却机冷 却段入口，实现废气封闭循环，封闭循环实现零排放，大大降低了烧结工序向 大气排放的污染物和热污染，给企业带来了经济效益，环保效益。余热锅炉系 统是余热回收的核心，在锅炉受热面上，高温废气将热量逐级传递给受热面内 的水，并产生蒸汽。汽轮机发电机系统将蒸汽携带的热能转化成电能。 图7 烧结冷却机热废气余热回收循环系统 2.4.2 闪蒸原理及烧结余热发电闪蒸系统TS图 1. 闪蒸原理 闪蒸是水的一种相变过程，即在一定压力和温度下的未饱和水，当压力下 降至某温度下的饱和压力时，部分显热就被释放出来，而这部分热量就会以潜 热的形式被水吸收，从而引起部分水的蒸发，这个过程就是闪蒸10。设凝结水 产生后，在压力P1状态下具有比焓h1，在管道回收的流动过程中，存在着不可 避免的压力损失，降至压力P2后的凝结水比焓应为h2。由于h1 h2造成热能剩余，就为饱和状态的凝结水提供了汽化的能量，于是产生了闪蒸 。如果闪蒸压力下对应汽化潜热为r，闪蒸率(闪蒸出来的饱和蒸汽占原饱和水 的比例)为 ，根据能量守恒原则，可以列出热平衡方程: (1) 1222 (1)()hhhrhr 式中： 压力下具有的比焓， 1 h 1 P /kJ kg 河北联合大学 毕业论文 14 压力下具有的比焓， 2 h 2 P /kJ kg 闪蒸压力下对应汽化潜热， r /kJ kg 因此由公式（21）可得： (2) 12 ()hhr 闪蒸技术的几个基本概念： 1）闪蒸：一定压力和温度下的未饱和水，当压力下降至某温度下的饱和压 力时发生气化的过程，并且随着闪蒸压力的降低，其气化程度不断地提高8； 2）显热：饱和水所包含的热量，随着温度的升高而升高。所以，压力越高 饱和水显热越高； 3）潜热:将饱和水转化成蒸汽所需要的热量； 4）饱和水温度:当水在一定压力下被加热至一定的温度后，温度不再升高 ，其中液态水将被转化成蒸汽，而此时的水为饱和水，温度即为饱和水温度。 在标准大气压下的饱和水温度为100，压力越高，饱和水温度越高11。 2. 闪蒸循环发电系统TS图 闪蒸余热发电系统就是在发电热力系统配置中应用闪蒸机理，在常规余热 发电系统的主机以外增设闪蒸器和闪蒸型除氧器，当机组正常运行带负荷后， 从省煤器集箱中抽取达到参数要求的一部分热水引入闪蒸器，热水在闪蒸器内 迅速扩容降压后闪蒸分离出低压饱和蒸汽和低压饱和热水。分离出的低压饱和 蒸汽和余热锅炉的主过热蒸汽分别进入多进汽汽轮机的低压汽缸和高压汽缸做 功发电，而分离出的低压饱和水进入除氧器作为除氧热源进行充分利用。 图8 烧结余热闪蒸循环发电系统TS图 闪蒸系统不仅具有系统简单、成本低、便于操作和变负荷运行的特点，更 河北联合大学 毕业论文 15 能够使低品位的热源获得最大限度的发电功率，提高低温烟气的热利用率。闪 蒸系统可以仅在单压余热锅炉上适当增加省煤器受热面和低压加热器并且增设 闪蒸器的前提下，比单压系统多发电10%左右，并且必要时能够解列，维持单 压系统正常运行。而对于能够增加相同发电量的双压余热锅炉来说，则需要复 杂的独立的汽水系统，使锅炉的结构及控制要求难度增加，不但增加了投资成 本，而且增加运行、维修的工作量。 河北联合大学 毕业论文 15 3 闪蒸补汽式余热发电系统参数优化 3.1 烧结余热发电系统参数优化动态特性研究的必要性 余热锅炉作为烧结余热发电系统中的能量交换设备，同时连接着烧结冷却 机和蒸汽轮机。在系统中起着承上启下的作用，是系统整体优化的一个关键设 备。余热锅炉受冷却机废气参数的制约，同时又影响着蒸汽侧的热力特性。在 实际运行过程中，烧结冷却机的负荷