（钢铁冶金专业论文）凌钢200mlt3gt石灰竖窑余热回收系统的研究.pdf

辽宁科技大学工程硬士学位论文 摘要 摘要 随着全球资源的日益匮乏，节能已成为世人关注的问题，对于我国， 任务尤为艰巨。为了达到节能的目的，必须在提高燃料利用率，回收烟气 余热，减轻对环境的污染程度方面付出更大的努力。 凌钢2 0 0 m 3 石灰竖窑由于排放的烟气温度高、含尘量大且附着力较 强，周期性生产，因此，烟尘、余热的回收一直是很难解决的问题。 本文在汲取多年余热研究、设计和制作经验的基础上，结合目前多 种清灰装置的实际应用，设计一种具有体积及占地面积小、热效率高、 设备漏气率为零、设备投资少且使用寿命长、使用范围广、易于维修等优 点的针对石灰竖窑的余热利用系统；通过对项目的生产数据与设计参数的 对比，认为达到设计指标。实际生产数据表明，达到了节约能源，降低废 气温度，使其满足除尘工艺要求。不仅每年为厂里节约资金6 0 0 多万元， 增强除尘、十字粱等设备使用寿命。研究出一种适合温度高、含尘量大 且附着力较强等烟气条件的换热一除尘工艺系统，既回收了热量又达到 清灰的目的 关键词：石灰竖窑，余热利用系统，节能 辽宁科技大学工程硬士学位论文 a b s t r a c t w i t ha b s e n c eo ft h er e s o u r c ed a ya f t e rd a y ，e n e r g ys a v i n gi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e m w h i c hm a n k i n dp a ym u c hm o r ea t t e n t i o n e s p e c i a l l yf o ro u r c o u n t r y , t a s k si sm o r eh e a v y i no r d e rt of n l l f i l lt h eg o a lo fs a v i n ge n e r g ya n da d v a n c i n g s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y , g r e a te f f o r t sm u s tb ep a i dt oe n h a n c ef u e lu t i l i z a t i o n ， r e c o v e rr e s i d u a lh e a to ff l u eg a sa n dr e d u c ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i ti sav e r yd i f f i c u l tp r o b l e mo fd e d u s t i n ga n dr e s i d u a lh e a tr e c o v e r yb e c a u s eo f h i g hf l u eg a st e m p e r a t u r e b i ga m o u n ta n dh i g ha d h e s i o no fd u s ta n dp e r i o d i c a l p r o d u c t i o ni n2 0 0 m l i m es h a f tk i l no fl i n g s t e e l i nt h ep a p e r , o nt h e b a s i so fm a n yy e a r s e x p e r i e n c e so fs t u d y , nn e wk i n do f a f t e r h e a tu t i l i z i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lv o l u m e a n do c c u p i e da r e a ，h i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , n ol e a k a g e ，l e s si n v e s t m e n t ，l o n gs e r v i c e l i f e ，w i d ea p p l i c a t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e , e t c b y m a k i n gac o m p a r i s o nb e t w e e t l p r a c t i c a ld a t aa n dd e s i g np a r a m e t e r sa n dj u d g i n gw h e t h e ri tc a nr e a c hd e s i g nt a r g e t s a t t h es a m et i m e ，t h ed e s i g nt a r g e t so fe n e r g ys a v i n g ，f l u eg a st e m p e r a t u r er e d u c i n ga n d t h er e q u i r e m e n to fd e d u s t i n gt e c h n o l o g yw e r er e a c h e df r o mt h ep r a c t i c a ld a t a f r o m w h i c hm e a n sn o to n l ym o r et h a n6m i l l i o nr m by u a nc a l lb es a v e dp e ry e a r b u ta l s ot h e s e r v i c el i f eo fd e d u s t i n gf a c i l i t ya n dc r o s sb e a mc a nb ep r o l o n g e d k e yw o r d s ：l i m es h a f tk i l n ，a f t e r h e a tu t i l i z i n gs y s t e m ，e n e r g y s a v m g 独创性声明 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取锝的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而 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已在论文中做了明 确的说明并表示了谢意。 ，中疗 签名：堡曼日期：幽立e 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：罗! ：12 ，7 辽宁科技大学工程硬士学位论文 引言 引言 为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要积极开发适用于不同工业 过程要求的高效节能换热设备。随着能源的短缺，可利用热源的温度越来 越低，换热允许温差将变得更小，因此对换热技术的发展和余热回收技术 性能的要求也越来越高。这些年来，余热回收装置的开发与研究成为人们 关注的课题【l 】。世界各国工业企业领导都非常重视本企业的节能降耗，可 以说节能降耗直接关系到企业的生存【2 】。 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重， 余热回收装置的高效性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可 靠性起着重要作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热 回收率已达9 6 h j 。 在石灰竖窑生产中产生大量的高温烟气，其烟气温度高( 6 5 0 1 2 左右) ， 含尘量大( 1 0 9 m 3 左右) ，炉内捧烟量约为2 8 0 0 0 m 3 ( h t ) ，高温烟气的 显热占总能耗的2 左右。显然回收烟气的显热将会产生巨大的经济效益。 在生产过程中，烟气的流量、温度、含尘量在不断的变化中其中以出灰 前期的烟气温度最高；在上料期的烟气温度最低，含尘量最多且尘粒度不 均。石灰窑烟气含尘特点上料时粒度可达2 0 m m ，甚至可以将设备破坏， 粒度最小可达5 0 t t m ，灰尘情况复杂。附着力强，腐蚀力强，经常将余热 利用装置堵塞、腐蚀，最后甚至只能走旁通管路，烟气不经除尘自由排放， 造成环境污染、能源浪费。 凌钢2 0 0 m 3 石灰竖窑余热利用系统的设计在凌钢得以应用。在汲取 多年余热利用研究、设计和制作经验的基础上，结合目前多种清灰装置 的实际应用，研究了适合温度高、含尘量大且附着力较强等烟气条件的 换热一除尘工艺系统，既回收了热量又达到清灰的目的。 辽宁稃技大学工程磺士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 i 能源对于国民经济的重要性 1 1 1 中国能源消费概况 中国能源消费主要呈现以下特点： ( 1 ) 经济发展过程中能源消费总量大，人均占有能源少我国总能耗 在国际上排行第二，仅次于美国，而人均能源消费量不到世界平均水平的 一半，不足美国的1 1 2 。 ( 2 ) 能源整体消费差异。中国：工业占6 0 4 ，建筑占2 6 3 ，交 通占1 3 3 ；美国：- r 业占2 5 4 ，建筑占3 1 9 ，交通占4 2 7 。 ( 3 ) 能源消费结构以煤为主。煤炭在我国能源消费结构占据比例大于 7 0 ，近年来中国煤炭消费约占世界消费量的3 0 。以煤为主的能源结构， 客观上造成我国能源效率较低、污染较严重、产品能源成本高、市场竞争 能力差。这与世界能源消费以石油、煤炭和天然气为主流不相符合。 ( 4 ) 工业技术水平落后，能源利用率低。我国是发展中国家，从建国 之日起，工业几乎是空白。经过几十年的发展，我国的工业逐步形成了体 系，然而落后的技术和粗放式管理，使得我国的能源利用率一直比西方发 达国家低很多，国内吨钢能耗是国外的1 4 9 倍。 ( 5 ) 能源消费引起的污染物排放使环境不堪重负我国煤炭大多属于 中低硫煤和中灰煤，而国际市场交易的动力煤，其热值比我国平均高2 5 ，含硫量低2 5 4 0 ，灰分含量低5 0 。这种煤炭为主的能源结构 特点加大了环境污染，其中主要是s 0 2 造成的酸雨对土壤的影响，c 0 2 捧 放对大气环境的影响 ( 6 ) 能源资源相对贫乏，长期能源供应面临严重的短缺。中国的石油 储量仅占世界储量的1 8 ，天然气占o 7 ，铁矿石不足9 ，铜矿不足 5 ，水资源不足7 。 2 辽宁科技大学工程硬士学位论文第一章文献综连 1 1 2 我国钢铁能源消耗结构分析 我国钢铁工业生产中煤炭占能源消耗的7 0 左右，而由于我国火力发 电用煤比例也很高，导致钢铁生产中用煤比例实际更高钢铁工业使用的 煤炭主要由炼焦煤和动力煤组成，炼焦煤用作生产焦炭，动力煤用作燃料。 从冶金系统2 0 0 2 年能源消耗分类细目计算分析，我国钢铁生产能源消耗 中煤( 加外购焦炭) 的消耗占总能耗的近7 5 ，也就是说消耗近1 7 亿t 原煤。 据中国煤炭工业协会统计，2 0 0 2 年中国原煤产量1 3 9 亿t ，国内消费量在 1 2 8 亿t 左右由此推算钢铁行业至少占了1 3 3 1 4 1 。 中国人均能源资源相对不足，资源质量较差。能源生产消费以煤为主。 能源生产消费结构中煤炭始终占有较大的比重，1 9 9 8 年，原煤在一次能源 生产中所占比重为7 4 2 ，在能源消费结构中，所占比重为7 5 6 。我国 煤炭资源大多属于中低硫煤和中灰煤嘲。燃煤造成了环境的恶化。我国原 煤入洗比例在2 0 左右，洗选后的精煤主要用于冶金行业。我国动力煤仅 有不到1 0 是经过洗选的，而美国的这一比例达4 5 ，欧洲国家则达7 5 以上。我国煤炭平均硫份在1 1 左右，资源分布中东北地区硫份最低，平 均为0 4 5 ，而在西南地区平均高达3 左右，个别西南煤达5 。相比之 下，国际市场交易的动力煤，其热值比我国的平均值高出2 5 ，含硫量低 2 5 - 4 0 ，灰分含量低5 0 t 6 1 以煤为主的能源消费结构，是中国能源经济利用效率低、污染严重、 产品能源成本高，市场竞争能力差的一个根本原因。此能源结构和特点也 决定了我国钢铁生产中环境污染的主要特点和问题【7 】。 1 1 3 能源对我国钢铁生产的制约 由于我国钢铁生产近年来的快速增长，煤、电、运等外部条件已出现 制约，相关原材料价格上涨已经显现，钢铁企业成本压力加大。一些能源 品种出现了短缺，库存量仅够维持企业几天的生产。继国际石油价格上涨 后，最近国际煤炭市场价格对此同样作出反应，招标价格开始出现一定程 度的上扬。与此同时煤炭及焦炭质量下降，质次价高现象严重，这也造成 了很多钢铁企业焦化、炼铁等工序能耗上升【舛。 近几年，中国钢铁生产规模产能快速扩张过程中，转炉钢和电炉钢比 3 辽宁科技大学工程硕士学位论文 第一章文戡综述 例呈上升趋势，这也会拉动生铁产量的快速发展。日前全国新建、扩建高 炉的势头不小，而这又会加剧焦炭的短缺【i 们 钢铁企业是焦炭消耗大户，钢铁产量的大幅攀升，一方面焦炭价格会 水涨船高，另一方面占炼焦煤一半多的主焦煤和肥煤缺口会增大，制约钢 铁能源供应，影响钢铁企业生产能力的发挥【l l 】。 如果将煤炭生产过程中所带来的大量环境，社会问题纳入其成本，煤 炭价格则更高。从发展的角度看，这笔成本迟早要纳入进来，这也必然影 响钢铁工业能源成本【1 2 i 。 1 i 4 钢铁生产中能源与环境的关系 ( 1 ) 环境因素对中国钢铁产能规模扩大的限制 钢铁生产中，传统的高炉一转炉流程消耗大量的矿石和煤，固气废弃 物捧放较多。钢铁生产流程中纵向有烧结、高炉炼铁、炼钢、轧钢等；横 向有炼焦、耐火材料生产，发电、机修等，废弃物数量大、种类多，主要 污染物有烟尘、粉尘、二氧化硫、氮氧化物、固体废弃物、废水中的挥发 酚、氰化物、石油类、c o d 化学需氧量、氨氮化物及六价铬等【1 3 1 钢铁工业是能源消耗大户，也是污染大户由于我国目前能源结构中， 燃煤占了主要比例，而燃煤的二氧化硫捧放量占二氧化硫排放总量的9 0 以上，为推动能源合理利用、遏制酸沉降污染恶化趋势，改善城市空气污 染，国家环保部门对工业界控制燃煤造成的二氧化硫大量排放提出了更高 的要求。因此钢铁工业的大气污染防治和水处理治理任务很重f l4 1 。 在工业化进程中，我国的环境问题压力很大，国家对主要污染物总量 控制的决心和措施不会改变鲥其中二氧化硫总量控制与排放浓度控制成 为遏制钢铁工业污染的双刃剑。 总量控制与排放浓度控制是环境管理部门的两种并行的环境管理办 法，捧放浓度控制方法在日常工作中应用更普遍【1 6 1 。使用监测仪器检验排 放物是否达到捧放标准是各地环境监测与管理部门实行有效控制的具体 办法，与之比较。总量控制则是一种宏观管理办法。 目前对钢铁企业分解的二氧化硫排放总量是以企业原有或现有产能为 基础，因此，企业要提高产能就势必有加大二氧化硫排放总量的趋势。而 总量控制就限制了企业的规模扩张规划目标，因为没有总量指标，企业就 无法新上项目，企业超过总量指标，就要关停部分生产企业i i 。 4 辽宁科技大学工程硬士学位论文第一章文献综述 “两控区”是指酸雨和二氧化硫控制区，包括4 个直辖市、2 1 个省会城 市、1 7 5 个地级以上城市和地区，面积约1 0 9 万平方公里，占国土面积的 1 1 4 ，占全国总人口的3 9 ，占国内生产总值的6 7 ，人口集中、工业 发达，在国民经济中有举足轻重的位置。“两控区”二氧化硫排放量为约占 全国6 6 我国南部和西南部高硫煤地区的酸雨影响已危及全国1 0 的土地面 积，使受影响地区内农作物及林业生产率平均下降3 。燃煤造成了环境 的退化，并威胁着人类的生存与发展“十一五”期间，我国能源消费总量 将持续增长，预计“两控区”二氧化硫产生量还将持续增加，这对于实现“两 控区”二氧化硫捧放总量控制目标是一个巨大的挑战。 我国重点规模以上钢铁企业大部分分布在这些区域，大型钢铁企业中， 只有酒泉钢铁公司例外。 关于吨钢= 氧化硫和氮氧化物排放量，目前尚无国家及行业标准。据 调查统计，国内企业不使用进口原料，在不采取任何措施的情况下，一般 每生产1 吨钢排放= 氧化硫8 k g ，氮氧化物3 k g 目前钢铁企业通过治理 的二氧化硫捧量一般为4 k g t 钢，最低捧放量1 7 k g t 钢，最高排放量 l o 4 k g t 钢，氮氧化物最低捧放量l k g t 钢。 若要加大治理力度，其环保治理投资费用不菲：专家推算，平均每减 少1 万t 二氧化硫捧放量，炉窖烟气处理投资在0 5 一l 亿元人民币，锅炉 治理投资在7 0 0 1 4 0 0 万元人民币；发电机组处理投资3 0 万机组在1 5 亿 元人民币。 环境问题已成为对钢铁企业即“要钱”又“要命”的制约因素( t s l 。 ( 2 ) 钢铁行业面临的环保压力 政府在监督污染的治理中。考虑污染治理的内在规律如当政府污染 罚款低于治污费用时，企业往往会接受罚款而不去治理污染，于是政府就 提高罚款额度，且罚款额远远超过治污费用，目前我国政府正在逐步实施 这个策略 由原国家发展计划委员会、财政部、环境保护总局和原国家经济贸易 委员会共同制定颁布的捧污费征收标准管理办法已于2 0 0 3 年7 月1 日起施行。 新标准以污染物排放总量控制为重点，加大了排污收费力度，将超标 捧污的单因子收费改为排污就收的多因子收费，扩大了收费范围，大幅度 提高了收费标准。 辽宁科技大学工程硬士学位论文第一章文献缘速 过去排污费仅以污水、粉尘、废渣、二氧化硫和噪声为主，且为单项 收费，由于管理方面的原因，对二氧化硫排放收费也不严格，所以该项支 出所占企业成本支出比例不大。 原企业上交排污费有部分返还用于支持企业环保技术改造项目和环保 监测设备更新等，现在征收的排污费将直接进入财政收入，环境保护管理 部门将不会再返还征收的排污费，企业排污费实际支出增大，企业实际环 保成本大大增加。 1 2 节能的重要性 节约能源是人类当前面临的重要任务之一，对于我国任务由为艰巨。 虽然从长远看，太阳能、核聚变能、地热能等可以为人类提供几乎无限的 能量，但由于技术上的困难，目前这些新能源还不能大规模开发利用，人 类化石燃料还占世界能源的主体。随着技术的进步，人类对能源的需要越 来约大，而化石燃料是不可再生的，全球的储量只能维持人类几十年的消 耗，因此，节约能源对人类的发展意义非常重要，甚至是制约因素 1 9 1 。 1 3 余热利用的特点 在工业领域内，由于使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、 燃料条件的不同和工艺上千变万化的需要，从而给余热利用带来很多困 难，必须清楚了解它的特点。一般来说其特点如下： 1 3 1 热负荷不稳定 热负荷不稳定是由于工艺生产过程所决定的例如有的生产是周期性 的，有的高温产品和炉渣的排放是间断性的。有的工艺生产虽然连续稳定， 但余热锅炉热源提供的热量也会随着生产的波动而波动 1 3 2 烟气中含尘量大 如氧气顶吹转炉烟气中的含尘量达8 0 1 5 0 9 n m 3 、闪速炉含尘量达 8 0 1 3 0 9 n m 3 、烟化炉含尘量达8 0 1 6 0 9 n m 3 ，含尘数量大大超过一般的 锅炉。同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣，尤其是炉烟温度高含尘量 大时，更容易黏结，积灰，从而对余热回收的设备有可能产生严重磨损和 堵塞的后果【2 们。 6 辽宁科技大学工程硬士学位论文第一章文献综述 1 3 3 烟气有腐蚀性 烟气中有的含有如二氧化硫等腐蚀性气体，在烟尘或炉渣中含有各种 金属和非金属元素，这些物质都有可能对余热回收设备造成低温腐蚀或高 温腐蚀。 1 3 4 受安装场所固有条件的跟制 余热利用设备经常会受到安装场所固有的条件限制，如有的对前后工 艺设备的联接有一定的要求，有的对捧烟温度要求保持在一定的范围内 等。这些问题与余热回收设备长发生一定的矛盾，必须认真研究统筹解决 【2 1 1 1 4 世界余热利用发展概况 八十年前美国在铜反射炉后配备余热锅炉，开始做回收余热的尝试， 五十年前在炼钢平炉后面开始装设余热锅炉在这几十年中，世界各国对 余热锅炉也不同程度地进行了一些研制，而进展却一直不快。其原因除了 是对余热利用可能重视不够之外，但更主要的是没有掌握好它的规律五 十年代以后，余热利用才得到较快的发展。尤其六十年代闪速熔炼技术的 出现，对余热锅炉的研制工作更起了促进的作用，使积灰、腐蚀、磨损等 方面的问题都逐步得到了较好的解决。现仅以有色冶金余热锅炉为例，进 一步说明从简热锅炉的发展情况。它基本上可以分为初期、中期和成熟期 三个阶段 2 2 1 。 在初期阶段中，对有色冶金余热的特点和烟气、烟尘的特性等了解的 很不够，错误地把余热锅炉等同地当做一般锅炉来对待，以为把般通用 的锅炉装上去即可达到回收余热的目的了。在这们的情况下，各国先后设 计了一些余热锅炉。美国在1 9 0 0 年在安纳康达铜冶炼厂反射炉装的斯达 林型余熟锅炉，日本在1 9 5 2 年设计的第一台沸腾焙烧余热锅炉，日本在 1 9 5 8 年使用的铜反射炉余热锅炉。这些锅炉运行不久即被积灰堵死。该余 热锅炉经过两星期的实际运行，通风损失从1 2 0 p a 增加到7 3 0 p a 。停炉后 检查发现炉内通道几乎全部被烟尘堵死，且部分钢管有被严重磨损的痕 迹。分析烟道积灰的主要原因，是由于烟气进入第一通道时，首先和锅炉 管成横向冲刷，在下部灰斗处亦成横向冲刷，在炉膛中间又布置了受热面， 使烟气和烟尘的辐射放熟不能很好地进行。从而使烟尘大量地粘附在管壁 上下部灰斗的砖面没有水冷壁保护，加上烟气转向第二通道时产生的涡 7 辽宁科技大学工程硬士拳位论文第一章文献综述 流，从而也回避了烟尘的堆积1 2 3 。 为了解决严重的积灰问题，经过反复的研究和改进，从而进入了中期 发展的阶段。日本使用的铜反射炉余热锅炉，美国使用的烟化炉余热锅炉， 日本改进后的沸腾焙烧炉余热锅炉。这些余热锅炉的特点是都有一个较大 的辐射冷却室。辐射冷却室的主要作用是把烟温降低到某一个特定的温度 以下，使烟尘由熔融状态变成固体颗粒，并在其中沉降下来，然后烟气再 进入对流区，这样做虽然使积灰闯题有所改善，但每当冶炼原料、燃料种 类有所改变【2 4 1 ，或冶金炉负荷需要强化时，就经常出现严重的积灰，而以 下锅筒处最为严重，往往迫使余热锅炉停炉清灰，以致影响了正常工艺生 产以上说明这种形式的余热锅炉是没有过关的1 2 5 。 鉴于上述情况，而取消了下锅筒，并把上锅筒和集箱都移至炉外，把 对流受热而改为纵向冲刷的屏式受热面，有的还主张把自然水循环改为强 制水循环。这样到六十年代末及七十年代初即发展到了较为成熟的第三阶 段在这个阶段中，有色冶金用余热锅炉的结构形式基本上有两种：一种 为多通道式余热锅炉，烟气在锅炉中成多回程式流动，如反射炉余热锅炉、 沸腾焙烧炉余热锅炉。另一种的直通式余热锅炉，烟气在锅炉内不转弯， 成直流式流动，如日本用的闪速炉余热锅炉、芬兰用闪速炉余热锅炉。实 践证明，这些余热锅炉经长期运行都是比较正常和可靠的 2 6 1 。 1 5 我国余热利用发展概况 余热利用也是一个节能项目，可以很好地回收烟气中的热量。一般情 况下，余热设备可以收回烟气显热的1 5 以上，它在降低企业生产成本， 提高经济效益的同时，对改善环境条件等方面也有诸多优势，因此，受到 各行各业的青睐。据对百家锅炉制造企业统计，1 9 9 8 年生产各类余热锅炉 2 8 7 台，计2 9 9 5 3 t ( 蒸汽) ，实现产值2 7 7 1 7 9 万元( 当年价) 。与1 9 9 7 年相比，余热锅炉生产台数上升3 2 3 ，t ( 蒸汽) 数上升1 7 3 ，产值增 长3 4 。余热锅炉生产继续保持平稳发展的势头，这些余热锅炉若全部投 入运行，相当于可全年节约2 5 0 余万t 标准煤 2 7 1 经过“一五”期间引进诸如前苏联的k y - 8 0 型余热锅炉、六十年代仿制 一批余热锅炉产品，开创我国余热制造业的发展史。 早在余热锅炉研究所成立之前的1 9 7 4 年，杭州锅炉厂就组织“废热锅 炉调查小组”对我国化工、电力、机械、化肥行业的余热资源和余热锅炉 制造业进行了首次调研。 1 9 7 8 年至1 9 8 7 年是我国余热锅炉产品发展的第一阶段。水泥窑余热 0 辽宁科技大学工程硬士学位论文 第一章文靛综述 锅炉、工业炉窑( b 、l ) 型余熟锅炉、炼钢平炉余热锅炉、低热值尾气( 碳 黑) 余热锅炉、硫酸余热锅炉、造纸黑液碱回收余热锅炉、隧道( 玻璃) 窑余热锅炉、小化肥余热锅炉和船用余热锅炉等产品产量占主导地位。到 1 9 8 8 年，初步形成了以杭州、武汉、鞍山、四方锅炉厂为主体的余热锅炉 行业网络。全行业共开发了1 5 个系列、7 2 个品种、1 0 1 种规格的余热锅 炉产品，累计产量达到1 5 0 0 余台约4 0 0 0 t 蒸汽。 1 9 8 8 年，国家计委组织机械部三、五院等单位对冶金、剪裁、轻工、 机械行业进行能耗调查。第二年，完成了全国主要能耗行业工业炉窑余 热利用调查报告。 1 9 8 8 年后，余热锅炉行业进入一个新的发展阶段。氧气转炉余热锅炉、 干熄焦余热锅炉、各种有色冶金余热锅炉、炼油催化裂化余热锅炉、燃气 蒸气联合循环余热锅炉和城市生活垃圾焚烧锅炉等技术含量高的产品 得到了开发应用。 独树一帜的是，武汉锅炉厂根据我国资源现状，在草浆造纸的碱回收 技术方面积累了丰富的经验。1 9 9 2 年，该厂为印度尼西亚设计制造了单汽 包碱回收余热锅炉( w g z l 6 2 6 7 _ l 型) ，打入国际市场。 1 9 8 9 1 9 9 1 年问，配合全国小型氮肥厂的节能目标，开发和完善了j 以 “l ”行水管锅炉为主的余热锅炉系列，为充分利用造气工段低热值吹风气 工艺废气等一系列废气废热产生蒸汽满足生产用汽提供了条件。使全国 3 0 0 多家年产2 3 万t 合成氮的小型氮肥厂革除了燃煤锅炉，做到了只耗 原料煤，实现了“两煤耗”变“一煤耗”的目标。 钢铁行业历来是耗能大户。8 0 年代开发的平炉余热锅炉、加热炉余热 锅炉、化铁炉余热锅炉、高炉焦炉煤气余热锅炉为钢铁行业的节能环抱工 作作出了贡献。“九五“期间，氧气转炉、硅铁冶炼、干熄焦、海绵铁、烧 结剂余热锅炉的开发应用，在深度和广度上都有新的发展。 1 9 9 5 年至1 9 9 8 年间，以上几个品种的余热锅炉工上产了9 6 台1 4 1 1 蒸t 。 上海宝钢炼铁厂炼焦车间一期工程干熄焦余热锅炉由日本进口。从二 期工程起陆续配用了杭州锅炉场生产的q 1 2 5 8 0 0 3 8 4 6 4 5 0 型干熄焦余热 锅炉，结束了干熄焦余热锅炉依靠进口的局面，为我国炼焦行业降低能耗 创造了条件1 2 s 1 。 1 9 9 8 年，我国焦碳产量约8 0 0 0 万t ，如果其中4 0 0 0 万t 该由干熄焦 工艺生产，则需要配备4 5 6 0 台干熄焦余热锅炉。按蒸汽产率4 2 0 4 5 0 k g t 9 辽宁科技大学工程硕士学位论文 第一章文靛综逮 焦碳计。可节约标煤2 2 0 - 2 8 0 万t 年 燃气轮机发电在世界上一广为应用，其发电容量占世界发电容量的 l l e a 。到1 9 9 8 年6 月，我过2 0m w 以上的燃气轮机发电组及联合循环电 站总装机容量为6 2 6 8 9 m w ，占国内火点机组总容量的3 5 。 我国早在六十年代就已关注燃气蒸气联合循环发电技术。八十年 代中期，杭州锅炉厂通过技贸结合方式与英国约翰布朗( j b ) 公司、荷兰斯 坦特法索( s f l ) 公司建立了电力伙伴集团，合作为辽河、胜利、中原 等油田及重庆江北电厂制造燃气轮机余热锅炉 2 9 1 。 1 9 9 4 年1 2 月，杭州锅炉厂为深圳金岗电力有限公司设计制造的我国 首套燃气蒸汽联合循环发电机组用( q 3 8 6 5 4 3 - 6 5 - 3 8 2 4 5 0 型) 余热锅 炉投运成功，填补了我国燃气轮机电站余热锅炉的空白该厂与美国g e 、 法国a l s t h o m 、荷兰s f l 、英国r r 公司的技术交流，引进、消化和吸 收国外先进技术，已形成独立设计和制造余热锅炉的能力，生产了与 m s 5 0 0 0 、m s 6 0 0 0 和f t 8 等燃机配套的余热锅炉。 1 9 9 6 年8 月，杭州锅炉厂自行设计、制造的双联燃机三压余热锅炉在 江苏无锡正式投运它的产生，标志着我国燃气蒸气联合循环余热锅 炉达到了国际九十年代初的先进水平 目前，哈尔滨锅炉厂和七0 三所等单位也是具备可一定的燃机余热锅 炉的开发能力。 作为环保和节能的有效措旃，燃气蒸气联合循环电站将越来越得 到重视。电力部已规划“十五”期问在沿海和降级较发达地区上椅披以天然 气或液化石油气谈了，单机容量为2 0 0 3 0 0 m w 的燃气蒸气联合循环 发电机组，无疑为燃气轮机余热锅炉展示了良好的前景 我国现有设市城市6 6 8 个，城市生活垃圾清运量约为1 1 亿吨，且以 每年7 - 8 速度增长，预计2 0 0 0 年城市生活垃圾产出量将达到1 4 1 6 亿t 。 我国城市生活垃圾处理率为5 7 3 e a ，真正达到无害化处理标准的3 0 ，焚 烧处理约占l 。 我国以建或在建的国产垃圾焚烧锅炉有t 杭州锅炉厂引进三菱马丁炉排设计制造的1 5 0 t d 垃圾焚烧炉，安 装在深圳市环卫综合处理厂，1 9 9 5 年投运，1 9 9 7 年通过鉴定； 无锡锅炉厂设计制造安装于广东顺德市的7 5 t d 垃圾焚烧锅炉； 广州劲马动力设备企业集团与1 9 9 8 年利用加拿大r i c h w a y 公司技术， 为深圳龙岗垃圾焚烧发电厂合作生产c a o 垃圾焚烧锅炉 辽宁抖技大学工程硬士擘位论文第一章文靛综述 此外，在长江、珠江、珠江三角洲地区以分别建有约4 0 个 2 5 0 c ； 空气阻力损失：1 2 0 0 p a 。 ( 4 ) 布置形式 空气和煤气换热器需串联整体安装，空气换热器在前，煤气换热器在 后( 按烟气流向) 一 ( 5 ) 除尘方式 为确保换热器的使用效果，必须在换热器上设置有效的声波除尘装置 ( 型号k x - g m 2 。声波频带3 0 8 0 0h z ，声波强级1 4 0 d b ，声源介质用氮 气1 。 1 7 2 换热器的技术参数 ( 1 ) 煤气换热器 形式：带“麻花插件”的管式换热器，其中配气箱下部设置带堵板的集 尘室： 布置方式：顺排，逆流两行程； 换热面积： 9 2m 3 # 传热系数：k 2 9w ( m 2 ) ( 2 ) 空气换热器 形式：带“麻花插件”的管式换热器； 布置方式：顺摊，逆流两行程； 换热面积： 6 0 m 2 ； 传热系数：k 2 9w ( m 3 ) ； 其它要求：高温侧的换热器材质为2 0g b 3 0 8 7 - 9 9 ，管壁采用渗铝工 艺防止腐蚀、磨损。 1 7 3 双预热工艺中烟气除尘设备及换热器的布置 ( 1 ) 烟气的有关工艺参数 单窑的烟气量：2 8 0 0 0 m 3 h ； 1 4 辽宁科技大学工程硬士学位论文 第一章文靛综述 窑顶的烟气温度：3 0 0 6 0 0 ，平均温度4 5 0 ； 含尘量：1 5 0 0 m g m 3 。 ( 2 ) 设备的布置 新窑的除尘设备及换热器的布置见图1 1 从图1 1 可看出烟气的流动方向： 窑顶烟气一重力除尘器一换热器一布袋除尘器一引风机 o 排空 烟气除尘系统的效果直接影响到换熟器的稳定运行，从新窑半年的运 行情况来看，烟气除尘系统设备的布置是合理的经除尘后，烟气含尘量 1 5 0 m g m 3 ，达到环保的要求 ( 3 ) 换热器设置在旋风除尘器与布袋除尘器之间的原因 由于烟气中含有粗颗粒尘，因此大于5 0u m 的粗颗粒尘经过旋风除尘 器可收集起来，避免了粗颗粒尘堵塞、磨蚀换热器，影响换热器换热效果 和使用寿命。因此将换热器设置在重力除尘器后。而换热器后面的布袋除 尘器是环境保护和引风机工况的要求，为了保证换热器管表面石灰尘埃堆 积不至于太厚，在换热器上设置了以氮气为介质的自动声波清灰器系统， 这样充分保证了换热器的使用效果。 l 一窑体；2 一烧嘴；3 一重力除尘器；4 一声波清灰器： 5 一热交换器；6 一布袋除尘器：7 一引风机 圈1 - 1 烟气除尘和热交换器布置简图 辽宁科技大学工程硕士学位论史 第一章文献缘速 1 8 热交换系统的设计 1 8 1 系统组成方案的设计 石灰窑空气、煤气双预热系统由重力除尘器、换热器、布袋除尘器等 设备组成，其工作流程如图1 2 所示在这个系统中，空气换热器与煤气换 热器采用串联方式布置。烟气经过旋风除尘器初步净化后进入空气换热器 换热，再进入煤气换热器。空气换热器采用的是u 形管式换热器，煤气换 热器采用的是重力式钢水热管换熟器。一般情况下，u 形管式换热器从换 热方式上来说属于光管式换热器，换熟效率不如热管式换热器高。采用这 种换热器，一是因为第一级换热器中烟气温度最高时可能超过5 0 0 不宜 使用热管换热器。目前国内尚没有一种成熟而经济的方法制造的热管能在 3 9 0 以上正常使用不发生爆裂。由于在高温区发生热交换的气体之间温 差较大，即使不使用热管换热也足以使被加热的气体温度升高到2 0 0 以 上。经过第一级换热烟气温度降至3 5 0 ( 2 以下，第二级换热器采用热管换 热以提高热交换的效率，同时避免煤气中的沉淀物堵塞管路另外煤气属 易燃易爆气体。在温度达到2 5 0 以上时有可能发生危险，一般应控制在 2 0 0 以下，所以在低温区预热比较合理。烟气经过空气换热器换热后， 温度可降至3 0 0 c 左右，然后在煤气换热器中与煤气进行热交换，将煤气 预热到大约1 5 0 2 0 0 ，同时烟气被冷却至1 7 0 1 8 0 。经袋式除尘器净 化后捧放。 空气 煤气 圈1 - 2 系统工作流程 1 8 2 换热器的工艺特点及设计要点 气烧石灰窑烟气换热器的工艺特点是由烟气的性质所决定的，气烧石 灰窑烟气有下列特征： ( 1 ) 烟气量、温度波动范围比较大； 辽宁科技大学工程磺士学位论文 第一章文献综述 ( 2 ) 烟气含尘浓度高( 约6 9 m 3 ) ； ( 3 ) 烟气中含水量约6 ，凝结后与烟气中的石灰发生反应容易产生 板结。 根据烟气的特点，设计空气、煤气换热器时应注意以下几点： ( 1 ) 在保证换热效率的前提下，有适应烟气量和烟气温度波动幅度较 大这一特的保障措施； c 2 ) 烟气含尘量较大，在设计中应对烟气流速给予足够的重视，以防 止管壁挂灰影响换热效果： ( 3 ) 在结构上要考虑清灰及捧水、排污的装置。 1 8 3 换热器的结构设计 在空气换热器的结构设计中确定了以下目标： ( 1 ) 尽量减少管束的水平部分，以减少挂灰对热交换的影响； ( 2 ) 给管束留有伸缩的余地，以消除温度变化使构件产生的应力； ( 3 ) 烟气换热室设置集灰、放灰装置； ( 4 ) 设置清灰装置 按上述要求设计了u 形管式换热器( 结构见图l 一3 ) 空气从空气进口 进入换热器，在u 形管中与烟气换热，经过预热的空气从空气出口流出换 热器因为u 形管的部分处于垂直状态，所以挂灰相对较少，换热效率较 高。u 形管只有两个端口部位与换热器箱体焊接，底部没有约束可以自由 伸缩，当温度变化引起u 形管伸缩时不会产生应力由于空气在由鼓风机 吸入时已经过滤，含水量也非常少，不会在u 形管底部形成淤积堵塞管道。 在换热器底部设有集灰斗和放灰装置。在换热器内设有高效声波清灰器。 1 7 辽宁科技大学工程硕士学位论文 第一章文献综逮 低i 醯空气预热空气 圈l - 3 空气抉热器结构 1 9 课题的提出和意义 本文针对凌钢2 0 0 m 3 石灰竖窑存在的择放烟气温度高、含尘量大且 附着力较强，周期性生声时烟尘、余热的回收一直是很难解决的问题， 设计了一种新型针对石灰| 竖窑的余热利用系统，它的研究成功，有利于凌 钢的石灰竖炉的余热的回收利用，不但具有重大的经济效益，而且有有利 于环保，具有重要的社会效益 1 5 辽宁科技大学工程硕士学位论文 第二章2 0 0 m 石灰竖窑余热利用系统的概速 第二章2 0 0 m 3 石灰竖窑余热利用系统的概述 在充分论证的基础上，凌钢2 0 0 m 3 石灰竖窑上了一套余热利用系统， 该系统投产以来取得了显著经济效益和环保效益 2 1 基本原理 2 1 1 传热的一般概念 传热学是一门研究由于温度不同所引起的热伯传递过程的学科。它与 热力学不同之处在于后者是讨论平衡状态的系统，用于预测某一系统从一 种平衡状态改变到另一种平衡状态的可能性问题，但是不能预测所发生的 变化到底有多快，因为在这种状态变化的过程中，系统并不是处于平衡状 态。因此这就需要由传热学来解决。由此可见，传热学不仅要阐明热能被 传递的原因，而且也用以预测在特定条件下，所发生热量传递的快慢。即 所谓热传递的速率哪l 。 应用传热学规律来解决实际问题，不外乎有两种类型：一种是力求热 圈2 - 1 漉体通过问壁的热 交换 传递过程的强化，如为了完成一定热量的交换 任务，能设计出最经济( 即设备费和操作费的 总费用为最少) 的换热设备来：另一种是力求 热传递过程的削弱，如尽可能减少不必要的热 损失根据热传送机理的不同。热的传递有三 种基本方式，即传导对流和辐射。但在实际 生产中所遇到的传热过程很少是单一的传热 基本方式，往往是几种基本方式同时出现，这 就使得实际的换热过程极复杂。在流体对流传 热时，往往同时也碴传导现象存在。在辐射传 熟时，往往也有对流和传导现象存在不过其 中总有一种方式是主要的。现以化工生产中最 常见的间壁换热为例。它就是同时并存着对流、传导和辐射三种方式，在 热流体温度小于4 0 0 时辐射传热的影响般可忽略不计。如图2 - 1 所示， 若管壁的一侧为热流体，其温度为t ，另一侧为冷流体，其温度为t ，由于 辽宁科技大学工程硬士学位论文第二章2 0 0 m 3 石灰竖窑余热利用系统的概速 它们之间存在着温度差t - t t ，所以热量就由热流体传给管壁，然后再 由管壁传递给冷流体。在热流体把热量传递给固体管壁，或由固体管壁将 热量传递给冷流体时，均称为给热过程，在这一过程中，热流体的热量传 递给管壁，管壁的热量传递给冷流体为对流换热，而管壁与管壁之间的热 量传递为传导。由此可见，实际换热的过程往往是两种或三种基本方式的 复杂的组合为了解决它们的实际计算，就必须首先熟悉传导、对流和辐 射三种基本过程的规律，然后再讨论如何将这些规律应用到各种类型余热 回收设备的设计计算中去【37 1 工程上广泛应用的换热设备，其器壁两侧都与不同的流体相接触，传 热过程属于对流换热，牛顿公式如下： q = h f a t ( 2 - 1 ) 该式只是给换热系数下了一个定义，并未揭示对流现象的本质，实际 上是把对流换热的复杂性和计算上的困难都转移到h 上去了。对流换热受 流体导热和热对流的综合作用，它就必然要同时受到流体导热和对流规律 的支配。由于流体的粘性作用，贴壁流体流速为零，壁面和流体间的传热 只能靠导热，根据傅立叶定律： q = 灯亳i 。神 ( 2 2 ) 这个热量也就是对流换热量，把上式代入( 2 - 1 ) 就可解出对流换热的 表达式： = 一石k 丽b t l 。( 2 - 3 ) 该式说明，h 与k 、a r 以及贴壁层的温度梯度罢i 。舢有关。k 和，一定 时，h 取决于兰i 。，热边界层越薄，兰l 。越大而热边界层的温度梯 册咖 度或厚度与流体的流动状况、物性、温度和壁面几何状况等许多因素有关。 2 1 2 强化传热方法 2 1 2 1 连续提供增强热传递的激励 这种方法如使用静电场和给予表面或流体以振动等近年来，研究脉 动对热传递过程的影响，曾进行了许多工作。根据对所得结果的分析认为 辽宁科技大学工程硕士学位论文第二章2 0 0 m j 石灰竖窑余热利用系统的概逮 热传递系数随脉动而增加，并在过渡流区域中观察到最大的增强。 2 1 2 2 利用扰动促进物 如螺旋线、入口涡流发生器、缠绕带、位移促进器和螺旋沟槽管等。 曾在小尺寸的设备中在不变的热通量的条件下，研究了螺旋带插入物对 热传递系数( ) 和压力降( p ) 的影响，认为本质上均增机。且增加的程度是 差不多的。但在大尺寸的装置中，当r e 5 0 0 时摩