（环境工程专业论文）大冶铁矿球团竖炉余热的利用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 摘要 在我国钢铁工业余热资源中，球团工序的余热资源主要有烟气余热和球团矿显热两部 分组成。其中烟气余热因温度低、利用困难而在我国没有引起相关重视；球团矿显热虽属 高温余热，但是也被直接排空而造成热量浪费。据有关资料可知，这两部分余热能量占球 团竖炉能耗2 0 以上，所以球团矿显热和低温烟气余热的回收利用对钢铁工业节能降耗有 较大的现实意义。 论文以大冶铁矿球团竖炉余热资源为研究对象，结合大冶铁矿球团厂现场情况及生产 工艺参数，通过热平衡分析计算，探讨了球团矿显热和烟气余热的回收利用价值。研究结 果表明：通过竖冷机和蓄热室收集冷却5 0 0 。c 和3 5 0 c 球团矿的热风供给烘干窑烘烤湿精 矿粉，在热风替代部分发生炉煤气后，每小时可减少煤气用量1 3 0 0 m 3 ，每年可节约燃料成 本5 2 万元。对于1 2 0 的低温烟气余热的回收，利用热管换热器回收一部分的烟气余热每 天可满足公司职工1 0 0 人次的洗浴要求，另一部分烟气余热供给烘烤湿精矿粉，每年可节 约大量的燃料成本，不仅能达到充分利用现有废弃资源的目的，而且还能取得较好的经济 与环境效益。 关键词：球团竖炉；余热利用；热平衡计算；热管换热器 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ew a s t eh e a to fo u ri r o na n ds t e e li n d u s t r y , t h ep e l l e t ss e n s i b l eh e a ta n df l u eg a sh e a ta t s h a f tf u l t l a c ew e r ep a r t so ft h ew a s t eh e a to fp e l l e t sw o r k s ，t h ef o r m e rw a sn o tt a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o ni n0 1 1 1 c o u n t r yo w i n gt oi t sl o wt e m p e r a t u r ec a u s i n gr e c y c l e dd i f f i c u l t l y 1 1 l e p e l l e t ss e n s i b l eh e a tw a sq u i t el a r g eb u td i s c h a r g e dd i r e c t l y 鼢a f sm o r e , t h et w op a r t so fw a s t e h e a tw o r e2 0 o fs h a f tf u r n a c ee n g e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r er e c o v e r yo f p e l l e t ss e n s i b l eh e a t a n dw a s t eh e a to ff l u eg a sf l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ns a v i n ge n e r g ya n dd r o p i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n f o ri r o na n ds t e e li n d u s t r y t h ew a s t eh e a tr e s o u r c e so fs h a f tf u r n a c eo fd a y ei r o no r ec o m p a n yw a su s e da sr e s e a r c h s e b j e c t b ym e a n 8o f h e a tb a l a n c ec a l e u l c a t i o n , r c e o v o r yv a l u eo fp e l l e t ss e n s i b l eh e a ta n dw a s t e h e a to fl o 访t e m p e r a t u r ef l u eg a sw a ei n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so ft h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e r s i tw a sf o u n dt h a tt h e5 0 0 a n d3 5 0 o fp e l l e t ss e n s i b l eh e a tw a su t i l i z e dt ot o a s tc e n c e n t r a t e f i n e sw a sf e a s i b l e n ep l a n tc a nr e d u c eg a sp r o d u c e r13 0 0 m ha n ds a v ef u e lc o s t5 2 0t h o u s a n d s y u a np e ra n n u ma r e rh o ta i rs u b s i t u t i n gg a sp r o d u c e r ap a r to f w a s t eh e a to f1 2 0 f l u eg a st a i l s a t i s f yt h eb a t hr e q u i r e m e n to f10 0p e r s o n sa n dt h ee n e n g yf o rt o a s t i n gc o n c e n t r a t ef i n e s p r o v i d e db yt h eo t h e rw a s t e h e a tc a l ls a v es u b s t a n t i a lf u e lc o s te v e r yy e a r k e y w o r d s ：p e l l e t ss h 啦f u r n a c e ；w a s t eh e a tu t i l i z a t i o n ；h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o n ；h e a tp 咖 - e x c h a n g e 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 j 一 刖罱 近年来，我国钢铁工业余热资源的回收利用取得了很大的进步，不仅在高温余热回收 利用上其工艺水平日益成熟，而且中低温余热资源的回收利用工艺也取得了长足的进步。 尽管如此，在我国钢铁工业中，数量和回收利用潜力巨大的中低温余热资源因各种因素的 影响依然只能在小范围内展开研究、开发，而无法大面积的回收利用。因此对中低温余热 资源的回收利用需要研究探讨一种经济可行、技术合理的回收利用工艺和方法。 对于中低温余热资源的回收利用，在工程应用上一般根据余热资源温度的高低，选用 中低温余热回收装置，产生蒸汽用于供热、发电，供生产或生活用，而且一般先同级利用， 在其他情况下再梯级利用。就中低温烟气余热而言，一般利用热管换热器换取余热用来预 热空气、烘烤湿精矿粉和生活取暖，也有利用余热锅炉产生饱和热蒸汽发电、生活取暖。 但是在很多情况下，一些钢铁企业都采用热管换热器来回收利用其生产过程中产生的中低 温烟气余热，因热管换热器有结构简单、无运动部件、安装方便、维修工作量小、传热 效率高，设备投资小等其他换热设备无法比拟的优点而被应用于工程实践中。从上述分析 中可知，热管换热器以其众多优点而被利用来回收中低温烟气余热，但是在具体余热回收 利用实践上，因受经济效益、设备与基建投资和运行管理方面等多种因素的制约，钢铁工 业中的中低温烟气余热资源还无法大面积的进行回收利用。另外，对于球团矿显热而言， 尽管球团矿温度很高，但因蕴含的余热量不是很大，因而目前还没有很好的办法对其进行 回收利用。 本课题以大冶铁矿球团竖炉生产过程中产生的球团矿显热和烟气余热为研究对象，在 相关热工参数的基础上，结合大冶铁矿球团竖炉的实际情况，致力于研究属于中低温余热 的球团矿显热和烟气余热的回收利用价值。通过对原有球团竖炉工艺进行相关改造；利用 竖冷机换取球团矿显热得到一定温度的热风，在热风通过蓄热室蓄热后对烘干窑的湿精矿 粉进行烘烤。对竖炉球团排放的低温烟气余热的回收利用，通过初步设计计算和经济效益 分析论证后，最终确定利用两种途径对烟气余热进行回收利用：一是利用热管换热器回收 一部分低温烟气余热为职工洗浴提供热量，而另一部分低温烟气余热则用来烘烤湿精矿 粉。通过研究球团矿显热和低温烟气余热的回收利用价值，为以前不被重视的低温烟气余 热和球团矿显热在余热回收领域内的应用提供参考。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 研究背景 1 , 1 1 我国能源利用现状 ( 1 ) 能源总量丰富但资源储量和人均拥有量严重不足 从能源总量来看，我国是世界第二大能源生产国。2 0 0 6 年能源生产总量为2 2 1 0 5 6 万吨 标准煤，其中原煤生产总量占7 6 7 ，仍居主导地位，水电、核电、风电所占比重与2 0 0 5 年相比都有一定程度的提高【1 1 。虽然能源总量丰富，由于我国人口众多，因而人均能源拥 有量低于世界平均水平( 图1 1 ) 【2 1 ，人均煤炭储量为2 5 6 t ，人均石油储量为1 9 t ，天然气人均 拥有量2 1 6 8 m 3 ，分别为世界平均水平的5 0 、6 1 、6 5 8 t 3 1 。 求 糌 忙 旬 聪 恕 露 一 l6 6 k j m 3 1 3 工业余热回收设备 由于我们利用工业余热大部分都是通过对余热的换热提取后再用作其他的能源供应， 因而余热回收换热设备在余热回收利用中占有重要地位【1 4 1 ，另外，许多学者也对余热回收 设备的优化设计做了许多工作，以期提高换热设备的性能【1 5 1 6 1 ，这对本文热交换器的选择 设计也有一定的借鉴意义。当前国内使用的余热利用换热设备主要有换热器、余热锅炉、 热管、气化冷却装置等。鉴于本文主要以热管换热器为烟气回收用换热器，因此本文将着 重介绍热管换热器的基本概念和原理。 1 3 1 热交换器概述 热交换器是使热量从一种介质传递到另一种介质以满足规定工艺要求的传热装置。热 交换器作为工艺过程常用的设备，在工业生产中有着重要地位，特别是在余热回收利用中， 借助热交换器回收余热获得热空气、热水、蒸汽等供助燃、干燥、采暖、制冷等工业及生 活之用。 热交换器的分类方法很多，按工作原理不同可分为：间壁式、直接接触式、蓄热式和 热管式等；按用途可以把热交换器分为：加热器、预热器、蒸发器、过热器、冷凝器、冷 却器等。 1 3 2 热管换热器 1 3 2 1 热管的原理与结构 热管是一种高效导热元件，它利用管内工质的变相实现能量由高温向低温有效转移， 它具有良好的等温性和可控温性，是热的超导体。利用热管导热能力强，传热量大的特点， 以多根热管作为中间传热元件，实现冷、热流体之间换热的设备叫热管换热器。 热管由容器壁( 管壳) 、吸液芯及工作介质三部分组成( 如图1 2 ) 。在热管的长度方向包 括三部分：蒸发段，传输段和凝结段。当蒸发段从外部吸收热量时，工作液体吸热气化， 蒸汽在压差的作用下通过传输段流向凝结段，在凝结段向冷源放出气化潜热而凝结成液 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 体，凝结液在毛细管芯的毛细作用下回流到原来的蒸发段，完成一个循环。如此循环下去， 热源的热量就不断的有热管的一端传至另一端，放给冷源，从而实现热量的传递。对重力 热管来说，将凝结段布置在上部，蒸发段在下部，工作液体可以靠重力作用回流到蒸发段。 图1 2 热管结构示霞图 1 3 2 2 热管换热器 热管式换热器由热管、箱体和中间隔板组成，隔板将箱体分为冷、热介质流道两部分， 隔板保证箱体冷、热流体互不混淆，热管横穿隔板，一端与热流体接触，一端与冷流体接 触。另外，在实际工程应用中，冷热两端可按工程有关要求需要加装翅片以增大传热面积。 热管式换热器的基本结构如图1 3 所示。 热管式换热器按照流体的不同种类可分为：气一气型热管式换热器，气一液型热管式换 热器，液一液型热管式换热器；按照热管式换热器的结构型式可分为：整体式、分离式、 回转式和组合式【1 7 1 。 在以重力热管为主要元件构成的换热设备叫重力式热管换热器。重力热管换热器由于 其结构简单、价格低廉，容易成批生产而在工业余热回收利用上得到广泛应用。另外，它 没有毛细管力限的限制，可获得最大热流，这是它的最大优点。重力式热管采用垂直布置， 将冷凝段布置在上部，蒸发段在下部，工作液可以靠重力作用回流到蒸发段，工作液装入 量一般为内部容积的1 4 左右。采用这种垂直分布布置可以省去热管的液芯，使结构简化， 制造方便。 热管换热器与其他形式的换热器相比，有以下特点【1 8 】： ( 1 ) f 专热性能好 热管式换热器可以实现流体管外垂直外掠流动和冷热流体的纯逆流流动，在不改变冷 热流体入口温度的条件下，增大了冷热流体换热的平均温压；因此热管式换热器的传热性 能好于常规管壳式换热器 ( 2 ) 阻力损失小 由于热管换热器传热性能好，在回收相同热量时，换热面积较小。另外，用带翅片的 管子作为受热面，所需管捧数小，流动阻力也相应减小。这样，回收余热时动力设备的功 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 率增加不大，因而有利于已有设备的节能改造。 ( 3 ) i 作安全可靠 在回收中低温余热时，一般换热器的低温受热面容易发生酸腐蚀。而热管换热器通过 改变热管冷热两段不同的管径、长度，可以提高热管换热器的最低壁温。所以，在相同的 冷流体进口温度时，热管换热器具有较好的抗低温服饰性能。 箱体 翅片 图1 3 热管式换热器结构示意图 1 3 2 3 选择热管换熟器应注意的问题 ( 1 ) i 作液体的选择 对热管工作液体的要求除热输送能力要大( 潜热大、热导率高、粘性小、表面张力大等) 以外，还要求热稳定性好，与吸液芯及壳体材料有良好的相容性，工作温度下的热蒸汽压 力不宜过高。 ( 2 ) 热管工作的可靠性 要保持热管的高传热性能，长期可靠地工作。一是要保证管壳的密封安全，不得使工 质蒸汽泄漏。二是在管内避免有不凝结气体存在，因此在制造过程中要用抽真空和加热的 方法将其他气体逸出，然后对其进行密封。三是在使用过程中，工质热稳定性高，并且与 管材不得发生化学或电化学反应而产生不凝结气体。前两点关键在于制造和密封技术，第 三点就是要选择工作液和管壳材料。 ( 3 ) 热管材质的选择 构成热管的管壳、管芯的材质的选择与热管的工作温度范围、管内工质的工作压力以 及管壳与工作液的相容性有关。工作液体与管壳材料的相容性是指不腐蚀材料和不产生不 凝结气体。不凝结气体在冷却段不断积聚，将会影响传热的正常进行，大大降低热管的性 能。其次，管壳要承受一定的压力。工作压力为工质温度对应的饱和压力。此外要求管壳 的热阻小，价格便宜。再者，管芯材料的选择，也要考虑到与工质相容，热阻小，液体渗 透性好。一般与管壳采用相同材料。 1 4 钢铁工业余热回收利用的现状 日本、美国和欧洲钢铁厂的球团工序及其它生产工序中的余热回收利用从用途来看， 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 一般用于以下几个方面，如预热混合料、作助燃空气、点火保温、热风烧结、产生蒸汽以 及压差发电等。这些回收利用的能源约占投入固体燃料消耗2 1 0 ，效果非常显著 1 9 2 1 1 。 钢铁工业( 包含球团工序) 余热回收利用的研究早在2 0 世纪8 0 年代就已开始，李桂田 等【2 2 】分别分析计算了1 9 8 6 年和1 9 9 4 年我国钢铁工业的余热资源量及回收利用率，指出了 余热回收利用的潜力。另外，部分钢铁企业也对本企业的余热余能回收利用进行了调查、 分析，马恩凯等【2 3 】分析了宝钢1 9 9 1 年余热余能资源量及回收利用情况。康丹凤等【2 4 】以本 钢为例分析了钢铁企业余热余能的种类、回收顺序及利用原则。近年来，国内外不少学者 陆续发表文章，阐述钢铁工业余热余能回收利用的重要性及存在的技术、理论问题，对指 导我国钢铁工业余热余能回收利用发挥了积极作用【2 5 - 2 9 1 。由于本文主要着眼于气态载热体 的余热利用( 球团矿显热最终是通过转化为热风来利用的) ，所以本节仅对钢铁工业烟气余 热的利用现状做选择性的介绍。 1 4 1 高温烟气余热的回收利用 高温烟气余热主要应用余热锅炉和热交换器回收利用其余热。在高温烟气余热回收 中，一般采取“先自身利用，后对外供能的方针，即首先采用高温热交换器，将高温烟 气用于预热工业窑炉的助燃空气、燃料和入炉物料，以实现回收利用，也可利用余热锅炉 或热交换热设备产生热水或热空气，若是燃烧产生的烟气则通过燃气轮机发电。 当前，在国内钢铁行业高温废气余热的利用情况较好，对于钢铁企业来说，大多只回 收利用更有经济效益的高温烟气或烟气温度较高的部分，例如用高温烟气预热助燃空气， 而通过空气预热器后约4 0 0 5 0 0 的中温烟气则因受各种因素的制约，导致很多企业没有 对其加以利用，至于温度更低的3 0 0 以下的低温烟气更是没有得到很好利用【3 0 。3 2 】。钢铁 工业的气体显热多数为炉窑排出的烟气余热，其温度范围为1 5 0 1 6 0 0 ，而目前成功 回收利用的是7 0 0 以上的高温烟气【3 3 1 ，如华美钢铁有限公司利用余热锅炉回收加热炉尾 部烟气6 0 0 7 5 0 的烟气余热产生一定的饱和蒸汽供生活或生产用，此项余热的回收利 用可为公司加热炉能源利用率提高1 0 以上【3 4 】；新余钢铁公司利用1 0 0 0 以上的转炉烟气 余热产生的饱和蒸汽用来发电，每年累计发电和回收冷凝水两项经济收益达2 5 0 0 多万元 【3 5 】；柳钢回收1 4 0 0 0 c 1 1 6 0 0 的转炉烟气余热利用余热锅炉发电，每年减少2 0 万吨的蒸 汽外排，同时每年给公司带来3 0 0 0 多万度电【3 6 1 。张海滨【3 7 】研究了淮钢电炉1 2 0 0 的高温 烟气余热回收利用情况，在对电炉除尘系统进行改造的同时，利用热管换热器回收这部分 的烟气余热，实现了电炉的负能除尘。莱钢设计了以余热锅炉为核心的除尘系统，研究其 烟气余热资源再利用情况，实现了除尘及除尘烟气热量的循环再利用和清洁生产，每年经 济收益2 0 0 0 万元l j 引。 在国外，对于高温烟气余热的研究非常广泛，在工程领域内的应用也比较成熟，其余 热一般用于预热助燃风或利用余热锅炉供给热水或发电。据相关资料可知，高温烟气余热 主要用来预热助燃空气，如利用热交换装置回收9 0 0 的加热炉烟气余热预热助燃风，可 节约能耗3 3 左右【3 9 , 柏1 。也有资料研究表明，回收烟气中的高温余热对制冷装置进行供热 的方式，相比其他的高温烟气余热利用方式的效率最好【4 1 1 。m 栅0 k a 等【4 2 4 3 。4 8 】研究了1 0 0 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 的烟气余热，实现了电炉的负能除尘。莱钢设计了以余热锅炉为核心的除尘系统，研究其 烟气余热资源再利用情况，实现了除尘及除尘烟气热量的循环再利用和清洁生产，每年经 济收益2 0 0 0 万元p 5 1 。 在国外，对于高温烟气余热的研究非常广泛，在工程领域内的应用也比较成熟，其余 热一般用于预热助燃风或利用余热锅炉供给热水或发电。据相关资料可知，高温烟气余热 主要用来预热助燃空气，如利用热交换装置回收9 0 0 的加热炉烟气余热预热助燃风，可 节约能耗3 3 左右【3 9 舯】。也有资料研究表明，回收烟气中的高温余热对制冷装置进行供热 的方式，相比其他的高温烟气余热利用方式的效率最好【4 1 1 。m a r u o k a 等【4 2 , 4 3 4 8 1 研究了1 0 0 0 ( 2 转炉炉气余热的回收和转炉烟气余热转化成化学能的可行性，先把转炉烟气余热以显热的 形式储存之后，再把储存的显热传递到吸热装置如甲烷蒸汽反映装置，最终转化成化学能 而应用于化学工业，经研究发现，在日本炼铁工序中，仅回收这些转炉烟气余热一项每年 就可减少2 5 亿吨的c 0 2 排放和产生5 6 亿n m 3 的氢气资源。 1 4 2 中低温烟气余热的回收利用 一般地，中低温烟气余热由于其废气的温度不高，人们往往并不重视其余热的利用， 这主要是由于中低温烟气余热能级较低，传热效率差，且分布较为分散，在实际生产中， 有很大一部分低温余热被直接排放掉了，造成很大的浪费。因此加强对中、低温烟气余热 的回收利用是提高余热回收率的关键。 在国内，因为中低温烟气所携带的不仅余热烟气量非常大，而且可供回收的余热的热 量也大，一般根据烟气温度的高低，选用中低温余热回收装置，产生蒸汽用于供热、发电， 供生产或生活用。以烧结废气的余热为例，烧结废气余热包括烧结机烟气余热和冷却机废 气余热，其中冷却机废气属于中低温余热资源，中温部分( 大于3 0 0 。c ) 的开发技术比较成熟， 用作点火器或保温炉的助燃风，生产蒸汽或余热发电。陆萍【4 9 1 研究了淮钢3 0 0 ( 2 - - - 4 2 0 ( 2 的 烧结烟气余热的回收利用情况，利用余热锅炉回收烟气余热产生过热饱和蒸汽带动汽轮机 发电，年收益3 1 7 5 万元。谢广平唧】等研究了天津钢铁集团高线带钢厂加热炉烟气( 4 0 0 4 5 0 ( 2 ) 余热回收利用，利用蒸汽发生器回收利用上述烟气余热，每年可节约燃料成本2 5 0 余万元。祝林峰【5 l j 研究了马钢烧结生产的2 0 0 4 0 0 的烟气余热利用，通过余热锅炉回 收这部分烟气余热，每年能取得6 0 0 0 万元的经济效益。 在我国，对于2 0 0 的低温部分由于其热效率低，应用的很少，一般情况下，回收低 温烟气余热主要采用同级利用和升级利用。在同级利用中，有空气余热、水加热和储罐加 热等利用形式，而升级利用中，主要有吸收制冷、热水扩容发电和有机工质发电等利用形 式。李增义掣5 2 】回收利用竖炉球l 蜀2 0 0 。c 低温烟气余热来烘干精矿粉，取得了不错的经济 和环境效益。杨洪海【5 3 j 等研究了朝阳焦化公司焦炉烟气余热利用情况，利用热管换热器回 收2 0 0 的焦炉烟气余热应用于职工洗浴，每年可节约4 7 余万元。2 0 0 7 年，武钢集团烧结 厂利用余热锅炉和抽汽补汽凝汽式汽轮发电机组回收利用烧结机2 0 0 左右的低温烟气来 发电，该项目目前是我国最大的低温余热发电机组，每年可满足武钢烧结生产使用电量的 15 , , , 2 0 t s 4 1 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 国外对于中低温烟气余热的回收利用的研究取得了比较显著的效果，尤其在低温烟气 余热回收方面取得的成果远比国内显著，例如2 0 0 。c 以下的低温烟气在工程领域里已经得 到比较广泛的应用。如有研究表明，2 0 0 c 以下的低温烟气余热回收之后主要利用其集中 供暖及制冷【5 5 1 。在日本，a k i y a m a 等 5 6 , 5 7 研究回收低温烟气余热用来制冷的情况，利用热 管换热器回收其烟气温度只有1 0 0 c 或以下烟气余热，且取得了不错的节能效益。b e n d e l a 等【5 8 】认为可以利用中低温烟气余热通过热交换装置获取热能用来制冷、采暖和发电。同时 研究了利用中温烟气余热进行集中供暖项目或发电的回收价值。研究发现，2 3 0 c - 4 8 0 c 的烟气，利用余热锅炉获取过热饱和蒸汽进行发电，经济效益明显，且在减少温室气体的 排放上，也取得了不错的效果；4 2 5 * ( 2 - - - 6 5 0 c 的加热炉烟气余热用来制冷可以节约一定的 能源资源。 1 4 3 球团矿显热的利用 对于高温固体显热或辐射热回收利用，由于对技术和设备要求很高，直接回收利用困 难很大，一般是设法将热量传给其他工质，从而再利用，即产生蒸汽或热水用于供热、发 电。然而对球团矿显热的利用研究很少，主要是因为尽管球团矿显热有5 0 0 c 的温度，但 其所蕴含的余热量却不是很大，因而阻碍了它的回收利用。张琦等【5 9 】认为，球团工序的余 热资源为球团矿显热，目前也基本上没有回收利用。烧结矿、球团和焦炭的显热，是只依 附所在工序的产品而不能依附于下一道工序原料的净热量，只有通过气一固热交换方式才 能回收。烧结矿、球团矿的显热回收都宜采用干熄焦方式，因为蓄热式热交换器的热效率 最高，传热损失也最小。 1 5 选题意义和研究内容 1 5 1 选题意义 针对我国当今各种能源利用率不高的现实，经济效益差和能源消费迅速增长和能源供 应不足的矛盾，解决的有效途径就是“开源节流 ，即开发常规能源以外的新能源和对以 常规能源为主题的工业企业实行节能降耗。开发新能源的工作虽然取得了较大进展，但还 远未达到能替代常规能源的程度。因而节能工作就得到高度重视，且节能被称为继煤炭、 天然气及石油、水电、核能之后的第五大能源【卿。此外，节能作为一种清洁能源，可以有 效缓解我国因以煤为主的能源供需结构造成的环境污染问题，目前节能工作的一个重点就 是充分合理有效的回收利用现有余热资源，尤其是钢铁工业的余热资源。 在我国，对钢铁工业生产中的余热资源回收利用上，常常仅限于高温余热的回收利用， 而对于数量庞大的种、低温余热资源因受技术水平、设备投资和经济效益等各种因素的制 约而无法大面积的进行回收利用。具体就球团工序而言，球团矿作为钢铁生成的前期准备， 在炼铁系统中占有很重要的位置，但是球团工序中的余热资源是中低温余热资源。对于整 个钢铁工业的节能工作而言，就是要充分利用其包括烧结、球团工序在内的以前直接排放 的各种中、低温余热资源。球团工序的余热资源主要有两部分组成：( 1 ) 球团竖炉排放的烟 气余热；( 2 ) 球团矿显热；前者属于低温余热，因其温度低利用较困难而在我国没有引起相 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 因此这也是我国钢铁工业进一步节能的方向，具体可见表1 7 【6 l 】。 表1 7 我国钢铁工业余热回收利用潜力 从表1 7 可知，我国钢铁工业的余热资源回收利用潜力很大，因而不仅要充分利用当前 的余热资源，在技术和经济水平允许下，更要充分利用那些以前没有利用而浪费掉的余热 资源，为我们大力提倡的“两型”社会做一些有益的探索。余热回收利用工作在世界范围内 开展了很多年，各工业企业针对各自的情况对余热的回收利用做出了很多努力，也取得了 一些成效【6 2 ，6 3 1 。其中就钢铁工业而言，表1 7 反映的是余热回收利用潜力很大，但是没有指 出那些余热资源是未来回收潜力。通过相关资料可知，目前被广泛研究和开发是高温余热 资源，而数量庞大的中、低温余热资源利用则显得开发不足。因而在总体上看，尤其是中、 低温余热资源浪费大和开发不足，直接导致了钢铁工业余热资源没有充分有效的利用。 为此，本课题大冶铁矿球团竖炉余热的利用研究正是基于当前我国的节能降耗工 作要求和钢铁工业中、低温余热资源开发、研究和回收利用不足的现实，结合大冶铁矿球 团竖炉生产运行情况和相关工艺和热工参数，利用冷却5 0 0 和3 5 0 高温球团矿而得到的 热风来干燥精矿粉。同时将竖炉排放的1 2 0 低温废气回收后，一部分利用热管换热器换 热后，为职工澡堂洗澡热水提供热量；另一部分用来烘烤湿精矿粉。藉此充分利用以前被 认为开发和回收利用困难的中、低温余热资源，实现经济、社会、环境效益的有机统一。 1 5 3 课题主要研究内容 本课题拟将大冶铁矿球团竖炉排放的球团矿显热和低温烟气余热作为研究对象，根据 大冶铁矿球团竖炉相关工艺和热工参数，初步确定其余热资源的回收利用方案。通过冷却 球团矿得到的热风来烘烤干燥精矿粉，分析选择收集热风的设备和经济效益，从而探讨球 团矿显热的回收利用价值。对竖炉球团排放的低温烟气余热的回收利用，通过初步设计计 算和经济效益分析论证后，最终确定利用两种途径对烟气余热进行回收利用：一是利用热 管换热器回收一部分低温烟气余热为职工洗浴提供热量，而另一部分低温烟气余热则用来 烘烤湿精矿粉。通过研究球团矿显热和低温烟气余热的回收利用价值，因而本课题主要从 以下两个个方面展开工作： ( 1 ) 球团矿显热的回收利用研究。其中包括热球团冷却气体的热量收集与储存及烘烤精 矿粉的节能效益分析； ( 2 ) 低温烟气余热的回收利用分析研究。其中包括低温烟气回收方案的确定，烟气余热 热量计算、热管换热器的设计等相关热力学计算，烟气余热的经济效益分析。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章球团矿显热的回收利用 2 i 概况 大冶铁矿球团厂竖炉球团在竖炉内的工艺顺序为：烘干_ 预热一焙烧一均热一冷却_ 排料。一期和二期年产共8 0 万t 氧化球团矿，年作业时间为3 1 5 天，其中一期3 0 万t ，成 品球排矿温度5 0 0 ，二期5 0t 万排矿温度3 5 0 ，具体的相关参数参看表3 1 。成品球从 竖炉排出后因其自然冷却而携带的热量直接排空没有加以回收利用，造成了很大的资源浪 费。 2 2 方案的设计 结合该厂生产实际状况，用常温下的空气去冷却热球团矿得到一定温度的热风然后再 去烘干精矿粉，通过热平衡计算评估其经济效益，具体余热利用方案如下： ( 1 ) 将带冷机改为竖冷机，以便有效地收集与球团矿换热后的热风。 ( 2 ) 在烘干筒前加蓄热器。因为蓄热器能既能在排矿时吸收一部分热量，又能在停止排 矿时加热温度较低的热风，使热风获得更多热量来烘干精矿粉，余热利用流程方案如图2 1 所示。 图2 1 热球团余热利用流程不惹图 2 3 余热系统热平衡计算 2 3 1 精矿粉脱水要求 通常，利用热废气烘烤精矿粉和用其他燃料相比有以下三个特点】： ( 1 ) 烘烤温度低，热损失少； ( 2 ) 废烟气尘既是加热介质又是干燥介质，不仅节省燃料，而且增加干燥的精矿粉量； ( 3 ) 携尘烟气量与球团产量成正比，其温度与冷却风量及炉顶吸入冷空气量成反比，因 此较用燃料干燥易实现自动调控。具体的精矿粉脱水要求见表2 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 表2 1 大冶铁矿弱磁铁精矿的质量标准 2 3 2 精矿粉脱水量计算 ( 1 ) 已知该球团厂球团矿生产量8 0 万t ，年作业时间为3 1 5 天；精矿单位消耗量1 i t t ； 干燥前精矿水分为w l = 1 1 ；干燥后精矿水分为w 2 = 8 。 ( 2 ) 成品球换算成干精矿粉 g=幽璺11丽13151 ( 2 1 ) 。 2 4 一8 、7 = 1 2 6 5 t h 式中：g 烘干窑的生产能力，按含有水分时的精矿量计算，t l l 。 ( 3 ) 精矿脱水量初步计算 w = i o o o g ( 蛩】 ( 2 2 ) = 4 1 2 5 8 k g h 式中：形一精矿脱水量，k g h ； 嗍干窑的生产能力，按含有水分时的精矿量计算，t l l ； w l 干燥前精矿水分； w 打燥后精矿水分。 2 3 3 热废气携带的热量 ( 1 ) 成品球团矿的显热 球团竖炉一期排出的成品球团矿温度为5 0 0 ，产量为3 0 万吨，二期5 0 万t 排矿温 度3 5 0 。根据经验，经过冷却后的球团矿温度大概比热废气高7 0 ( 2 ，若产出废气温度为 2 0 0 c ，则冷却后球团温度为2 7 0 c ，一期球团矿每小时产量m l = 3 0 0 0 0 0 ( 3 1 5 x 2 4 ) = 3 9 7 t ， 二期球团矿每小时产量m 2 = 5 0 0 0 0 0 ( 3 1 5 x 2 4 ) = 6 6 i t ，球团矿的比热容为0 8 5 4k j k g 。c ，则 每小时热球团矿的热量q ： o = c p m l a t l + c p m 2 a t 2( 2 3 ) = 8 9 2 x10 6 k j h 式中：q l 每小时热球团矿的热量，k j h ； c p _ 球团矿的比热容，o 8 5 4k j k g * 1 2 ； m l 一一期球团矿每小时产量，k g ； m 2 一二期球团矿每小时产量，k g ： a t l 一一期球团矿冷却前后的温差，5 0 0 - - 2 7 0 ； 址2 一二期球团矿冷却前后的温差，3 5 0 c - - 2 7 0 ； ( 2 ) 产生热风量 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 由于带冷机的漏风率一般为3 0 左右，通过重力除尘、蓄器还会损失一部分热量，所 以能够到达烘干筒的热量为球团矿显热的7 0 。 级= 8 9 2 x 1 0 7 0 ( 2 4 ) 。 = 6 2 5 x1 0 6k j h 式中：q 总_ 每小时到达烘干筒的热量，k j h ； 设定冷却用气体的进口温度为0 * c ，气体温度变化a t = 2 0 0 0 = 2 0 0 ，2 0 0 c 时空气的比 热容为1 4 k j ( k g ) ，则热废气的质量y ： y = 急a t = 盟2 0 0 x 焉 ( 2 5 ) 玖1 4 。7 = 1 9 1 0 4 k g h 式中：q 总一每小时到达烘干筒的热量，l d h ； 卜冷却用气体的进出口温度差，a t = 2 0 0 0 = 2 0 0 ( 2 ； e k - - 2 0 0 * c 时空气的比热容，1 4 k j ( k g ) 。 热废气的体积v ： y = 号= 警 ( 2 6 ) p 1 z y = 1 5 x 1 0 4 m 3 式中：p 一热废气的密度，1 2 9 k g n m 3 ； y - 一每小时热废气的质量，k g h 。 2 3 4 烘干精矿粉所需的热量 为了使热废气能够在热消耗最大的时候也能够满足使用，热平衡计算条件设定为烘烤 含有一定水分的湿精矿，以蒸发l k g 水为基础，以烘干窑为计算对象。 ( 1 ) 蒸发水分消耗的热量q l ： q l = 矿( c 2 6 0 + c 3 ) ( 2 7 ) = 1 0 5 x1 0 6 k j h 式中：q l 一蒸发水分消耗的热量，l d h w ，- 精矿脱水量，k g h ： c 广水的比热，4 2 k j ( k g ) ； c 广水的平均汽化热，2 4 k j kg ； 钾一出烘干窑水汽的温度6 0 ( 2 ，出窑气体温度为5 0 至7 0 c ，取平均6 0 ( 2 。 ( 2 ) 加热精矿粉消耗的热量q 2 ： 9 2 = c j g ( q 一岛)( 2 8 ) = 3 1x 1 0 6 k j h 式中：q 广加热精矿粉消耗的热量，k j h ； c r 一精矿粉比热，o 1 3 x 4 1 8 5 j ( k g ) ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 t 3 一进烘干窑精矿的冻块温度，o ； t 4 - 出烘干窑物料的温度，4 5 。 ( 3 ) 烘干后精矿中含水分吸热q 3 q 3 = ( c 2 ) g x 8 x 1 0 0 ( 2 9 ) = 1 9 x 1 0 8 1 【j l l 呀一水的比热，4 2 k j ( k g ) ； 删干窑的生产能力，按含有水分时的精矿量计算，t l l ； k 一出烘干窑物料的温度，4 5 。 ( 4 ) 烘干筒筒体的散热q 4 烘干窑的表面积 f = 2 1 t r l = 3 7 6 8m 2 式中：口一烘干窑筒体导热系数， 1 2 x 4 1 8 5 k j ( m 2 h ) ； 哪干窑简体表面积，m 2 q 4 = a f ( t ，一厶) = 9 5 x1 0 5 l 【j l l 式中：t r 一简体表面的平均温度，设t f = 5 0 c ； t 。- 环境温度，t a _ o 。 2 3 5 需要热废气的体积 根据设计的目的，要使引入的热风含热量至少要等于烘干筒消耗的热量，则 g l + 9 2 + 9 3 + 9 4 = c k y ( t 2 一t 1 ) 即：1 9 6 x 1 0 6 = 1 9 6 y ， 式中：q l 一蒸发水分消耗的热量，k j h ； q 2 一加热精矿粉消耗的热量，k j h ： q 3 一烘干后精矿中含水分吸热，k j h ： q 4 烘干筒筒体的散热，k j l a ； c k _ 空气的比热容，1 4 k j ( k g ) ； t l - 进烘干窑热废气的温度，2 0 0 ； 访一出烘干窑废气的温度，6 0 。 y l 每小时需要热废气的量，k g h 。 每小时需要热废气的量y ： y ，- 1 0 x 1 0 6 蚝m 每小时需要空气的体积大约： ：! ：! ：q 茎! q ! p 1 2 9 ：5 3 】0 5 m 3 h ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 a 设备的选择 2 4 1 竖冷机的选择 竖式冷却器的工作原理是借助高度差，利用重力对冷却物料层做功，使球团矿沿着规 定的工作区域从上向下移动，形成动料层，为风和球团之间的热交换创造良好的条件，热 交换效率高，冷却效果好。能使温度为5 0 0 6 0 0 的热球团冷却至1 0 0 ，再经过两台震 动给料机将球团给到胶带机上。冷却器分为两段，第一段的热废气温度较高，废气量也较 大，利用价值高。冷却器的系统组成和原理如图2 2 。竖式冷却机采用二次冷却锅炉通风 机y 4 7 3 n 0 1 2 鼓风机，内部结构由耐热铸件制作的百叶窗式进风箱，集风箱，集风箱上 帽和框架以及支撑水梁构成。通风方式采用两侧进风，中心集风后排出炉外的气固热交换， 设备中考虑采用高性能的耐热铸件，工作温度大于9 0 0 ，耐热极限温度1 0 0 集风箱有 一定的膨胀间隙，水冷结构梁设有温度，压力及流量检测仪表，便于检测运行状态，进风， 集风箱下部设有大于物料动安息角的坡口，自动卸除积灰。 图2 2 竖冷机的结构与原理图 2 4 2 蓄热器的选择 2 4 2 1 蓄热室原理介绍 蓄热室的工作原理是高温烟气和低温流体( 空气或煤气) 交替地互为相反方向流过蓄热 室。当高温烟气流过蓄热室的时候，蓄热体和烟气相互接触，并且因两者温度的差异而使 得烟气的显热被储存于蓄热体中。过一段时间之后两者流向交替，低温流体( 空气或煤气) 与蓄热体接触时被预热至高温，而蓄热体则被冷却下来，如此往复循环，高温烟气的物理 显热被传递给被预热介质，实现低温流体的高温预热【“6 5 1 。蓄热室的结构具体见图2 3 所示。 2 4 2 2 蓄热材料的选择 蓄热室壁由钢板、内衬绝热纤维毡和耐火浇注材料制成蓄热体填充蓄热室的内腔， 新型的蓄热体有球状、片状、蜂窝状等，材质有黏土、高铝、碳化硅等，从上面蓄热室工 作原理介绍可知，蓄热体反复被加热和冷却，它应当有较高的性能要求。文献 6 5 根据蓄 热室的工况，已从换热和材料物性、使用条件等方面较为详尽的论述了对蓄热体选材的基 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 本要求。其中主要的要求可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 耐高温，能够在不同的使用工况下，稳定工作； ( 2 ) 具有良好的抗热震性能； ( 3 ) 良好的导热性和蓄、放热速率； ( 4 ) 具有较大的密度和比热( 或蓄热密度) ： ( 5 ) 耐化学侵蚀，具有较好的抗渣性、抗氧化性； ( 6 ) 具有足够的机械强度，在高温下堆积不交形坍塌； ( 7 ) 寿命长、价格适中、成本低。 图2 3 蜂窝体状的蓄热室实物图 通过上述介绍和实际情况，直接应用普通的常规蓄热体即无相变的陶瓷材料蓄热体即 可满足本文所提到的气体蓄热要求。在普通高效蓄热室内填充的常规蓄热体一般分为两 类，一类是小球蓄热体，另一类是蜂窝蓄热体。这两种各有自己的特点。蓄热球的特点是 制造工艺简单，安装方便，可重复利用，不足之处是比表面积小，阻力损失较大，蓄、放 热速度较慢。相比之下，蜂窝蓄热体具有阻力损失小，比表面积大，蓄、放热速度快，有 效流通面积大等几大优点，在国内受到普遍关注，但是蜂窝蓄热体的容重小，蓄热量小， 换向时间较短，导致换向阀动作频率大大增加，此外，使用寿命不长也是制约蜂窝体全面 快速推广的主要原卧6 5 1 。具体结构如图2 4 中( a ) 和( b ) 。蓄热球填充层中空隙的总流通截面 积为，d 为内径蜂窝体的小孔各截面( a x a ) ，蜂窝体与同体积的蓄热小球比传热面积大阻力 损失小。由于热废气中含有灰尘，为了减少灰尘的积累同时便于清除沉积的灰尘，综合上 面蓄热体的要求而选用蜂窝格子型的蓄热室。 2 5 经济效益分析 根据生产资料可知：每小时发生炉煤气消耗量为1 8 0 0 m 3 ，且发生炉煤气热值4 8 0 0 k j m 3 ， 则经计算可知：以发生炉煤气为燃料的耗热量为8 6 4 x 1 0 6 k j 。因为改用热风烘干精矿粉， 则必然会减少煤气使用量，所以改用热风之后，消耗发生炉煤气的热量为2 3 9 1 0 6 1 0 ，折 合成煤气体积为5 0 0 m 3 。故减少的发生炉煤气用量1 3 0 0m 3 ，这样一年可节约燃料成本为5 2 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 万元。 通过上述余热利用系统该厂还可以回收热风所携带的大量球团矿粉，回收后不仅能变 废为宝、节能降耗，还能增加金属回收率，改善厂区环境。 ( 毫) 蓄热球 c b ) 蓄热体 图2 4 蓄热体的结构 2 6 本章小结 本章根据大冶铁矿球团竖炉的工艺流程和竖炉排放的球团矿显热直接排空的实际情 况，参考有关的球团竖炉的运行工艺参数、热工参数和工厂现场的具体情况，设计球团矿 显热回收利用的余热利用方案。同时根据有关参数，对球团矿显热进行了设计计算，并得 出如下结论： ( 1 ) 用来冷却5 0 0 和3 5 0 球团矿而获取的热风所含热量虽然小于烘干窑全部解冻精