燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)_圖文

1、 燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)李冬慶(北京佰能電氣技術(shù)有限公司摘要:根據(jù)燒結(jié)冷卻機(jī)的工藝特點(diǎn),分析了冷卻煙氣余熱的特性及其影響因素,提出了建立燒結(jié)冷卻機(jī)煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的原則以及對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)問題。同時(shí),還就燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù),如煙氣參數(shù)選擇、熱力系統(tǒng)參數(shù)選擇、冷卻機(jī)密封改造、系統(tǒng)的運(yùn)行控制等提出了作者的觀點(diǎn)和建議。關(guān)鍵詞:燒結(jié)冷卻機(jī)煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的快速增長(zhǎng)。大量化石燃料的使用對(duì)環(huán)境帶來(lái)了一系列重大影響。節(jié)能、減排和降耗已經(jīng)成為一個(gè)全球性的焦點(diǎn)問題。研究開發(fā)新技術(shù),充分利用現(xiàn)在工業(yè)過程中的廢氣、廢熱,提高余熱資源利用效率和品質(zhì)已經(jīng)成為一個(gè)重要課題。鋼鐵

2、、有色冶金、建材等高耗能行業(yè)消耗了大量的能源,同時(shí)因工藝的需要也產(chǎn)生了大量的中低溫余熱煙氣資源,由于工藝過程及技術(shù)等原因,這部分余熱沒有得到充分利用,被白白地排放到了環(huán)境中1。冶金燒結(jié)工藝就屬于其中最為典型的一例。在鋼鐵企業(yè)中,燒結(jié)工序的能耗僅次于煉鐵,占總能耗的10%20%,其中約有30%的能量是通過燒結(jié)冷卻機(jī)以熱煙氣的形式排入大氣,沒有得到合理利用23。結(jié)合當(dāng)前低參數(shù)余熱發(fā)電技術(shù),本文在分析燒結(jié)冷卻機(jī)煙氣特性及其主要影響因素的基礎(chǔ)上,提出建立燒結(jié)冷卻機(jī)煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng),產(chǎn)生高效清潔的電能,實(shí)現(xiàn)對(duì)這部分資源的高效利用。2冷卻機(jī)煙氣特性及影響因素2.1煙氣余熱特性燒結(jié)機(jī)正常生產(chǎn)時(shí),經(jīng)過燒結(jié)的熱

3、礦從燒結(jié)機(jī)的尾部落下,經(jīng)單輥破碎機(jī)破碎后,通過熱振篩進(jìn)行篩分,再經(jīng)溜槽落到冷卻機(jī)臺(tái)車上。燒結(jié)工藝需要高達(dá)1200的溫度,在溜槽處的熱燒結(jié)礦溫度可達(dá)800左右,主要以輻射形式向外散熱,自溜槽落到冷卻機(jī)上的料溫通常在600以上。一般燒結(jié)冷卻機(jī)根據(jù)大小在其下方布置有數(shù)臺(tái)(35臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī),對(duì)燒結(jié)礦料層強(qiáng)制鼓風(fēng)冷卻。經(jīng)與冷卻一段、二段礦料換熱后,在風(fēng)罩內(nèi)聚集的冷卻風(fēng)溫度提高到30050025。燒結(jié)生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)決定了冷卻機(jī)的高溫?zé)煔饩哂胁▌?dòng)性,含塵量也具有不確定性,且處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過程。由式(1可知,燒結(jié)礦在冷卻機(jī)上放熱,礦料溫度逐漸降低,燒結(jié)礦的平均比熱隨之降低6。因此,燒結(jié)及其礦料冷卻工藝決

4、定了冷卻煙氣具有波動(dòng)性、不穩(wěn)定性的特征。在冷卻風(fēng)的作用下,冷卻礦料層中的微小顆粒隨風(fēng)帶出,成為煙塵。由于燒結(jié)礦破碎及篩分過程的不確定性,煙氣的含塵量受到冷卻風(fēng)速及煙塵粒徑的影響,也具有不確定性。C p=0.115+0.257×103(T-373-0.0125×105(T-3732×4.1868 (1式中:C p燒結(jié)礦的平均比熱,kJ/(kg·T燒結(jié)礦的絕對(duì)溫度,K2.2影響煙氣品質(zhì)的主要因素?zé)Y(jié)冷卻機(jī)產(chǎn)生的煙氣溫度和余熱總量是評(píng)價(jià)余熱資源品質(zhì)的重要指標(biāo),這與燒結(jié)礦的溫度密切相關(guān)。冷卻機(jī)煙氣溫度受到燒結(jié)料層厚度、燒結(jié)終點(diǎn)控制、冷卻風(fēng)溫、冷卻風(fēng)速、冷卻料層厚

5、度、邊緣效應(yīng)及冷卻機(jī)密封狀況等生產(chǎn)條件的影響。主要有以下幾方面:(1燒結(jié)料層厚度:厚料層燒結(jié)能改善燃燒條件,強(qiáng)化氧化放熱反應(yīng),增強(qiáng)自動(dòng)蓄熱能力。有資料表明6:在燒結(jié)料層厚度為180220mm時(shí),料層蓄熱量只占燃燒帶入總熱量的35%45%,當(dāng)料層厚度為400mm時(shí)則蓄熱量可達(dá)55%60%。因此,提高燒結(jié)料層厚度能增強(qiáng)料層的蓄熱能力,減少燒結(jié)過程中的熱損失,使破碎篩分后進(jìn)入冷卻機(jī)的礦料保持較高的溫度,從而有效提高冷卻煙氣的溫度和余熱總量。當(dāng)前,大型燒結(jié)機(jī)的料層厚度已達(dá)到 700mm7,對(duì)采用余熱系統(tǒng)發(fā)電非常有利。(2燒結(jié)終點(diǎn)控制:燒結(jié)終點(diǎn)的控制對(duì)燒結(jié)礦溫度會(huì)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響破碎后落到冷卻機(jī)上的礦

6、溫,最終將對(duì)冷卻煙氣溫度產(chǎn)生影響。日本有關(guān)研究表明,在保證燒結(jié)礦質(zhì)量和成品率的前提下,同時(shí)滿足余熱回收的燒結(jié)終點(diǎn)位置控制在燒結(jié)機(jī)最后一個(gè)風(fēng)箱的前半部最合適。燒結(jié)過程中的過燒或欠燒也會(huì)影響冷卻機(jī)出口的煙氣溫度和余熱資源量。當(dāng)燒結(jié)礦嚴(yán)重過燒時(shí),在燒結(jié)機(jī)尾部燒結(jié)礦的冷卻過程就已經(jīng)開始了,導(dǎo)致進(jìn)入冷卻機(jī)的礦料溫度偏低。當(dāng)發(fā)生欠燒時(shí),燒結(jié)混合料中的碳未能得到充分燃燒,燒結(jié)餅所含的熱量低于正常水平,也導(dǎo)致煙氣溫度偏低;若欠燒的燒結(jié)餅在未燒透的情況下進(jìn)入冷卻機(jī)后發(fā)生二次燒結(jié),放出熱量,則導(dǎo)致冷卻煙氣的溫度偏高,可達(dá)5006002。(3冷卻風(fēng)溫:提高冷卻空氣的初始溫度能提高余熱回收的效率和品質(zhì),也能控制并穩(wěn)定

7、余熱回收的總量。有研究表明:當(dāng)冷卻介質(zhì)初始溫度為50時(shí),換熱后終溫比常溫能提高15;當(dāng)介質(zhì)初始溫度為120時(shí),介質(zhì)終溫比常溫時(shí)高458。因此,提高進(jìn)入冷卻機(jī)的氣體溫度,能有效提高氣體通過料層后的煙氣溫度,同時(shí)也能有效降低煙氣溫度波動(dòng)的幅度,提高余熱資源的穩(wěn)定性。(4冷卻風(fēng)速6:冷卻風(fēng)速與風(fēng)量、冷卻礦料層厚度、冷卻料層空隙率等因素密切相關(guān),對(duì)燒結(jié)礦的冷卻時(shí)間也產(chǎn)生影響,冷卻風(fēng)速與燒結(jié)礦平均最大礦塊熱傳導(dǎo)速度密切相關(guān)。如圖1所示,無(wú)論燒結(jié)礦粒度大小,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值以后,增加風(fēng)速都不能有效提高換熱系數(shù),改善冷卻效果。當(dāng)冷卻風(fēng)速在02m/s的區(qū)間時(shí),提高風(fēng)速(增大風(fēng)量能有效加強(qiáng)燒結(jié)礦的冷卻;當(dāng)冷卻風(fēng)

8、速大于2m/s時(shí),提高風(fēng)速不但不能提高冷卻效果,相反,由于風(fēng)速提高使冷卻風(fēng)量增加,將導(dǎo)致冷卻機(jī)出口煙氣溫度降低。 (5冷卻料層厚度:冷卻料層厚度是影響燒結(jié)礦冷卻速度和冷卻介質(zhì)終溫的主要因素之一。有資料表明9:冷卻機(jī)料層厚度每提高0.1m,冷卻煙氣溫度提高約10。而且料層越厚,冷卻越趨于均勻,溫度波動(dòng)幅度越小。因此,在相同條件下增加冷卻機(jī)的料層厚度,能提高冷卻煙氣的溫度和余熱資源總量。目前國(guó)內(nèi)360m2以上的燒結(jié)機(jī),其冷卻機(jī)的料層厚 度基本上達(dá)到了13001500mm。(6邊緣效應(yīng)10:由于臺(tái)車和風(fēng)箱之間是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的,再加上燒結(jié)礦在冷卻機(jī)臺(tái)車上布料不均勻,邊緣效應(yīng)在所難免,且直接影響冷卻煙氣的溫

9、度和流量。減輕和抑制邊緣效應(yīng),有助于提高煙氣品質(zhì)。(7密封條件:由于冷卻機(jī)臺(tái)車是按一定速度運(yùn)動(dòng)的,其臺(tái)車下方風(fēng)箱和上方集氣罩與臺(tái)車之間存在著一定的間隙,需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行密封。若密封效果較差,任何漏風(fēng)都會(huì)造成集氣罩煙氣品質(zhì)和余熱資源的下降。(8其他因素:除上述幾個(gè)影響因素外,燒結(jié)礦溫度和冷卻煙氣溫度還受到諸如原料種類、配料結(jié)構(gòu)、燃料消耗水平、冷卻機(jī)臺(tái)車速度等參數(shù)的影響,因此,它們也對(duì)冷卻機(jī)煙氣余熱品質(zhì)產(chǎn)生影響。3燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)余熱發(fā)電系統(tǒng)作為主工藝流程的一個(gè)附屬工藝過程,決定了它與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)有很大的區(qū)別。發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行須以不影響主工藝的正常工作為首要原

10、則;在此前提下發(fā)電系統(tǒng)的首要目標(biāo)是安全、可靠與穩(wěn)定;其次才是如何最大限度地利用余熱資源,提高余熱利用的品質(zhì)與效率。對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)而言,關(guān)鍵就是在主工藝生產(chǎn)條件下保證余熱資源的連續(xù)與穩(wěn)定,再遵循能源梯級(jí)利用原理,將燒結(jié)冷卻機(jī)的煙氣余熱用于發(fā)電,建立雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng),使余熱資源得到充分利用。3.2煙風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示,經(jīng)破碎篩分的燒結(jié)礦料通過溜槽落到冷卻機(jī)臺(tái)車上,隨臺(tái)車轉(zhuǎn)動(dòng),熾熱的礦料依次通過冷卻機(jī)I段和段;冷卻風(fēng)在風(fēng)機(jī)的作用下分別進(jìn)入冷卻機(jī)I段和段的下部風(fēng)箱,然后通過I段和段礦料層,高溫的煙氣分別在I段和段的集氣罩內(nèi)聚集。工段集氣罩內(nèi)的煙氣通過煙道進(jìn)入余熱鍋爐用于加熱鍋爐的中壓過熱器和部分中壓蒸發(fā)

11、器,在煙氣溫度降到與段煙氣溫度一致時(shí)在余熱鍋爐內(nèi)與來(lái)自段的煙氣混合,然后再通過鍋爐剩余的受熱面;經(jīng)過鍋爐后的煙氣溫度降到140左右,在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下被再次分別送入冷卻機(jī)工段和段下部的冷卻風(fēng)箱,用于冷卻礦料。在I段煙氣管道上設(shè)有重力除塵器,將煙氣中攜帶的礦塵沉降下來(lái),減少對(duì)鍋爐受熱面的沖刷和磨損。為了充分利用余熱資源,余熱鍋爐分別產(chǎn)生兩種不同壓力和溫度的蒸汽,即中壓蒸汽和低壓蒸汽。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),循環(huán)風(fēng)機(jī)工作,原冷卻機(jī)工段和段鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)余熱鍋爐系統(tǒng)故障時(shí),可打開原冷卻機(jī)工段和段鼓風(fēng)機(jī),關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī),此時(shí)余熱煙氣直接從冷卻機(jī)工段和段煙囪直接排放,不影響主工藝的運(yùn)行;同時(shí),在工段和段風(fēng)箱末

12、端均設(shè)有隔離風(fēng)門,將此段風(fēng)箱與其他部分隔離,形成獨(dú)立的風(fēng)箱,避免系統(tǒng)漏風(fēng)。另外,上述煙風(fēng)系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)煙氣閉式循環(huán)和開式運(yùn)行兩種模式的切換,具有更大的可操作性和適應(yīng)性。 3.3發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示,余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽作為主汽進(jìn)入汽輪機(jī),低壓蒸汽作為補(bǔ)汽進(jìn)入汽輪機(jī)補(bǔ)汽級(jí),中壓和低壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹作功,推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的乏汽在凝汽器內(nèi)冷凝成水,然后與系統(tǒng)補(bǔ)水一起通過凝結(jié)水泵送入鍋爐,凝結(jié)水在鍋爐內(nèi)通過低壓預(yù)熱器加熱后再進(jìn)入低壓汽包。低壓汽包中的水一部分在中壓給水泵的作用下送入中壓預(yù)熱器,經(jīng)加熱后進(jìn)入中壓汽包,然后再通過中壓蒸發(fā)器和中壓過熱器產(chǎn)生中壓蒸汽;另一部分水則通過低壓蒸發(fā)器和低壓過

13、熱器產(chǎn)生低壓蒸汽;在此過程中低壓汽包還兼有除氧器的功能,實(shí)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)自除氧。循環(huán)冷卻水在循環(huán)水泵的作用下在凝汽器和冷卻塔內(nèi)循環(huán)流動(dòng),冷卻汽輪機(jī)所排乏汽,保證排汽壓力。 3.4系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在實(shí)際工程中,為了評(píng)價(jià)燒結(jié)冷卻機(jī)余熱資源的利用情況和燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的效率,采用了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體如下:(1燒結(jié)冷卻機(jī)余熱資源可用率1:指冷卻機(jī)系統(tǒng)中可用煙氣余熱總量Q1占系統(tǒng)全部煙氣余熱總量Q0的百分?jǐn)?shù),即1= Q1/Q0×100%(2(2燒結(jié)冷卻機(jī)可用余熱資源利用率2:指余熱資源利用總量Q2占可用煙氣余熱總量Q1的百分?jǐn)?shù),它表示余熱利用系統(tǒng)對(duì)可用余熱資源利用的程度,即2=

14、 Q2/Q1×100%(3(3余熱鍋爐熱效率3:指蒸汽吸熱量Q3占余熱資源利用總量Q2的百分?jǐn)?shù),它是表示余熱鍋爐性能的參數(shù),即3= Q3/Q2×100% (4Q3=q·(h1-h2·t(5式中,h1為蒸汽焓(kJ/kg,h2為給水焓(kJ/kg,q為蒸汽流量(kg/h,t為時(shí)間(h。(4汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率i:為蒸汽在汽輪機(jī)中做功的有效焓降H i與理想等熵焓降H t 之比,它表示蒸汽在汽輪機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的完善程度,也即汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)的完善程度,即i=H i/H t=(h1-h c/(h1-h t (6式中,h1為蒸汽焓(kJ/kg,h c為實(shí)際排汽焓(kJ/k

15、g,h t為理想等熵排汽焓(kJ/kg。(5機(jī)械效率m:考慮機(jī)械損失后汽輪機(jī)聯(lián)軸器端的輸出功率P e與汽輪機(jī)內(nèi)功率P i之比,即m=P e/P i=1-P m/P i(7式中,P m機(jī)械損失(kW。(6發(fā)電機(jī)效率g:考慮電機(jī)損失后發(fā)電機(jī)輸出的電功率P e1與汽輪機(jī)軸端功率P e之比,即g= P e1/P e=1-P g/P e(8式中,P g電機(jī)損失(kW。(7汽輪發(fā)電機(jī)組相對(duì)電效率e1:表示在1kg蒸汽所具有的理想比焓降中有多少能量最終被轉(zhuǎn)換成電能,即e1=img(93.5工程案例某鋼廠1臺(tái)360m2燒結(jié)機(jī)設(shè)備參數(shù)如下:冷卻機(jī)冷卻面積396m2,燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)1.3t /(m2·h,冷卻機(jī)料層厚度13001500mm,冷卻機(jī)入口礦料溫度700800,冷卻機(jī)入口下料量700t/h,轉(zhuǎn)鼓指數(shù)73%。燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)為:冷卻機(jī)I段煙氣溫度400,流量350000Nm3/h;冷卻機(jī)段煙氣溫度300,流量350000Nm3/h。系統(tǒng)采用雙壓自除氧余熱鍋爐配一臺(tái)補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐參數(shù)如下:中壓蒸汽壓力為1.96 MPa(G,溫度365,流量46t/h;低壓蒸汽壓力為0.39MP