烧结余热发电系统及关键技术_图文

1、 烧结冷却机余热发电系统及其关键技术李冬庆(北京佰能电气技术有限公司摘要:根据烧结冷却机的工艺特点,分析了冷却烟气余热的特性及其影响因素,提出了建立烧结冷却机烟气余热发电系统的原则以及对系统的评价问题。同时,还就烧结余热发电系统的几个关键技术,如烟气参数选择、热力系统参数选择、冷却机密封改造、系统的运行控制等提出了作者的观点和建议。关键词:烧结冷却机烟气余热发电系统经济的发展伴随着能源消耗的快速增长。大量化石燃料的使用对环境带来了一系列重大影响。节能、减排和降耗已经成为一个全球性的焦点问题。研究开发新技术,充分利用现在工业过程中的废气、废热,提高余热资源利用效率和品质已经成为一个重要课题。钢铁

2、、有色冶金、建材等高耗能行业消耗了大量的能源,同时因工艺的需要也产生了大量的中低温余热烟气资源,由于工艺过程及技术等原因,这部分余热没有得到充分利用,被白白地排放到了环境中1。冶金烧结工艺就属于其中最为典型的一例。在钢铁企业中,烧结工序的能耗仅次于炼铁,占总能耗的10%20%,其中约有30%的能量是通过烧结冷却机以热烟气的形式排入大气,没有得到合理利用23。结合当前低参数余热发电技术,本文在分析烧结冷却机烟气特性及其主要影响因素的基础上,提出建立烧结冷却机烟气余热发电系统,产生高效清洁的电能,实现对这部分资源的高效利用。2冷却机烟气特性及影响因素2.1烟气余热特性烧结机正常生产时,经过烧结的热

3、矿从烧结机的尾部落下,经单辊破碎机破碎后,通过热振筛进行筛分,再经溜槽落到冷却机台车上。烧结工艺需要高达1200的温度,在溜槽处的热烧结矿温度可达800左右,主要以辐射形式向外散热,自溜槽落到冷却机上的料温通常在600以上。一般烧结冷却机根据大小在其下方布置有数台(35台冷却风机,对烧结矿料层强制鼓风冷却。经与冷却一段、二段矿料换热后,在风罩内聚集的冷却风温度提高到30050025。烧结生产的工艺特点决定了冷却机的高温烟气具有波动性,含尘量也具有不确定性,且处于一个相对稳定的动态过程。由式(1可知,烧结矿在冷却机上放热,矿料温度逐渐降低,烧结矿的平均比热随之降低6。因此,烧结及其矿料冷却工艺决

4、定了冷却烟气具有波动性、不稳定性的特征。在冷却风的作用下,冷却矿料层中的微小颗粒随风带出,成为烟尘。由于烧结矿破碎及筛分过程的不确定性,烟气的含尘量受到冷却风速及烟尘粒径的影响,也具有不确定性。C p=0.115+0.257×103(T-373-0.0125×105(T-3732×4.1868 (1式中:C p烧结矿的平均比热,kJ/(kg·T烧结矿的绝对温度,K2.2影响烟气品质的主要因素烧结冷却机产生的烟气温度和余热总量是评价余热资源品质的重要指标,这与烧结矿的温度密切相关。冷却机烟气温度受到烧结料层厚度、烧结终点控制、冷却风温、冷却风速、冷却料层厚

5、度、边缘效应及冷却机密封状况等生产条件的影响。主要有以下几方面:(1烧结料层厚度:厚料层烧结能改善燃烧条件,强化氧化放热反应,增强自动蓄热能力。有资料表明6:在烧结料层厚度为180220mm时,料层蓄热量只占燃烧带入总热量的35%45%,当料层厚度为400mm时则蓄热量可达55%60%。因此,提高烧结料层厚度能增强料层的蓄热能力,减少烧结过程中的热损失,使破碎筛分后进入冷却机的矿料保持较高的温度,从而有效提高冷却烟气的温度和余热总量。当前,大型烧结机的料层厚度已达到 700mm7,对采用余热系统发电非常有利。(2烧结终点控制:烧结终点的控制对烧结矿温度会产生影响,进而影响破碎后落到冷却机上的矿

6、温,最终将对冷却烟气温度产生影响。日本有关研究表明,在保证烧结矿质量和成品率的前提下,同时满足余热回收的烧结终点位置控制在烧结机最后一个风箱的前半部最合适。烧结过程中的过烧或欠烧也会影响冷却机出口的烟气温度和余热资源量。当烧结矿严重过烧时,在烧结机尾部烧结矿的冷却过程就已经开始了,导致进入冷却机的矿料温度偏低。当发生欠烧时,烧结混合料中的碳未能得到充分燃烧,烧结饼所含的热量低于正常水平,也导致烟气温度偏低;若欠烧的烧结饼在未烧透的情况下进入冷却机后发生二次烧结,放出热量,则导致冷却烟气的温度偏高,可达5006002。(3冷却风温:提高冷却空气的初始温度能提高余热回收的效率和品质,也能控制并稳定

7、余热回收的总量。有研究表明:当冷却介质初始温度为50时,换热后终温比常温能提高15;当介质初始温度为120时,介质终温比常温时高458。因此,提高进入冷却机的气体温度,能有效提高气体通过料层后的烟气温度,同时也能有效降低烟气温度波动的幅度,提高余热资源的稳定性。(4冷却风速6:冷却风速与风量、冷却矿料层厚度、冷却料层空隙率等因素密切相关,对烧结矿的冷却时间也产生影响,冷却风速与烧结矿平均最大矿块热传导速度密切相关。如图1所示,无论烧结矿粒度大小,当风速达到一定值以后,增加风速都不能有效提高换热系数,改善冷却效果。当冷却风速在02m/s的区间时,提高风速(增大风量能有效加强烧结矿的冷却;当冷却风

8、速大于2m/s时,提高风速不但不能提高冷却效果,相反,由于风速提高使冷却风量增加,将导致冷却机出口烟气温度降低。 (5冷却料层厚度:冷却料层厚度是影响烧结矿冷却速度和冷却介质终温的主要因素之一。有资料表明9:冷却机料层厚度每提高0.1m,冷却烟气温度提高约10。而且料层越厚,冷却越趋于均匀,温度波动幅度越小。因此,在相同条件下增加冷却机的料层厚度,能提高冷却烟气的温度和余热资源总量。目前国内360m2以上的烧结机,其冷却机的料层厚 度基本上达到了13001500mm。(6边缘效应10:由于台车和风箱之间是相对运动的,再加上烧结矿在冷却机台车上布料不均匀,边缘效应在所难免,且直接影响冷却烟气的温

9、度和流量。减轻和抑制边缘效应,有助于提高烟气品质。(7密封条件:由于冷却机台车是按一定速度运动的,其台车下方风箱和上方集气罩与台车之间存在着一定的间隙,需采取相应的措施进行密封。若密封效果较差,任何漏风都会造成集气罩烟气品质和余热资源的下降。(8其他因素:除上述几个影响因素外,烧结矿温度和冷却烟气温度还受到诸如原料种类、配料结构、燃料消耗水平、冷却机台车速度等参数的影响,因此,它们也对冷却机烟气余热品质产生影响。3烧结冷却机余热发电系统3.1系统设计原则与目标余热发电系统作为主工艺流程的一个附属工艺过程,决定了它与常规发电系统有很大的区别。发电系统的建设和运行须以不影响主工艺的正常工作为首要原

10、则;在此前提下发电系统的首要目标是安全、可靠与稳定;其次才是如何最大限度地利用余热资源,提高余热利用的品质与效率。对余热发电系统而言,关键就是在主工艺生产条件下保证余热资源的连续与稳定,再遵循能源梯级利用原理,将烧结冷却机的烟气余热用于发电,建立双压余热发电系统,使余热资源得到充分利用。3.2烟风系统如图2所示,经破碎筛分的烧结矿料通过溜槽落到冷却机台车上,随台车转动,炽热的矿料依次通过冷却机I段和段;冷却风在风机的作用下分别进入冷却机I段和段的下部风箱,然后通过I段和段矿料层,高温的烟气分别在I段和段的集气罩内聚集。工段集气罩内的烟气通过烟道进入余热锅炉用于加热锅炉的中压过热器和部分中压蒸发

11、器,在烟气温度降到与段烟气温度一致时在余热锅炉内与来自段的烟气混合,然后再通过锅炉剩余的受热面;经过锅炉后的烟气温度降到140左右,在循环风机的作用下被再次分别送入冷却机工段和段下部的冷却风箱,用于冷却矿料。在I段烟气管道上设有重力除尘器,将烟气中携带的矿尘沉降下来,减少对锅炉受热面的冲刷和磨损。为了充分利用余热资源,余热锅炉分别产生两种不同压力和温度的蒸汽,即中压蒸汽和低压蒸汽。系统正常运行时,循环风机工作,原冷却机工段和段鼓风机停止运行。当余热锅炉系统故障时,可打开原冷却机工段和段鼓风机,关闭循环风机,此时余热烟气直接从冷却机工段和段烟囱直接排放,不影响主工艺的运行;同时,在工段和段风箱末

12、端均设有隔离风门,将此段风箱与其他部分隔离,形成独立的风箱,避免系统漏风。另外,上述烟风系统还能实现烟气闭式循环和开式运行两种模式的切换,具有更大的可操作性和适应性。 3.3发电系统如图3所示,余热锅炉产生的中压蒸汽作为主汽进入汽轮机,低压蒸汽作为补汽进入汽轮机补汽级,中压和低压蒸汽在汽轮机内膨胀作功,推动发电机发电。作完功的乏汽在凝汽器内冷凝成水,然后与系统补水一起通过凝结水泵送入锅炉,凝结水在锅炉内通过低压预热器加热后再进入低压汽包。低压汽包中的水一部分在中压给水泵的作用下送入中压预热器,经加热后进入中压汽包,然后再通过中压蒸发器和中压过热器产生中压蒸汽;另一部分水则通过低压蒸发器和低压过

13、热器产生低压蒸汽;在此过程中低压汽包还兼有除氧器的功能,实现锅炉系统自除氧。循环冷却水在循环水泵的作用下在凝汽器和冷却塔内循环流动,冷却汽轮机所排乏汽,保证排汽压力。 3.4系统评价指标在实际工程中,为了评价烧结冷却机余热资源的利用情况和烧结冷却机余热发电系统的效率,采用了相应的技术参数来对系统进行评价。具体如下:(1烧结冷却机余热资源可用率1:指冷却机系统中可用烟气余热总量Q1占系统全部烟气余热总量Q0的百分数,即1= Q1/Q0×100%(2(2烧结冷却机可用余热资源利用率2:指余热资源利用总量Q2占可用烟气余热总量Q1的百分数,它表示余热利用系统对可用余热资源利用的程度,即2=

14、 Q2/Q1×100%(3(3余热锅炉热效率3:指蒸汽吸热量Q3占余热资源利用总量Q2的百分数,它是表示余热锅炉性能的参数,即3= Q3/Q2×100% (4Q3=q·(h1-h2·t(5式中,h1为蒸汽焓(kJ/kg,h2为给水焓(kJ/kg,q为蒸汽流量(kg/h,t为时间(h。(4汽轮机的相对内效率i:为蒸汽在汽轮机中做功的有效焓降H i与理想等熵焓降H t 之比,它表示蒸汽在汽轮机中能量转换的完善程度,也即汽轮机组设计的完善程度,即i=H i/H t=(h1-h c/(h1-h t (6式中,h1为蒸汽焓(kJ/kg,h c为实际排汽焓(kJ/k

15、g,h t为理想等熵排汽焓(kJ/kg。(5机械效率m:考虑机械损失后汽轮机联轴器端的输出功率P e与汽轮机内功率P i之比,即m=P e/P i=1-P m/P i(7式中,P m机械损失(kW。(6发电机效率g:考虑电机损失后发电机输出的电功率P e1与汽轮机轴端功率P e之比,即g= P e1/P e=1-P g/P e(8式中,P g电机损失(kW。(7汽轮发电机组相对电效率e1:表示在1kg蒸汽所具有的理想比焓降中有多少能量最终被转换成电能,即e1=img(93.5工程案例某钢厂1台360m2烧结机设备参数如下:冷却机冷却面积396m2,烧结机利用系数1.3t /(m2·h,冷却机料层厚度13001500mm,冷却机入口矿料温度700800,冷却机入口下料量700t/h,转鼓指数73%。烧结冷却机余热发电系统参数为:冷却机I段烟气温度400,流量350000Nm3/h;冷却机段烟气温度300,流量350000Nm3/h。系统采用双压自除氧余热锅炉配一台补汽凝汽式汽轮发电机组。余热锅炉参数如下:中压蒸汽压力为1.96 MPa(G,温度365,流量46t/h;低压蒸汽压力为0.39MP