烧结余热回收再利用技术与产业发展研讨会2讲解课件

烧结余热能高效发电技术报告人：赵斌

华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室河北理工大学现代冶金技术省重点实验室

*中国能源环境科技协会余热回收再利用技术与产业发展研讨会

烧结余热能高效发电技术报告人：赵斌

烧结余热能高效发电技术报告题目作者：赵斌（1968-），华北电力大学国家重点学科热能工程博士生，师从于徐鸿教授、杜小泽教授。现工作于河北理工大学，教授，高级工程师，硕士生导师，主研方向为工程热物理及先进发电技术。

烧结工序焦化工序炼铁工序炼钢工序轧钢工序钢铁工业烧结工序有烧结矿显热（部分回收）和烧结机烟气显热（几乎没有回收）两部分余热资源。钢铁化工水泥建材交通中低温余热三高行业烧结余热能高效发电技术报告题目作者：赵斌（1968-），华钢铁与钢铁工业钢铁

——“首选材料”、“必选材料”

——人类社会最主要的结构材料

——产量最大、覆盖面最广的功能材料钢铁工业

——国民经济的重要基础产业之一

——“对于经济竞争力和国家安全都是至关重要的”

——是“国家的经济命脉”

钢铁与钢铁工业钢铁钢铁工业副产品钢铁工业副产品(二次能源)

——高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气

——焦炭显热、烧结矿显热、高炉渣、转炉渣

——高炉煤气的余压钢铁工业副产品钢铁工业副产品(二次能源)清洁生产和先进发电技术清洁生产

——节能减排

——循环经济

先进发电技术

——燃气-蒸汽联合循环发电技术

——高炉余压发电技术

——干熄焦发电技术——转炉发电技术——烧结余热发电

清洁生产和先进发电技术清洁生产资源、能源密集型产业钢铁工业社会关注的焦点节能减排循环经济、可持续发展安居乐业、天人合一科学发展观、和谐社会发电技术清洁生产、绿色制造、环境友好社会可持续发展的基石资源、能源密集型产业钢铁工业社会关注的焦点节能减排循环经济、

图1

钢铁生产过程各种余热余能资源分布图图1钢铁生产过程各种余热余能资源分布图

报告内容1.引言2.烧结余热能流分布规律及用能原则3.余热能发电系统热力学优化4.余热能高效回收利用关键技术及装置研发6.总结及后续研究5.余热能梯级回收与发电系统经济性分析报告内容1.引言2.烧结余热能流分布规律及用能原则

1引言“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”中特别指出：重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术与装备。国家科技支撑计划项目子课题“钢铁企业低压余热蒸汽发电技术及能量系统优化”（2008BAE67B01）钢铁工业能耗占全国15%，其中70%消耗的是煤炭；烧结工序的能耗为钢铁企业总能耗的10%～20%。1引言“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-22.1余热能流分布规律2.2余热资源特性2.3余热能贬值规律2.4余热回收与利用原则

2烧结余热能流分布规律及用能原则2.1余热能流分布规律2.2余热资源特性2.3余图2烧结工序余热量分布热平衡计算2.1余热能流分布规律图2烧结工序余热量分布热平衡计算2.1余热能流分图3烧结工序余热温度分布图2.1余热能流分布规律热平衡测试图3烧结工序余热温度分布图2.1余热能流分布规律热平衡烧结余热资源特性余热源品位较低，低温部分比例大冷却机废气温度波动大250~520℃烧结工序短期停运热源连续性难以保证2.2余热资源特性烧结余热余热源品位较低，低温部分比例大冷却机废气温度波动大2烧结工序热量传递冷却机气固换热余热锅炉气液换热传递过程必然产生“质”和“量”的贬值2.3余热能贬值规律烧结工序冷却机余热锅炉传递过程必然产生2.3余热能贬值规律2.4余热回收与利用原则降低烧结机能量消耗与减少余热生成量协同原则直接热利用与动力回收协同原则分段回收与梯级利用协同原则四协同原则余热回收工艺与装备研发协同原则2.4余热回收与利用原则降低烧结机能量消耗与直接热利用与动动力回收直接热利用200~300℃250~500℃200~250℃300~400℃冷却机废气烧结机烟气2.4余热回收与利用原则同一温度范围烧结矿温度动力回收直接热利用200~300℃250~500℃200~2图4济钢烧结余热发电工艺流程图冷却机3烧结余热发电系统热力学优化图4济钢烧结余热发电工艺流程图冷却机3烧结余热发电系统项目名称数值/（GJ/h）相对百分率/%热平衡平衡热平衡平衡进口废气携带热量（）值211.3869.15100100余热锅炉换热（）损—8.27—11.96出口废气热（）损83.3613.1339.4418.99余热锅炉内部散热（）损2.561.121.211.62主蒸汽管道热（）损0.340.440.160.64汽轮机内部热（）损—4.16—6.02冷凝器热（）损89.166.0642.188.76除氧器热（）损1.551.560.732.26总热（）损176.9734.7483.7250.24汽轮机输出有用功34.4134.4116.2749.76余热锅炉的废气出口损和，内部换热

损所占比例较大小结表1热力系统热平衡与平衡对比分析3.1能量平衡分析项目名称数值/（GJ/h）相对百分率/%热平衡平衡热平衡平衡图5烧结余热发电改进工艺流程图增加了凝结水加热器冷却机提高余热利用率3.1能量平衡分析图5烧结余热发电改进工艺流程图增加了凝结水加热器冷却机提高应先点击系统按钮，再从系统下拉菜单中选择对程序中主、副蒸汽压力和流量的“检查框输入与标签相应热力参数；选择计算类型主程序子程序图5程序计算界面软件著作权登记3.2余热发电系统热力计算软件应先点击系统按钮，再从系统下拉菜单中选择主程序子程序图5程3.3三种热力系统的比较小结选定合理热力系统配置方案对系统总损的影响更大双压系统总损最小提出不同区段废气混合降低了余热品位，降低了进口热废气

值，开发新型回收装置图6总损随主蒸汽压力变化3.3三种热力系统的比较小结选定合理热力系统提出不同区段4烧结余热能高效回收利用关键技术及装置研发

4.1关键技术4.2装置研发1）

品位提升技术2）显热提取技术1）立式冷却装置2）双工质余热锅炉3）双余热源参数控制4）余热链接传递转换3）三进口余热锅炉4）风罩式余热锅炉4烧结余热能高效回收利用关键技术及装置研发4.14.1.1烧结余热品位提升技术132中低品位热能常规回收利用方法仅回收40%左右冷却区热废气余热中低品位热能分段回收及梯级利用方法回收60%左右冷却区的热废气显热解决漏风逆流换热全部回收

冷却区热

废气显热

常规技术新技术创新技术

4.1.1烧结余热品位提升技术132中低品位热能中低品位三进口

余热梯级利用，即“低质低用，高质高用”，冷却机热废气按品位的不同划分成不同区段进行回收回收。双进口图7多进口发电新技术工艺方案4.1.2烧结余热资源显热提取技术三进口余热梯级利用，即“低质低用，高质高用”，冷却4.1.3双余热源参数（温度)稳定控制技术低温汽轮机选型

废气循环自动控制技术

选择允许热源波动范围大的汽轮机冷却机余热发电采用部分烟气循环，一定范围内控制冷却机热废气温度蒸汽参数相互反馈4.1.3双余热源参数（温度)稳定控制技术低温汽轮机选型4.1.4余热链接传递转换技术冷却机余热锅炉汽轮机·气固换热·气液换热完成余热能量传递功能·热功转换完成余热能量热功转换功能通过能量的传递与转换链接在一起4.1.4余热链接传递转换技术冷却机余热锅炉汽轮机·气固换4.2烧结余热能高效回收利用装置研发立式冷却机多进口余热锅炉双工质余热锅炉余热发电工艺小型的罐式热交换密闭装置热废气品位低余热资源回收率低等问题

分级回收梯级利用冷却机废气解决低品位余热回收率低的问题

两种余热资源在同一台锅炉内回收烧结机冷却机锅炉汽轮机设备通过能量传递与转化链接在一起

冷却机余热回收双余热源余热回收4.2烧结余热能高效回收利用装置研发立式多进口双工质余热发4.2.1立式冷却机装置1）密闭腔室2）逆流换热图8立式冷却装置示意国家发明专利14.2.1立式冷却机装置1）密闭腔室2）逆流换热图8立4.2.2

三进口双压余热锅炉装置1）本体为上窄下宽阶梯型立式结构，三室相通2）高温室布置螺旋管圈水冷壁，换热强度高3）受热面均采用为蛇形环肋管错列逆流布置4）热废气环本体四周进入调压风门及气流挡板5）设置了径向及轴向膨胀节和可靠的密封材料图9三进口双压余热锅炉结构示意国家发明专利24.2.2三进口双压余热锅炉装置1）本体为上窄下宽阶梯4.2.3双工质热源余热锅炉装置1）装置集成回收两种余热

2）套管式蒸发器可实现与内外两侧烧结烟气和冷却机热空气同时换热3）受热面均采用为蛇形环肋管错列逆流布置图10双工质热源余热锅炉示意国家发明专利34.2.3双工质热源余热锅炉装置1）装置集成回收两种余热5.1唐钢烧结环冷机余热电站工艺方案（原方案）5.2烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅰ）5.3烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅱ）5.4烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅲ）5余热能梯级回收与发电系统经济性分析5.5

四种方案热经济计算比较5.1唐钢烧结环冷机余热电站工艺方案（原方案）5.2烧结5.1原方案图11唐钢烧结环冷机余热电站工艺方案流程5.1原方案图11唐钢烧结环冷机余热电站工艺方案流程图12烧结双源协同发电工艺方案Ⅰ流程图中低品位热能分段回收及梯级利用

提高余热资源回收率及余热利用率5.2方案Ⅰ国家发明专利4图12烧结双源协同发电工艺方案Ⅰ流程图中低品位热能分段回图13烧结双源协同发电工艺方案Ⅱ流程图立式密闭冷却装置5.3方案Ⅱ极限提高热双余热资源回收率及余热利用率图13烧结双源协同发电工艺方案Ⅱ流程图立式密闭冷却装置55.4方案Ⅲ图14烧结双源协同发电工艺方案Ⅲ流程图立式密闭冷却装置双工质热源余热锅炉极限提高热双余热资源回收率及余热利用率5.4方案Ⅲ图14烧结双源协同发电工艺方案Ⅲ流程图立式表2四种方案余热发电系统热经济计算参数比较参数名称单位原方案方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲ主蒸汽压力MPa2.062.063.823.42主蒸汽温度℃375375450475副汽压力MPa0.390.390.390.39副汽温度℃143143300143余热利用率%61677580废气排出温度℃161137150127发电功率MW8.210.612.214.2装机容量MW91113145.5余热发电系统热经济计算表2四种方案余热发电系统热经济计算参数比较参数名称单

论文基于余热能回收利用现象的热力学优化、能量传递转换设备的高效化和能量利用系统的经济化问题开展了部分基础研究工作，研发的新一代烧结余热发电装备及创新工艺，一体化回收烧结工序中烧结机尾烟气和烧结矿显热，全面提升烧结工序余热资源回收率和余热利用率。研究成果可为中低品位工业余热高效回收基础科学问题的研究提供理论参考，也可为大中型钢铁企业烧结余热高效回收提供技术基础。6.1总结论文基于余热能回收利用现象的热力学优化、能量传递转换设备的烧结矿冷却过程实验研究余热回收设备结构优化双热源集成工艺耦合揭示中低温余热能在能量传递与转换过程中效率提高的科学本质研究冷却机适应烧结机制变化的响应策略及冷却机热质输运效应及与余热发电系统的耦合机制6.2后续研究

基础研究实践研究关键科学烧结矿冷却余热回收双热源集成揭示中低温余热能在能量传递与转换感谢各位老师专家恳请多提宝贵意见！感谢各位老师专家烧结余热能高效发电技术报告人：赵斌

华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室河北理工大学现代冶金技术省重点实验室

*中国能源环境科技协会余热回收再利用技术与产业发展研讨会

烧结余热能高效发电技术报告人：赵斌

烧结余热能高效发电技术报告题目作者：赵斌（1968-），华北电力大学国家重点学科热能工程博士生，师从于徐鸿教授、杜小泽教授。现工作于河北理工大学，教授，高级工程师，硕士生导师，主研方向为工程热物理及先进发电技术。

烧结工序焦化工序炼铁工序炼钢工序轧钢工序钢铁工业烧结工序有烧结矿显热（部分回收）和烧结机烟气显热（几乎没有回收）两部分余热资源。钢铁化工水泥建材交通中低温余热三高行业烧结余热能高效发电技术报告题目作者：赵斌（1968-），华钢铁与钢铁工业钢铁

——“首选材料”、“必选材料”

——人类社会最主要的结构材料

——产量最大、覆盖面最广的功能材料钢铁工业

——国民经济的重要基础产业之一

——“对于经济竞争力和国家安全都是至关重要的”

——是“国家的经济命脉”

钢铁与钢铁工业钢铁钢铁工业副产品钢铁工业副产品(二次能源)

——高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气

——焦炭显热、烧结矿显热、高炉渣、转炉渣

——高炉煤气的余压钢铁工业副产品钢铁工业副产品(二次能源)清洁生产和先进发电技术清洁生产

——节能减排

——循环经济

先进发电技术

——燃气-蒸汽联合循环发电技术

——高炉余压发电技术

——干熄焦发电技术——转炉发电技术——烧结余热发电

清洁生产和先进发电技术清洁生产资源、能源密集型产业钢铁工业社会关注的焦点节能减排循环经济、可持续发展安居乐业、天人合一科学发展观、和谐社会发电技术清洁生产、绿色制造、环境友好社会可持续发展的基石资源、能源密集型产业钢铁工业社会关注的焦点节能减排循环经济、

图1

钢铁生产过程各种余热余能资源分布图图1钢铁生产过程各种余热余能资源分布图

报告内容1.引言2.烧结余热能流分布规律及用能原则3.余热能发电系统热力学优化4.余热能高效回收利用关键技术及装置研发6.总结及后续研究5.余热能梯级回收与发电系统经济性分析报告内容1.引言2.烧结余热能流分布规律及用能原则

1引言“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”中特别指出：重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术与装备。国家科技支撑计划项目子课题“钢铁企业低压余热蒸汽发电技术及能量系统优化”（2008BAE67B01）钢铁工业能耗占全国15%，其中70%消耗的是煤炭；烧结工序的能耗为钢铁企业总能耗的10%～20%。1引言“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-22.1余热能流分布规律2.2余热资源特性2.3余热能贬值规律2.4余热回收与利用原则

2烧结余热能流分布规律及用能原则2.1余热能流分布规律2.2余热资源特性2.3余图2烧结工序余热量分布热平衡计算2.1余热能流分布规律图2烧结工序余热量分布热平衡计算2.1余热能流分图3烧结工序余热温度分布图2.1余热能流分布规律热平衡测试图3烧结工序余热温度分布图2.1余热能流分布规律热平衡烧结余热资源特性余热源品位较低，低温部分比例大冷却机废气温度波动大250~520℃烧结工序短期停运热源连续性难以保证2.2余热资源特性烧结余热余热源品位较低，低温部分比例大冷却机废气温度波动大2烧结工序热量传递冷却机气固换热余热锅炉气液换热传递过程必然产生“质”和“量”的贬值2.3余热能贬值规律烧结工序冷却机余热锅炉传递过程必然产生2.3余热能贬值规律2.4余热回收与利用原则降低烧结机能量消耗与减少余热生成量协同原则直接热利用与动力回收协同原则分段回收与梯级利用协同原则四协同原则余热回收工艺与装备研发协同原则2.4余热回收与利用原则降低烧结机能量消耗与直接热利用与动动力回收直接热利用200~300℃250~500℃200~250℃300~400℃冷却机废气烧结机烟气2.4余热回收与利用原则同一温度范围烧结矿温度动力回收直接热利用200~300℃250~500℃200~2图4济钢烧结余热发电工艺流程图冷却机3烧结余热发电系统热力学优化图4济钢烧结余热发电工艺流程图冷却机3烧结余热发电系统项目名称数值/（GJ/h）相对百分率/%热平衡平衡热平衡平衡进口废气携带热量（）值211.3869.15100100余热锅炉换热（）损—8.27—11.96出口废气热（）损83.3613.1339.4418.99余热锅炉内部散热（）损2.561.121.211.62主蒸汽管道热（）损0.340.440.160.64汽轮机内部热（）损—4.16—6.02冷凝器热（）损89.166.0642.188.76除氧器热（）损1.551.560.732.26总热（）损176.9734.7483.7250.24汽轮机输出有用功34.4134.4116.2749.76余热锅炉的废气出口损和，内部换热

损所占比例较大小结表1热力系统热平衡与平衡对比分析3.1能量平衡分析项目名称数值/（GJ/h）相对百分率/%热平衡平衡热平衡平衡图5烧结余热发电改进工艺流程图增加了凝结水加热器冷却机提高余热利用率3.1能量平衡分析图5烧结余热发电改进工艺流程图增加了凝结水加热器冷却机提高应先点击系统按钮，再从系统下拉菜单中选择对程序中主、副蒸汽压力和流量的“检查框输入与标签相应热力参数；选择计算类型主程序子程序图5程序计算界面软件著作权登记3.2余热发电系统热力计算软件应先点击系统按钮，再从系统下拉菜单中选择主程序子程序图5程3.3三种热力系统的比较小结选定合理热力系统配置方案对系统总损的影响更大双压系统总损最小提出不同区段废气混合降低了余热品位，降低了进口热废气

值，开发新型回收装置图6总损随主蒸汽压力变化3.3三种热力系统的比较小结选定合理热力系统提出不同区段4烧结余热能高效回收利用关键技术及装置研发

4.1关键技术4.2装置研发1）

品位提升技术2）显热提取技术1）立式冷却装置2）双工质余热锅炉3）双余热源参数控制4）余热链接传递转换3）三进口余热锅炉4）风罩式余热锅炉4烧结余热能高效回收利用关键技术及装置研发4.14.1.1烧结余热品位提升技术132中低品位热能常规回收利用方法仅回收40%左右冷却区热废气余热中低品位热能分段回收及梯级利用方法回收60%左右冷却区的热废气显热解决漏风逆流换热全部回收

冷却区热

废气显热

常规技术新技术创新技术

4.1.1烧结余热品位提升技术132中低品位热能中低品位三进口

余热梯级利用，即“低质低用，高质高用”，冷却机热废气按品位的不同划分成不同区段进行回收回收。双进口图7多进口发电新技术工艺方案4.1.2烧结余热资源显热提取技术三进口余热梯级利用，即“低质低用，高质高用”，冷却4.1.3双余热源参数（温度)稳定控制技术低温汽轮机选型

废气循环自动控制技术

选择允许热源波动范围大的汽轮机冷却机余热发电采用部分烟气循环，一定范围内控制冷却机热废气温度蒸汽参数相互反馈4.1.3双余热源参数（温度)稳定控制技术低温汽轮机选型4.1.4余热链接传递转换技术冷却机余热锅炉汽轮机·气固换热·气液换热完成余热能量传递功能·热功转换完成余热能量热功转换功能通过能量的传递与转换链接在一起4.1.4余热链接传递转换技术冷却机余热锅炉汽轮机·气固换4.2烧结余热能高效回收利用装置研发立式冷却机多进口余热锅炉双工质余热锅炉余热发电工艺小型的罐式热交换密闭装置热废气品位低余热资源回收率低等问题

分级回收梯级利用冷却机废气解决低品位余热回收率低的问题

两种余热资源在同一台锅炉内回收烧结机冷却机锅炉汽轮机设备通过能量传递与转化链接在一起

冷却机余热回收双余热源余热回收4.2烧结余热能高效回收利用装置研发立式多进口双工质余热发4.2.1立式冷却机装置1）密闭腔室2）逆流换热图8立式冷却装置示意国家发明专利14.2.1立式冷却机装置1）密闭腔室2）逆流换热图8立4.2.2

三进口双压余热锅炉装置1）本体为上窄下宽阶梯型立式结构，三室相通2）高温室布置螺旋管圈水冷壁，换热强度高3）受热面均采用为蛇形环肋管错列逆流布置4）热废气环本体四周进入调压风门及气流挡板5）设置了径向及轴向膨胀节和可靠的密封材料图9三进口双压余热锅炉结构示意国家发明专利24.2.2三进口双压余热锅炉装置1）本体为上窄下宽阶梯4.2.3双工质热源余热锅炉装置1）装置集成回收两种余热

2）套管式蒸发器可实现与内外两侧烧结烟气和冷却机热空气同时换热3）受热面均采用为蛇形环肋管错列逆流布置图10双工质热源余热锅炉示意国家发明专利34.2.3双工质热源余热锅炉装置1）装置集成回收两种余热5.1唐钢烧结环冷机余热电站工艺方案（原方案）5.2烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅰ）5.3烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅱ）5.4烧结双源协同发电工艺方案（方案Ⅲ）5余热能梯级回收与发电系统经济性