烧结余热回收现有研究基础和未来发展路径的全面探讨

1、1烧结余热回收现有研究基础和未来发展路径的全面探讨显热 GJ能级所占 比例%温度GJ所占 比例%烧结烟气0.420.1329%0.0510%烧结矿1.020.5171%0.5290% 烧结余热高效回收利用是目前我国钢铁企业余热利用的主要方向之一。每生产1吨烧结矿 烧结余热占钢铁企业余热总量13.4%；以我国亿t烧结矿产量计，烧结余热亿GJ，相当于个三峡。 技术一： 烧结余热分级回收与梯级利用（2005-2012） 1、基于原有环冷机模式：依据吴仲华院士16字科学用能方针，提出了；借助863计划和发改委重大专项，开展：技术攻关部分实施东北大学热能工程系董辉、蔡九菊团队励精图治，潜心于烧结余热回收

2、研究10余年！ 技术二： 环冷机操作参数优化（2013现今）维持现有环冷机结构型式前提下，开展技术攻关，改善其操作参数，即：冷却风量、料层高度及环冷机运行速寻求技术合作。2009年获国内首个发明专利技术三：烧结矿余热竖罐式回收（2007现今） 2: 打破原有环冷机模式借鉴CDQ，结合炼铁高炉，提出了；借助国家自然科学基金及辽宁省科技计划项目，开展：理论研究技术攻关，提出了一整套中试系统（50万t/a）以及与360m2烧结机配套的结构和操作参数寻求合作伙伴。 技术四：烧结烟气显热回收与脱硫一体化（20082010） 3: 基于烧结烟气脱硫与余热回收相互孤立甚至矛盾：借助辽宁省科技计划项目，提出了

3、，开展：理论研究技术攻关（目前搁浅，寻求技术合作）。2010年获国内首个发明专利获得发明专利主要内容1 基于环冷机模式余热回收1.1 分级回收与梯级利用技术1.2 环冷机操作参数优化2 竖罐式余热回收2.1 系统的构思及研究思路2.2 关键科学问题的凝练及研究进展2.3 关键技术问题的凝练及研究进展3 总结及展望1 基于环冷机模式余热回收1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）1.1.1 技术的提出三段四段五段一段二段水De-dust余热锅炉（1）余热部分回收：仅回收了温度较高冷却废气显热，弃置了烧结烟气和温度居中的冷却废气所携带的显热；（2）回收余热利用形式单一：余热仅用于回收蒸汽（发电

4、），忽视了热风烧结或预热混合料的可能(用于自身)；（3）引进余热锅炉以后的成套设备，只关注余热锅炉以后的环节，造成烧结矿取热困难。1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）1.1.1 技术的提出 针对于目前我国烧结余热利用存在的不足，结合烧结余热数量较大、品质差异较大，遵循吴仲华先生的“温度对口、按质用能”的能源利用原则，集成国内外先进单体技术，提出了“分级回收与梯级利用”技术 ： 按余热品质分级回收；将余热优先用于工序本身即直接热回收，然后梯级利用各种品质余热： 温度较高动力回收（发电）； 居中动力回收、直接热回收，改善工艺 较低直接热回收，改善工艺。 至脱硫三段四段五段一段二段De-du

5、s水De-dust余热锅炉外排直排阀体空气孔板流量计De-dust除尘器至非脱硫主抽风机空气除尘器外接汽源某328m2烧结机余热利用原则工艺流程图11.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）1.1.2 工艺路线 1）保证余热锅炉热源稳定：2台烧结机-2套余热锅炉-1套汽机系统，即两炉一机模式；或引入外界热源； 2）强化烧结矿取热：设置适宜的冷却风量、环冷机内烧结矿料层高度、环冷机运行速度； 3）提高余热锅炉参数：强化烧结矿取热，提高锅炉进口热风温；目前锅炉蒸汽参数尚具有一定挖掘潜力。 4）强化环冷机密封： 效果：部分实施（设想很丰满，实施很骨干） 吨矿发电能力18kWh；吨矿直接热回收24k

6、gce 1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）1.1.3 关键技术与实施效果 核心任务：对目前的环冷机模式余热回收进行技术改造环冷机冷却风量料层高度余热锅炉热载体品质热载体数量蒸汽品质蒸汽产量吨矿发电关键共性技术：维持现有环冷机结构形式、结构参数下 设置适宜冷却风量/ 料层高度/环冷机运行速度环冷机更多是基于矿的冷却，不是基于余热回收；环冷二段末端矿温较高；现有的操作参数需要重新审视。 设置适宜余热锅炉的运行参数（蒸汽的压力和温度）余热锅炉在低参数下运行，再加上进口热载体品质的提高；锅炉参数的提高具有一定潜力。汽轮机发电机1.2 环冷机操作参数优化（技术二）典型研究结果：1.2 环冷机操

7、作参数优化（技术二）潜力：吨矿发电量有望提高20%。 冷却风量热载体值环冷机冷却风量料层高度热载体品质热载体数量主要内容1 基于环冷机模式余热回收1.1 分级回收与梯级利用技术1.2 环冷机操作参数优化2 竖罐式余热回收2.1 系统的构思及研究思路2.2 关键科学问题的凝练及研究进展2.3 关键技术问题的凝练及研究进展3 总结及展望（1）冷却漏风率较高 上部漏风率15%20%，因此而损失的发电量占现有发电量的 ；下部漏风率20%30%，鼓风机因此消耗的无效功率占现有功率的28.6%。 折合每生产1吨烧结矿损失；将使得烧结工序能耗增加3%4%。集风罩风箱基于环冷机模式的余热回收存在着先天不足：罐

8、式余热回收系统的构思及研究思路（2） 显热仅部分被回收，且回收得到余热品位较低回收温度较高的一、二段冷却废气，此时，环冷二段尾部烧结矿温度约300320，回收率50% 55%。三段四段五段一段二段水De-dust余热锅炉 两部分损失，以我国亿吨年产来计，个三峡。罐式余热回收系统的构思及研究思路 传统模式余热回收方式需要一次变革性举措！2007年，提出竖罐式回收工艺2009年，辽宁省自然科学基金2012年，国家自然科学基金2015年，辽宁省科技计划项目2010年，国家（首个）发明专利授权 不识庐山真面目，只缘身在此山中！罐式余热回收系统的构思及研究思路在困难中坚持前行！环冷机模式余热回收的先天不

9、足的成因： 借鉴CDQ 系统提出烧结矿余热罐式回收利用技术技术变革原则：环冷机在上下固定的风箱中“穿行”，使得漏风不可避免；环冷机“卧式”结构，使得冷却风与烧结矿交叉错流流动传热，烧结矿显热部分回收。变“穿行”为“静止”，从根源上避免漏风；变“卧式”为“立式”，变“交叉错流”为“逆流”，从根源上提高烧结矿显热回收率，并提高热载体的品质。罐式余热回收系统的构思及研究思路烧结余热竖罐式回收与利用的工艺流程图罐式余热回收系统的构思及研究思路罐式回收系统的工程示范及推广罐式回收系统的中试罐式回收系统的小试罐式回收系统的实验室实验 解析研究 数值计算工程化技术攻关工程化转换问题技术可行性关键技术问题理论

10、可行性关键科学问题目前研究节点：开展了6万t/a小试（竖罐部分），藉此（1）提出50万t/a罐式回收中试系统的结构和操作参数；（2）提出360m2烧结机罐式回收系统的结构和操作参数。罐式余热回收系统的构思及研究思路主要内容1 基于环冷机模式余热回收1.1 分级回收与梯级利用技术1.2 环冷机操作参数优化2 竖罐式余热回收2.1 系统的构思及研究思路2.2 关键科学问题的凝练及研究进展2.3 关键技术问题的凝练及研究进展3 总结及展望罐式回收是否可行，主要考虑（从热工角度）：（1）料层阻力是否太大？气流分布是否均匀？料层阻力气固接触越不充分气固热交换不充分 鼓风机能耗 系统经济性下降气流分布不均

11、气固接触不均气固热交换不均（2）罐体料层内气固传热是否充分？气固传热，决定了热载体所携带余热的值以及烧结矿冷却效果，进而决定了吨矿发电量2.2 关键科学问题的凝练及研究进展两大关键科学问题： 竖式颗粒床层气固逆流式流动、传热问题。烧结矿几何因子及颗粒分布特性*（实验研究）烧结矿层空隙率分布等填充特性（实验研究）罐体内烧结矿层 阻力特性*（实验研究）罐体内烧结矿层 气流分布特性*（数值模拟研究）2.2.1 烧结矿层阻力特性及气流分布问题的研究（1）（2）气固流动问题：阻力特性与气流分布（1）烧结矿层阻力特性的实验研究意义：床层阻力特性是决定罐式回收系统是否可行的主要因素之一，同时还影响着气固传热

12、过程；为如何减小阻力提供理论支撑；为后续的数值技术提供基础数据。内容：研究阻力特性经验关联式，藉此分析影响阻力特性的主要因素及其影响规律。方法：基于固定床模式移动床模式（排料）*；基于冷态模式热态模式；基于Ergun公式模式打破Ergun公式模式*。实验研究（冷却段高，实验室实验小试，克服料层高与边缘效应）；数值计算。（1）烧结矿层阻力特性的实验研究量纲分析法（2）烧结矿层气体流动的数值计算手段：采用CFD软件+二次开发：颗粒形状系数+空隙率分布函数+基于移动床和固定床模式g中心轴线uvR0底部：焦炭出口，气体入口斜道排风顶部：焦炭入口x物理模型斜道冷却室 储存室冷却段斜道排风口预存段斜道气体

13、入口网格划分（2）烧结矿层气体流动的数值计算流速等值线云图与速度矢量图压力等值线图与流线图烧结矿料层等填充特性（实验研究）烧结矿料层内气固传热系数(实验研究)烧结矿料层内气固传递系数（实验研究）烧结竖罐内的气固传热过程（实验及模拟）2.2.2 气固传热问题的研究（1）（2）（3）（1）烧结矿层气固综合传热系数*的实验研究意义：基础性实验之一；为后续的数值计算提供基础数据，同时为强化传热提供理论支撑。方法：实验方法基于固定床模式*时间模拟空间*移动床模式（排料+漏风+料的加热）；基于面积综合传热系数体积综合传热系数*；从实验室实验小试（排料+漏风+料的加热） 。内容：获得气固综合传热系数经验关联

14、式，藉此分析影响综合传热系数的主要因素及其影响规律。采用量纲分析法推导出料层气固传热系数的经验关联式使用范围：通过在不同工况下所得实验数据确定经验关联式的指数和系数（1）烧结矿层气固综合传热系数的实验研究（1）烧结矿层气固综合传热系数的实验研究 烧结矿筛分 烧结矿加热 加料 进行鼓风 冷却数据记录 卸料（2）烧结矿层传递系数的实验研究将对流换热器和固定床中气固换热中的传递系数引入到竖罐中来，并推导出烧结床层传递系数公式传递系数：烧结矿表面与冷却空气之间的温差为1K时，单位时间内通过单位面积所转移的量；为强化罐体内气固换热，提高余热利用率奠定坚实的理论基础。Din=350，H=800，Hz=15

15、00使用范围：在自制实验设备上测试不同工况下计算传递系数所需数据通过无量纲方程回归分析，拟合经验关联式（2）烧结矿层传递系数的实验研究（3）烧结矿层气固传热过程的实验及数值计算实验基于固定床模式时间模拟空间移动床模式；基于实验室实验小试 圆筒Din=100/250/350/600 长方体1000*1000*1800（料的加热+排料+漏风，不断尝试和努力）（3）烧结矿层气固传热过程的实验及数值计算 4000*1000*1800，Hz=120001000*1000*1800，Hz=8000Din=1000，H=1000，Hz=5200Din=600，H=1300，Hz=5200（3）烧结矿层气固传

16、热过程的实验及数值计算Din=100，H=900，Hz=2950Din=250，H=1200，Hz=3920（3）烧结矿层气固传热过程的实验及数值计算数值计算将双能量方程引入到烧结竖罐内，并采用用户自定义标量（UDS）定义气固双能量方程（建立稳定传热模型*，回避非稳态模型以时间模拟空间的假设，最大难点：颗粒下移速度的描述）；创新：采用户自定义函数（UDF）定义气固传热相关参数:空隙率径向分布*、粘性阻力系数*、惯性阻力系数*、气固传热系数*。基于局域热力学平衡模型-单能量方程模型基于局域非热力学平衡模型-双能量方程模型 （3）烧结矿层气固传热过程的实验及数值计算参数：烧结矿进口温度973K，冷

17、却风量 万m3/h 气体 烧结矿冷却段气固温度分布出口风温 K，出口矿温410K，余热回收率达85%。（3）烧结矿层气固传热过程的实验及数值计算烧结矿温度云图热载体温度云图主要内容1 基于环冷机模式余热回收1.1 分级回收与梯级利用技术1.2 环冷机操作参数优化2 竖罐式余热回收2.1 系统的构思及研究思路2.2 关键科学问题的凝练及研究进展2.3 关键技术问题的凝练及研究进展3 总结及展望任务：罐体和锅炉的结构形式、结构和操作参数的确定依据：罐体-锅炉-汽机的协同，保证最大发电量2.3 关键技术问题的凝练及研究进展（从热工角度） （1）（2）余热回收竖罐、锅炉两大关键技术问题（3）余热回收系

18、统设备匹配、参数协同与运行调控2.3.1 余热回收竖罐关键技术问题任务：罐体的结构形式、结构和操作参数的确定依据：1）考虑与锅炉、汽机的协同，为后续最大发电量提供适宜热载体流量和品质；2）尽可能降低阻力损失；3）保证气固传热效果，降低损。（1）余热回收竖罐关键技术问题结构和操作参数关键结构参数和操作参数的凝练罐体系统的灵魂！罐体冷却风量料层高度余热锅炉显热品质显热数量汽轮发电蒸汽品质蒸汽产量吨矿发电 冷却段的高度和内径核心参数之一 处理量一定，高度，内径，阻力 ，气流分布均匀 高度，内径，阻力 ，气流分布均匀 冷却热载体的流量（冷却风量）核心参数之二 处理量一定，较大风量，较低风温？ 较小风量

19、，较高风温？ 烧结矿的下移速度 最大难点：三者的耦合 关键结构参数和操作参数的确定（1）余热回收竖罐关键技术问题-结构和操作参数依据： 罐体出口热载体所携带的热量和值较大； 料层阻力尚可，经济可行。手段： 基于移动床的气固传热实验研究； 基于双能量方程的数值计算 （关键是CFD软件二次开发） 基于气固热平衡方程与传热方程的解析分析。 （2）余热回收竖罐关键技术问题-如何减小料层阻力A保持矿层空隙率*A 减小粉矿率，保持罐体内烧结矿层空隙率罐式回收可能比环冷机模式的粉矿率高，造成阻力损失过大，甚至死循环，这是目前罐式回收质疑点之一；影响粉矿率因素：落料、颗粒间或颗粒与壁面的摩擦、颗粒间因重力作用

20、的挤压；措施：热破碎+热筛分；冷却段和预存段高度适当设置B适当设置冷却段高度C适当设置热载体流量A影响矿层内气固传热的主要因素 矿层空隙率 冷却段高度 冷却风量（热载体流量）B 强化矿层内气固传热的主要技术途径 保持矿层一定空隙率，控制粉尘，防止死循环 适宜的冷却段高度 适宜的冷却风量 设置布风和布料装置（3）余热回收竖罐关键技术问题-如何强化气固换热余热回收锅炉关键技术问题结构和操作参数关键结构参数和操作参数的凝练 结构参数：各个受热面面积 操作参数：出口蒸汽参数、各个受热面进出口参数关键结构参数和操作参数的确定 与余热回收罐体的协同：罐体锅炉 编制热力计算软件，初步确定结构和操作参数； 采用最优化方法，借助Lingo软件优化操作参数。锅炉系统的灵魂！任务：进入锅炉的热流体温度比原来提高了100130，因此要重新审视：锅炉结构形式、结构和操作参数。 依据：锅炉出口蒸汽物理较大；经济性尚可。2.3.3 余热回收系统设备匹配、参数协同与运行调控罐体Q1T1Q2T2锅炉P11T11P1