烧结余热发电系统分析

烧结余热发电系统分析1.1烧结余热发电系统余热发电系统是利用余热回收装置将烟气产生的动力蒸汽来驱动冷凝发电机组产生电能。该系统包括烟气系统和热力系统两部分。其工艺流程是环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出约160℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。同时将处理过的水经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，使其达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电[5]。余热发电系统流程图如图1.1所示：图1.1烧结余热发电系统流程图1.1.1余热发电烟气系统流程在余热发电机组正常运行时，原有烧结环冷冷却风机停运，启动循环风机，烟气由开式排放变成闭式循环，可进一步提高余热锅炉进口烟气温度并稳定烟气工况参数，锅炉出口烟气温度150℃左右，通过循环风机再次鼓入环冷机入口风箱，代替常温空气冷却烧结矿，烟气再循环系统是本系统中采用的核心技术，烟气再循环技术可以提高余热锅炉进口烟气温度，增加余热回收量，还使烧结矿的急冷破碎较少，提高烧结矿的品质，利于后续的炼铁工艺[2]。烧结余热发电烟气系统流程如图1.2所示：图1.2烧结余热发电烟气系统流程1.1.2余热发电热力系统流程余热发电热力系统是生产用水进入软化水车间进行软化，除氧器将水中的氧脱掉，之后经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，时期达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电，最后水流入冷凝器，在打入除氧器循环使用，热力系统流程图如图1.3所示：图1.3烧结余热发电热力系统流程图图1.4烧结余热发电烟气系统工艺流程1.2烧结余热发电烟气系统烧结余热发电烟气系统流程如图1.4所示，环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出的约150℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。循环风机设置冷风吸入口，当余热锅炉正常工作时，余热锅炉排出收集的烟气经循环风机增压后，鼓入环冷机下部冷却烧结矿。当余热锅炉停机检修时，打开冷风吸入口的阀门，循环风机鼓入常温空气冷却烧结矿[6]。烟气再循环显著提升了环冷机一区、二区中低温烟气的品质，提高了余热锅炉的能量回收效率，增加了发电量，减少了含尘烟气直接排空，提高了烧结矿料品质[7]。1.3烧结余热发电热力系统分析方法常规发电系统常采用抽汽回热系统，在余热发电系统中，汽轮机抽汽回热虽然可以提高给水温度、汽轮机效率，但会提高余热锅炉排烟温度，降低余热锅炉效率，相互作用的结果将降低发电系统的热效率，因此余热发电系统一般不设置回热系统，下面对余热发电系统进行热力学分析。1.3.1建立数学方程（1）从热力学角度来考虑，余热锅炉中的每一个模块就是一个烟气放热和汽水吸热的能量平衡方程[8]，即：Q烟气放热=Q汽水放热（2-1）结合余热锅炉的T-Q图，将这一能量平衡方程具体应用到每一个模块，图1.5是典型的余热锅炉T-Q图，是研究余热锅炉热力特性的基础。对蒸发器和过热器区段：G(i1－i3)=D(h1－h3w)（2-2）通过此公式也可计算出锅炉的蒸汽量：D=G(i1－i3)/(h1－h3w)（2-3）对于省煤器区段：G(i3－i4)=D(h3w－h4)（2-4）图1.5余热锅炉中的T-Q图因此可推出对于整个锅炉：G(i1－i4)=D(h1–h4)（2-5）式中，G—烟气流量，kg/s；D—蒸汽流量，kg/s；i1i2i3i4—余热锅炉各区段的出口烟气焓，kJ/kg；h1—过热蒸汽出口蒸汽焓，kJ/kg；h3—省煤器出口水焓，kJ/kg；h4—省煤气进口水焓，kJ/kg。（2）余热锅炉的热效率ηh为余热锅炉利用的能量与输入余热锅炉的能量之比[8]，即：ηh=D(h1–h4)/G(i1–ie)=G(i1－i4)/G(i1–ie)（2-6）如果认为在余热锅炉的整个温度范围内，烟气的比热近似相等，同时忽略余热锅炉保温热损失的影响，则上式可表示为：ηh=(θ1－θ4)/(θ1–te)（2-7）式中，θ1—烧结预热的烟气温度，℃；θ4—余热锅炉的出口温度，℃；te—环境温度，℃。1.3.2窄点温差和接近点温差图1.5表明了余热锅炉各个受热面的换热量和每一点上汽水和烟气的温度。在不带补燃循环中，烟气温度与蒸汽或水的温度最接近的点，是烟气从蒸发器离开的地方。图中δp是窄点温差，即烟气的温度与进入蒸发器的饱和水的温度的差值，通常是整个余热锅炉中烟气侧与工质侧温度差的最小点。窄点温差的合理选择是设计余热锅炉的重要因素之一[9]。如果窄点温差过小，虽然余热锅炉的蒸汽参数会提高，吸热量增加，但是它会造成平均传热温差减小，从而导致受热面积增加，相应的增加成本。图中的δt是接近点温差，即省煤器出口的水温与相应压力下的饱和水温之间的差值。为了避免余热锅炉的省煤器内发生给水汽化现象，在设计余热锅炉是总是要求省煤器的出口水温略低于其相应压力下的饱和水温。1.3.3余热锅炉的排烟温度根据方程(2-3)和(2-4)可以得出余热锅炉的排烟温度，并且有着两个方程可以看出：当主蒸汽参数提高时，余热锅炉的排烟温度也随之升高，其主要原因在于，当主蒸汽参数升高时，余热锅炉的蒸发量减少，锅炉的给水量就随之降低，直接导致省煤器内的吸热量减少，所以余热锅炉的排烟温度就会很高。因此，余热发电系统通常采用双压和闪蒸系统来降低余热锅炉的排烟温度；对于带补燃装置的余热锅炉，其排烟温度也较不带补燃装置的余热锅炉的排烟温度低，这点将在以后章节详细论述。1.3.4汽轮机的热力学计算汽轮机的进气参数由烧结烟气的温度值来确定，一般来讲，进入汽轮机进口的蒸汽初温应是烧结烟气温度减去余热锅炉中的传热温差（一般为25~50℃）。汽轮机的进气压力比余热锅炉主蒸汽压力低5%~10%，从而可以确定余热锅炉的主蒸汽压力[10]。（1）汽轮机的相对热效率汽轮机组的相对热效率是汽轮机的有效焓降与等熵焓降(绝热焓降)之比。ηi=(h0–hc)/(h0–hnl)(2-8)式中，h0—汽轮机进气出焓，kJ/kg；hc—汽轮机实际排气焓，kJ/kg；hnl—汽轮机理想过程(等熵过程)的终焓，kJ/kg；（2）汽轮机的内功率Pi[11]Pi=D0(h0–hnl)ηi/3.6(2-9)式中，D0—汽轮机的进气量，t/h；ηi—汽轮机的相对内效率；（3）汽轮机的轴端功率PePe=Piηm(2-10)式中，ηm—汽轮机的机械效率；（4）发电机功率[12]Pel=Peηg(2-11)式中，ηg—发电机效率；（5）汽轮发电机组的绝对电效率ηa,el=(h0–hnl)ηel/(h0–hc´)(2-12)式中，hc´—汽轮机排气压力下的饱和水焓，kJ/kg；（6）汽耗率和热耗率汽耗率是指每生产1kW·h所消耗的蒸汽量，用d来表示：d=1000D0/Pel(2-13)热耗率是指1kW·h电能所消耗的热量，以q来表示：q=d(h0–hc´)=3600(h0－hc)/(h0–hnl)(2-14)1.4烧结余热发电四种热力系统热力学分析目前烧结余热发电工艺有如下四种系统：烧结余热发电双压系统、烧结余热发电单压系统、烧结余热发电闪蒸系统以及烧结余热发电带补燃系统[5]。下面对烧结余热发电这四种系统进行热力学分析。1.4.1烧结余热发电双压系统双压系统是采用双压余热锅炉和单级补汽的汽轮机发电系统，如图1.6所示。该系统按照能量梯级利用的原理，余热锅炉设置两个汽包，在受热面布置上顺着烟气流动同方向依次布置了过热器、高压蒸发器、二级（高压）省煤器、低压蒸发器、一级（低压）省煤器，给水泵将除氧水分别升压到高、低压省煤器，进入两个压力不同的汽水循环在余热锅炉中生产两种不同压力的蒸汽：主蒸汽和低压蒸汽。低压蒸汽作为补汽进入汽轮机中部与主蒸汽一起推动汽轮机做功发电。由于采用这种双压结构，锅炉排烟温度能降到110℃左右。下面以安阳钢铁集团有限公司360m2烧结机双压系统为例介绍热力系统分析[12]。该系统主蒸汽温度为335℃，主蒸汽压力为1.62MPa，余热锅炉进口废气温度360℃。图1.6烧结余热发电双压系统（1）选定高压段汽包压力并查取相应的饱和温度高压段汽包压力可按余热锅炉主蒸汽压力105%选取为1.751MPa(汽包压力在不大的范围变化时对蒸汽循环部分的热经济性影响相当小)[8]；（2）选取窄点温差及确定蒸发段出口排气温度取窄点温差12℃，余热锅炉蒸发段出口排气温度为241.09℃，其后便可确定余热锅炉蒸发段出口气温，根据公式(2-2)可以计算出锅炉进气温度到高压段蒸发段出口排气温度时的放热量Qy1：Qy1=G(i1－i3)=Gρycy(θ1－θ3)=(20+20)×104×1.168×1.2×(360－241.09)=772439636kJ式中，G—360m2环冷机的烟气量，Nm3/h；i1—360m2环冷机烟气进入余热锅炉的焓值，kJ/kg；i3—余热锅炉蒸发段出口焓值；cy—烟气温度为360℃的平均比热容，1.4kJ/kg·℃；ρy—烟气的平均密度，1.168kg/m3；θ1—360m2环冷机的平均烟气温度，360℃；θ3—余热锅炉的蒸发段排气温度，241.09℃。（3）选取接近点温差及二级省煤器出口给水温度取接近点温差10℃，按省煤器的出口水温略低于其相应压力下的饱和水温，取省煤器出口给水温度为219.09℃。（4）余热锅炉高压段的蒸汽量双压余热锅炉的高压段蒸汽量D1，可根据公式(2-3)计算：D1=Qy/(h1－h3w)=772439636/(3090.92–1016.83)=36t/h式中，h1—过热蒸汽的出口焓值，3090.92kJ/kg；h3w—省煤器的出口焓值，1016.83kJ/kg。（5）余热锅炉低压段的蒸汽量对于余热锅炉低压段，取低压段压力为0.49MPa，温度为235℃，其汽包压力可按余热锅炉低压段蒸汽压力的105%选取，经计算可得0.5145MPa，可确定余热锅炉低压蒸发段的排气温度为164.92℃，计算方法同双压余热锅炉高压段的放热量的计算。根据公式(2-3)便可计算出由余热锅炉低压段的放热量Qy2：Qy2=Gcy´ρy(θ1´－θ3´)=(20+20)×104×1.168×1.4×(241.09－164.92)=49480032kJ/h式中，cy´—烟气的平均比热容，1.4kJ/kg·℃；ρy´—烟气的平均密度，1.168kg/m3；θ1´—余热锅炉低压蒸发段的排气温度，241.09℃；θ3´—余热锅炉低压蒸发段的排气温度，164.92℃。经计算可得一级省煤器出口给水(进汽包的给水)水温度为141.92℃，计算方法同高压段。根据公式(2-3)可计算出双压系统的低压段的产气量D2：D2=Qy2/(h1´–h3w´)=49480032/(2930–601.74)=21.25t/h（6）双压系统的总蒸汽量的计算D=D1+D2=36+21.25=57.25t/h（7）余热锅炉效率双压烧结余热工艺的余热锅炉的排气温度比较低，本研究取为95℃，因此根据公式(2-6)便可计算出双压余热锅炉的效率为：ηh=(θ1–θ4)/(θ1–te)=(360–95)/（360–15)=77%式中，θ1—烧结余热的烟气温度，℃；θ4—余热锅炉的出口温度，℃；te—环境温度，15℃。（8）汽轮机的内功率Pi为Pi=D0(h0–hnl)ηi/3.6=53×(3305.04–2104.1)×83%/3.6=11996kW式中，D0—汽轮机的进气量，t/h；ηi—汽轮机的相对内效率，取0.83；h0—汽轮机的进气焓值，3305.04kJ/kg；hnl—汽轮机的理想过程（等熵过程）的终焓，2104.1kJ/kg。（9）汽轮机的轴端功率Pe为：Pe=Piηm=11816kW式中，ηm—汽轮机的机械效率，取0.985。（10）汽轮机的发电机效率ηel为：ηel=ηiηmηg=79%式中，ηm—汽轮机的机械效率，取值0.985；ηg—发电机效率，取值0.96。（11）发电机功率Pel：Pel=Peηg=11816×0.966=11414.3kW式中，ηg—发电机效率，取值0.966。（12）热耗率和汽耗率：汽耗率是指每生产1kw·h所消耗的蒸汽量，用d来表示：d=1000D0/Pel=6.65kg/kW·h热耗率是指1kW·h电能所消耗的热量，以q来表示：ηa,el=(h0–hnl)ηel/(h0–hc´)=981.54×0.83/(3085.65–158.83)=0.26q=d(h0–hc´)=3600(h0–hc´)/(h0–hc´)ηa,el=3600/0.26=13595.5kJ/kW·h1.4.2烧结余热发电单压系统单压系统是采用单压余热锅炉和单级进汽汽轮机的发电系统，如图1.7所示。该系统组成简单，除氧水经给水泵依次进入余热锅炉内的省煤器、蒸发器、过热器最后进入汽轮机做功发电。一般单压系统余热锅炉排烟温度在170℃，排气用于烘干物料[13]。烧结余热发电单压系统热力学分析计算同1.4.1烧结余热发电双压系统。图1.7烧结余热发电单压系统图1.8烧结余热发电闪蒸系统1.4.3烧结余热发电闪蒸系统闪蒸系统是采用闪蒸补汽式汽轮机的发电系统，如图1.8所示。闪蒸原理是将较高压力及温度的热水等热源，经减压扩容，释放出所需的较低压力饱和蒸汽。给水经给水泵进入余热锅炉后，一部分热水经废气换热后生成过热蒸汽，接入汽轮机的主进汽口；另一部分高温高压欠饱和热水进入闪蒸器，生产出一定量的低压饱和蒸汽，进入汽轮机的低压补汽口，主蒸汽与低压蒸汽在汽轮机内做功发电。闪蒸器分离产生的大量饱和水进入除氧器，与汽轮机排出的冷凝水一起经除氧后由给水泵供给锅炉，形成一个完整的热力循环。锅炉排烟温度可降低到90℃以下[14]。烧结余热发电单压系统热力学分析计算除系统产汽量外均同1.4.1烧结余热发电双压系统，其中闪蒸系统产汽量计算方法如下：（1）余热锅炉的产汽量闪蒸工艺的余热锅炉的蒸汽量D1，可根据公式(2-3)计算（忽略了余热锅炉这一区段的散热损失）；D1=Qy/(h1－h3w)=78932896/(3090.92－930.9)=36.5t/h式中，h1—过热蒸汽的出口焓值，3090.92kJ/kg；h3w—省煤气的出口焓值，930.9kJ/kg；（2）通过闪蒸器所产生的蒸汽量对于通过闪蒸其所产生的蒸汽量，设每小时有Dkg、温度为tR1的高压热水进入扩容器由于压力降低至p，热水温度降至p所对应的饱和温度tR2，并且放出热量，使一部分热水(dkg)吸热量而汽化成对应温度tR2的饱和蒸汽。如果不计设备的散热损失，则根据下列的热平衡关系可以求出产生的蒸汽量：DcptR1=dh+(D－d)cptR2因此：d=Dcp(tR1－tR2)/(h－cptR2)式中，D—每小时进入闪蒸器的热水量，kg/h；tR1—进入闪蒸器的热水的温度℃；tR2—经过闪蒸器的热水的温度℃；d—闪蒸蒸汽量kg/h；h—闪蒸蒸汽的焓，即温度tR2下的饱和蒸汽的焓值，kJ/kg；cp—水的低压比热容，cp=4.1868kJ/kg·℃；取闪蒸压力为0.35MPa，tR2为160℃，tR1为217.19℃，闪蒸蒸汽的比焓为2778.1kJ/kg，本工程中每小时有30000kg的给水流向闪蒸器，则：d=30000×4.1868(217.19－160)/(2778.1－4.1868×160)=3.4t/h（3）闪蒸系统的总的蒸汽量D=D+d=36.5+3.4=39.9t/h图1.9带补燃系统的烧结余热发电系统1.4.4带补燃系统的烧结余热发电系统在副产煤气富余的企业如钢厂，副产煤气资源丰富，出现了带补燃的余热利用系统，如图1.9所示。在常规单压、双压或复合闪蒸系统的基础上，通过在余热锅炉高温过热段补充燃烧部分富余煤气，将锅炉入口烟气温度（300~400℃）提高到中高温热风（500~600℃），使余热利用的热力系统蒸汽参数达到中温中压参数，进一步提高热力系统的余热利用效率和热电转换效率，同时对烟气、废气温度的波动起到一定的平衡调节作用，对整个厂网而言还能避免浪费，减少管网蒸汽、煤气放散量，获得很好的经济效益和环境效益。但该系统复杂，利用范围存在局限性[10]。带补燃系统的烧结余热发电系统热力学分析计算除系统产汽量外同1.4.1烧结余热发电双压系统，带补燃系统产汽量计算如下：带补燃系统的余热锅炉的产汽量，仍然可根据公式(2-3)计算，只不过余热量是烧结烟气的余热量和通过补燃装置产生的发热量之和：D1=Qy/(h1－h3w)=112016436/(3090.92－1016.83)=36.5t/h式中，h1—过热蒸汽的出口焓值，3090.92kJ/kg；h3w—省煤气的出口焓值，1016.83kJ/kg；1.4.5余热发电四种系统热力学分析对比1.4.1—1.4.4以双压系统为例对余热发电四种系统进行了分析计算，下面将计算结果统计如表1.1所示。其中，四种系统主蒸汽温度均为335℃，主蒸汽压力为1.62MPa，汽包压力1.751MPa，余热锅炉进口废气温度360℃。由下表可以看出双压烧结余热工艺的热力特性最佳，通过双压工艺的余热锅炉所产生的蒸汽量比闪蒸工艺的多了约50%，相应的余热锅炉的排烟温度较低，所以排出的污染物较少；单压系统由于废气余热得不到充分利用，影响了发电能力，在这几种系统中单压系统发电能力最低；补燃系统所产生的蒸汽量约是单压系统的余热锅炉的所产生的蒸汽量的2倍；闪蒸系统发电能力较单压系统得到提高，但闪蒸器的出水未能转换为电能，与双压系统相比，系统的发电能力又有所降低，而且闪蒸器产生的是饱和蒸汽，在进入汽轮机做功后，易使汽轮机排汽干度不能满足汽轮机的要求。表1.1余热发电四种系统分析计算结果计算量双压单压闪蒸补燃余热锅炉窄点温差（℃）12129.412蒸发段出口排气温度（℃）241.09241.09238.49241.09余热锅炉排气温度（℃）11595150120接近点温差（℃）10104.910省煤器出口给水温度（℃）219.09219.09217.19219.09余热锅炉蒸汽量（t/h）高压段低压段锅炉锅炉闪蒸锅炉3621.251836.53.434.12蒸汽量总量（t/h）57.251839.934.12锅炉效率77%61%71%70%汽轮机进气量（t/h）5316.6736.9431.6额定功率（MW）121.563汽轮机轴端功率（kW）118161421.65703.594877.4热耗率（kJ/kWh）13595.530718.61800018000汽耗率（kg/kWh）6.6511.346.756.75发电效率26%12%20%20%发电机发电机功率（kW）11414.31350.55475.454681.3发电机效率79%74%78%78%1.5烧结余热发电四种热力系统经济性分析1.5.1烧结余热发电的经济效益的计算（1）烧结余热发电经济效益计算有以下两个假设原则[15]：原则1：10000m2的300~400℃的低温烟气经过余热锅炉，可以产生1t的过热蒸汽，发电200kW·h。原则2：1kW·h电相等于0.39kg标煤。（2）烧结余热发电量的计算烧结余热发电量的计算是基于上述两个基本原则：已知某烧结余热发电系统通过余热锅炉所产生的蒸汽量为Dt/h，每天生产的烧结矿为Kt，根据每吨蒸汽发200kW·h的电，而烧结矿的品位为λ，则可计算出每生产1t钢的发电量为：e=D×24×200/(Kλ)(2-15)（3）烧结余热发电工程总投资M=Pe×B(2-16)式中，Pe—实际的输出功率；B—每kW的投资额。1.5.2四种烧结余热发电系统的经济效益分析以安钢的360m2烧结机为例，按每天生产烧结矿20000t，利用环冷机冷却机产生的300~400℃的废气，设备年运行小时数为7000h，下面对四种烧结余热发电系统进行经济性分析：（1）双压系统经过双压系统产过热蒸汽57.25t/h，每吨蒸汽发电200kw·h，烧结矿的品位为57%，根据公式(2-15)可计算出每生产lt钢的发电量为24.11kW·h；因此年发电量为7290.86×104kW·h，按电价为0.47元/kW·h计算则采用闪蒸系统所创造的经济效益为3426.71万元。取余热发电每kW投资5500元，则根据公式(2-16)可估算全部工程总投资费用为6600万元。按照原则2：1kW.h电等于0.39kg标煤，则利用闪蒸系统可节省标煤2843.54吨。（2）单压系统经过单压系统产过热蒸汽18t/h，根据公式可计算出每生产lt钢的发电量为7.58kW·h；由此可计算出年发电量为2291.19×104kW·h，