烧结余热发电技术及系统的优化分析

第３６卷第３期

２０１

境

结

球

团

４７

１年６月Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇａｎｄ

Ｐｅｌｌｅｔｉｚｉｎｇ

烧结余热发电技术及系统的优化分析

肖衍党李晨飞韩涛

（西安思安新能源有限公司）

擅耍：简要介绍了烧结余热发电技术及系统漉程，提出了以余热有效利用率来评价烧结余热发电系统的性能。通过对不同工况下烧结余热发电系统的发电量进行理论计算和比较，同时考虑生产设备及运行限制因素，对烧结余热烟气参数进行了优化选取。通过建立烧结余热发电双压系统的热力模型，计算分析了主蒸汽温度、主蒸汽压力、低压蒸汽温度和压力及其选取对系统余热有效利用率的影响和变化规律，为烧结余热发电系统的优化设计与运行提供了较科学的依据。

关键词：烧结；余热发电；余热有效利用率；热力系统；优化中田分类号：ＴＫｌｌ５

文棘标识码：Ａ

文章■号：１０００—８７６４（２０１Ｉ）０３—００４７—０７

ＯｎＳｉｎｔｅｒｉｎｇ

Ｗａｓｔｅ

ＨｅａｔＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ

ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓ

Ｓｙｓｔｅｍ

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Ｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｗｓａｔｅｈｅａｔｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓｓｙｓｔｅｍｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，

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１

引

言

目前，烧结余热发电技术已有应用，但现有的技术还存在余热烟气参数选取、热力系统受热面配置方案及主蒸汽参数选取不尽合理等问题，造成发电机组的运行负荷与额定负荷相差较大。鉴于上述现状，开展烧结余热电站热力系统分析及优化研究，具有非常重要的意义。

钢铁企业烧结工序的能耗仅次于炼铁工序，一般为钢铁企业总能耗的１０％一２０％。我国烧结工序的能耗与先进国家相比有较大差距，每吨烧结矿的平均能耗要高２０

ｋｇｃｅ［卜引。

而在烧结工序总能耗中，有近５０％的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排人大气，既浪费了热能又污染了环境。可见。烧结工序余热回收潜力很大。

２烧结余热发电技术

２．１国内烧结余热发电技术

烧结余热发电技术是烧结高温烟气经过余

热锅炉生产蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机

收稿日期：２０１１—０３—０９联系人：肖衍竟（７ｌ∞７５）西安高新开发区高新路火炬大厦１４层

发电的一项技术。２００４年马钢二铁总厂烧结车

间２台烧结机引用日本川崎重工技术，２００５年９

４８

烧

结球团

第３６卷第３期

月成功并网，填补了我国利用烧结余热发电的空白［３｜。２００７年３月济钢采用国内自主设计制

（１）冷却机余热烟气系统：烧结矿在带冷机或环冷机上通过鼓风进行冷却，底部鼓入的冷风在穿过炽热的烧结矿层时被加热，产生大量的高温废气。将这些高温废气引入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽。为了进一步提高余热锅炉的进口烟气温度，可将余热锅炉用完之后的低温烟气（１００。１５０℃）通过循环风机送回冷

造的烧结机余热发电机组成功并网１４Ｊ。这２个

烧结发电机组的投产运行，标志着烧结余热发电技术作为新型的余热回收利用技术和余热利用的方式，正在被逐步推广。

目前，国内烧结余热发电技术主要利用的是冷却机高温段烟气余热，而将烧结机主烟道后部几个风箱的高温烟气进行回收利用的案例较少。随着国内余热发电技术的成熟，烧结机尾部风箱烟气的余热也逐步实现了可回收利用。

２．２

却机前段的风箱，从而有利于提高余热利用率。

（２）烧结机余热烟气系统：将烧结机尾部几个风箱的高温烟气引入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽。为了保证烧结机主烟道的出口烟气温度不低于烟气的酸露点，以免腐蚀后续风机、除尘器等设备，一般将烧结余热锅炉利用之后约２００℃左右的烟气通过引风机送回主烟道中。

系统流程

２．２．１烟气系统流程

一般来讲，烧结余热烟气系统主要分为两部分：

烧结余热发电烟气系统流程图如图１所示。

图１烧结余热发电烟气系统流程图

２．２．２热力系统流程

烧结余热双压系统在冷却机余热锅炉设置了预加热器、低压蒸发器、中压省煤器、低压过热器、中压蒸发器和中压过热器；烧结机余热锅炉设置了中压省煤器、中压蒸发器和中压过热器。

烧结机余热锅炉给水由冷却机余热锅炉低压汽包通过水泵加压后提供，整个热力系统的给水除氧采用了锅炉内热力除氧，所需热源来自冷却机余热锅炉的预加热器加热的给水。

发电机进行发电；利用完之后的乏汽经冷凝成水，再通过泵输送回余热锅炉进行循环利用。烧结余热发电热力系统流程如图２所示。

３系统性能评价指标

纯吨烧结矿余热发电量是目前衡量烧结余热发电技术水平常用的一个指标。该指标综合体现了烧结生产过程和余热发电系统的性能，但没有考虑烧结矿的形成热、台车上烧结矿层厚度、烧结矿冷却过程产生的烟气温度及烟气量等因素对发电量的影响。对于上述不同因素的余热发电系统，纯吨烧结矿余热发电量作

烧结机余热锅炉和冷却机余热锅炉产生的

主蒸汽在汽机房中并汽后输送至汽轮机，拖动

２０１１年第３期肖衍党等烧结余热发电技术及系统的优化分析

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图２烧结余热发电热力系统流程图

为各系统的比较标准不够准确，而且该指标不能体现不同生产线配套的余热发电系统各部分的性能差异，从而确定系统改进和优化的方向。

本文以质量平衡与能量平衡方程为基础，

率，％；孙为汽轮机补汽做功效率，％；叩ｆ为发电机效率，％。

余热有效利用率：

哆＝【Ｐｌ。ｒｈｉｎｅ／（ｑｉ．／３６００）Ｊ×１００％

余热有效利用率能消除烧结矿形成热、余

热烟气温度及烟气量等因素对发电量的影响，可用于不同余热发电系统之间的性能对比。

建立了相应的烧结余热发电双压系统热力计算

模型，并提出以余热有效利用率（即单位进口烟气热量发电功率）来评价余热发电系统的效率。

余热有效利用率定义为余热发电量与烧结机和冷却机余热锅炉进口烟气总热量的比值，计算过程如下：

单位进口烟气热量：

ｑｉｎ＝Ｑｉ。／Ｖｉ。，ｂ

２

４烧结余热烟气参数的优化选取

烧结和烧结矿冷却过程产生的高温废气是

烧结余热发电的主要热源，这一热源具有如下基本特点：①热源品质整体较低，低温部分占比较大；②废气温度波动大；③热源的间断性没有规律【５】。烧结烟气存在高温和低温部分，这两部分在原工艺烟气系统中没有明显的界限。为

ＰＶｉ。，ｇｈｉ。／Ｖｉ。，ｂ

式中：Ｑｉ。为余热锅炉进口烟气总热量，ｋＪ／ｈ；Ｖｉｎ．ｂ为余热锅炉进口标况烟气量，Ｎｍ３／ｈ；Ｐ为进口烟气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｖｉｎ．ｇ为进口工况烟气量，ｍ３／ｈ；ｈｉ．为进口烟气焓值，ｋＪ／ｋｇ。

余热发电功率：

Ｐｔ。小ｉ。。＝［Ｄ：（＾谊．。一ｈ。。ｔ）・叩。＋Ｄｂ（ｈｉｎ．ｂ—ｈｏ，ｔ）‘孙］・ｒＢ／３６００

了合理选取余热烟气参数，同时保证余热烟气的品质，这就存在将烧结过程产生的烟气进行

优化选取的问题，从而有利于烟气余热的回收

利用。

随着烧结过程的进行，烧结机各风箱的废气温度是逐步升高的，烟气温度从８０℃逐步升高到４００℃；而冷却机台车上部排出的废气温度是逐渐降低的，烟气温度从４００℃逐渐降低到１５０℃以下。烧结机各风箱的烟气温度和冷却机各风箱上部烟罩内烟气温度如图３所示。

式中：Ｐ。岫。。为汽轮机发电功率，ｋＷ；Ｄ，为主蒸

汽量，ｔ／ｈ；ｈｉｎ．ｚ为主蒸汽进汽焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈｏｗｌ为汽轮机排汽焓，ｋＪ／ｋｇ；Ｄｂ为补汽量，ｔ／ｈ；ｈｉ，．ｂ为补汽进汽焓，ｋＪ／ｋｇ；叩：为汽轮机主蒸汽做功效

５０

境

结

球

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３

２２

１

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ｌ

伽栅渤啪呦瑚瑚瑚∞ｏ

圈３烧结和冷却过程中废气瀑度分布圈

以某钢厂其中一个烧结车间为例，烧结机面积为１５０ｍ２，冷却机面积为１９０ｍ２，高温部分温度在３００—４５０℃之间，根据测量及相关计算，这部分废气占整个废气量的３０％一４０％；低于３００℃的废气量占冷却废气总量的６０％以上。整体来讲，烧结余热属于中低品质热源，且

表１烧结余热相关参数

低品质所占比例较大。烧结余热相关初始参数

如表１所示。

以烟气能量与质量平衡方程为基础，在余热锅炉的主蒸汽压力选取２．０ＭＰａ，低压蒸汽压力取０．４５ＭＰａ，热端温差和窄点温差都取２０℃，

寰２烧结余热烟气参数及发电■计算比较裒

给水温度为４２℃的工况下，计算得到烧结余热烟气参数及发电量如表２所示。

从上表可以看出，烧结机余热锅炉烟气取

尾部５个或６个风箱的烟气量时，计算发电功率

较大；冷却机余热烟气高温部分按３：２或１：１划分，其计算的发电功率差别不大。

２０１１年第３期肖衍党等烧结余热发电技术及系统的优化分析

５ｌ

烧结机主烟道原出口烟气温度为１３８℃，烟气含硫为０．００３％，烟气酸露点为１２０．５℃。

由于烧结废气温度存在波动性，为了保证设备

不出现酸腐蚀，需保证主烟道出口烟温高于烟

气酸露点并有一定富余量。因此，本项目烧结机余热烟气参数最优选取烧结机尾部５个风箱

的烟气量，而冷却机余热烟气量的两种划分方法都可取。

５余热发电系统的分析及优化

５．１热力系统模型建立

一般来讲，烧结余热发电系统中烧结机余

热锅炉是单压系统，冷却机余热锅炉是双压系

统。双压热力系统的分析也适用于单压系统的

热力分析，故本文热力系统模型建立以双压系统作为分析对象。

冷却机双压余热锅炉中换热量口与温度Ｉ的关系曲线如图４所示。

热端温差：Ａｔ。＝ｒｙｌ－７．１｜ｒ窄点温差：Ａｔ，＝Ｔ，３—７＿。接近点温差：Ａｔｉ＝ｒ。一Ｔ。

—・一烟气温降线

一．ｐ日一ｒｉ●●土

叉ｋ

ＴＩ，

ｉ＼．

Ｔ由

ｉ

中压低压阀ｉＴ

Ｔ．

一汽水温升线

Ｔ

低压过热段过热段蒸发段

Ｑ／ｋＪ・＂‘

圈４双压余热锅妒换热过程ｒ—Ｑ圈

根据能量和质量守恒，可以得出中压过热器和蒸发器段的换热方程为：

Ｇ（１‘ｙｌ—ｉｙ３）７／，ｈ＝Ｄ。（ｈ。｜ｒ—ｈｕｉ）＋（１＋妒）

Ｄ。（ｈ。ｌ—Ｊｔ。五）

式中：Ｇ为余热锅炉入口烟气量，ｋｇ／ｈ；ｉ。ｌ为余热锅炉入口烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｉ订为中压蒸发器

出口烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；孙为锅炉的保热系

数，％；Ｄ。为主蒸汽蒸发量，ｔ／ｈ；ｈＩＫｒ为中压过热

蒸汽出口比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈ。Ｉ为中压蒸发器饱和汽比焓，ｋＪ／ｋｇ；＾１１２为中压蒸发器饱和水比焓，ｋＪ／ｋｇ；９为余热锅炉的排污系数，％。

低压过热段的换热方程：Ｇ（ｆｙ３一ｉ一）７ｔｈ＝Ｄｄ（ｈａｇ—ｈｄ。１）

式中：ｉ“为低压过热器出１２Ｉ烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；Ｄｄ

为低压蒸发器的蒸发量，ｔ／ｈ；ＩＩＩｄ。为低压过热器出１３蒸汽比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈｄｌｌ为低压蒸发器饱和汽比焓，ｋＪ／ｋｇ。

中压省煤器的换热方程：

Ｇ（ｉ一一ｉｙ５）７ｔｈ＝（１＋甲）Ｄ，（ｈ。一＾ｄ五）式中：ｔ’ｙ５为低压过热器出口烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈ。为中压省煤器出口给水比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈａａ为低压蒸发器饱和水比焓，ｋＪ／ｋｇ。

低压蒸发器的换热方程：

Ｇ（ｉ，５一ｉ如）ｑ，ｈ＝（１＋擎）（Ｄ。＋Ｄｄ＋Ｄ．）（＾ｄｌｌ一＾ｄ五）

式中：ｉ“为低压蒸发器出口烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；

ｈｄｌｌ为低压蒸发器饱和蒸汽比焓，ｋＪ／ｋｇ；Ｄ．为

烧结机余热锅炉的蒸发量，ｔ／ｈ。

预加热器的换热方程：

Ｃ（ｉ，６一ｉ，７）７／，ｈ＝（１＋９）（Ｄ。＋Ｄｄ＋Ｄ．）

（ｈ，』ＪＩｇ）

式中：ｉ，７为预加热器出口烟气比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈ，为

预加热器出口水比焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈ。为余热锅炉给

水比焓，ｋＪ／ｋｇ。５．２计算假设

以优化选取的烧结余热烟气参数作为给定

条件，根据建立的双压热力系统计算模型，对余热发电系统的蒸汽参数进行优化分析。

为了简化计算分析，对余热发电系统中相关参数假设如下：叩ｔｈ＝９６％；尹＝３％；Ａｔ，＝

２０。Ｃ；Ａｔ。＝２０℃；Ａｔｉ＝１５℃；蒸汽管道压降取

０．１

ＭＰａ；蒸汽管道温降取ｌＯ℃；余热锅炉给水

温度为４２℃；汽轮机排汽压力取０．００８

ＭＰａ；呀。

＝７８％；孙＝７２％；叩ｆ－９７％。余热锅炉内各段

过热器、蒸发器和省煤器之间的压损、温降，漏风系数忽略不计。

５．３计算结果及优化分析

热力系统的蒸汽参数优化主要是温度和压

５２

烧

结

力的优化。

（Ｉ）主蒸汽温度的优化

在相同工况条件下，虽然余热锅炉的蒸发量会随着主蒸汽温度的降低而增加，但总体来看，主蒸汽温度降低会导致汽轮机做功能力降低，并使汽轮机的排汽干度降低，增加机组汽耗率，以致余热系统的发电功率不能增加。因此，

在余热锅炉烟气进口温度波动和传热端差许可

范围内，同时考虑到余热锅炉经济性的条件下，应尽量选取较高的主蒸汽温度，即热端温差尽可能选得小些。

（２）主蒸汽压力的优化

在给定的假设条件下，并非主蒸汽压力越

高，整个系统余热有效利用率就越高，同样存在主蒸汽优化问题。

由图５可知，在相同的主蒸汽压力条件下，冷却机余热锅炉的两段进口烟气温度越高，系统的余热有效利用率就越高，进口烟气温度每提高２０℃，１】增加约０．７％。在余热锅炉进口烟气温度为３７５℃和３００℃的同等工况下，主蒸汽压力从１．０ＭＰａ增加至３．０ＭＰａ，Ｔｌ随压力提高先较快增加，随后变化渐缓，存在最佳主蒸汽压力为１．９ＭＰａ。进口烟气温度不同，最佳主蒸汽压力也不同，图５中三个工况下，进口烟温由高到低，其最佳主蒸汽压力分别为２．３

ＭＰａ、１．９

ＭＰａ和１．６ＭＰａ，最佳主蒸汽压力也降低。

ｌ＿◆＿７－况１

＋工况２

１●Ｐ工况３

９

８５

ｄ；：三；磊罢；ｌ。．ｔ：＝。３。５。５℃＂Ｃ，Ｔ。ｍｌ：＝。３。９。５＂℃Ｃ

８

７．ｆ，＿一一一一一一一

６毋Ｊ，ｌ王

，

．．．．．

７

６５

一／．一一一一

’－／Ｉ

一一’

６

Ｓ

－，＿

５

５

０．５

１１．５２２．５３３．５

主蒸汽压力Ｐ／ＭＰａ

圈５

Ｐ和△Ｔｉ。对孽的影响

由图６可知，窄点温差越小，在同等主蒸汽压力条件下，系统的余热有效利用率就越高。窄点温差从２０℃降至ｌＯ℃，在主蒸汽压力均为２．０ＭＰａ的工况下，ＴＩ由７．１９％增加至

球

团第３６卷第３期

７．６６％。在窄点温差相同的条件下，主蒸汽压力由１．０ＭＰａ提高至３．０ＭＰａ，１ｌ也随之先快速增加后渐缓。窄点温差分别为１０℃、１５℃和２０℃时，最佳主蒸汽压力分别为２．２ＭＰａ、２。Ｉ

ＭＰａ和１．９

ＭＰａ。

８

７．５

芝

７

ｆ

６．５６５．５

０

图６

Ｐ和△Ｔ：对叩的影响

由图７可知，在其它条件相同的工况下，随着主蒸汽压力增加，蒸汽过热度降低，汽轮机的排汽干度随之降低，对汽轮机末级叶片的安全性和经济性不利；同时汽轮机的进汽比容减小，高压叶片损失增加，汽轮机的内效率也降低。

芝堪、

卜、

《、＾

撼

＼

？’’＇＿●

圈７排汽千度随Ｐ的变化曲线图

综合以上因素，当烧结余热发电系统的进

口烟气温度较高时，为使系统的余热有效利用

率达到最大，可适当提高主蒸汽压力；而考虑到

余热锅炉的经济性，窄点温差需要较高时，则可

选取较低的主蒸汽压力。

（３）补汽压力的优化

—ｅ一烧结机余热锅炉排烟温度

２５０１０２２５

一余热利用率

—％冷却机余热锅炉排烟温度９．５９２００

。。一。一ｐ９÷ｅ母－ｅ

８．５８１７５

●—＿●＿●。●‘●＿－●－●

７．５７＼越赠鐾｝１５０

６．５

１２５

６

５．５ｌＯＯ

５

０

０．２０．４０．６

０．８

低压蒸汽压力／ｌＷａ

图８

Ｐｄ对排烟温度、可的影响

２０１１年第３期肖衍党等烧结余热发电技术及系统的优化分析

５３

由图８可知，随着冷却机余热锅炉低压蒸汽压力的提高，烧结机和冷却机余热锅炉的排烟温度都随之提高，而系统的余热有效利用率则先增后减，最佳低压蒸汽压力为０．３

ＭＰａ。

主烟道烟气的酸露点和尾部几个风箱的风温，

本项目烧结机余热烟气参数最优选取尾部５个

风箱的烟风量；冷却机余热烟气量采用均等法或者不均等法，对系统的发电量影响不大。

由图９可知，低压蒸汽温度从１６０℃提高到２１０℃，系统的余热有效利用率从７．２１１％增加到７．２２７％，略有增大。但一般低压蒸汽的温度选取受限于传热端差和窄点温差，考虑到余热锅炉受热面的经济性，选取过大，会影响系统的经济性。

３）在保证余热锅炉传热端差许可的范围内，考虑到余热锅炉的经济性，烧结余热发电系

统的主蒸汽温度越高越好；主蒸汽压力在不同

工况下存在相应的最佳值，一般来说，烧结余热

发电热力系统主蒸汽压力选取１．６—２．５

ＭＰａ

时，系统的余热有效利用率较大；低压蒸汽温度在考虑了经济性和传热端差的范围内也是越高越好；低压蒸汽压力越高，余热锅炉排烟温度越高，系统的余热有效利用率就越小，故低压蒸汽压力在许可范围内宜取下限。

参考文献

［１】‘张惠宁．烧结设计手册［Ｍ】．北京：冶金工业出版杜，

图９

Ｐｄ对呀的影响

２００８．

［２］王兆鹏，胡晓民．烧结余热回收发电系统现状及发展趋

６结论

１）采用余热有效利用率指标能更准确地评价烧结余热发电系统的性能，从而确定系统改进和优化的方向。

２）烧结余热烟气参数存在一个优化选取过程，烧结机尾部余热烟气量的选取主要受限于

势［Ｊ】．烧结球团，２００８。３３（１）：３１—３４．

［３］汪保平，吴朝刚，顾云松．马钢３００ｍ２烧结机带冷烟气余

热发电工程［Ｊ］．烧结球团，２００７，３２（２）：８～１２．

［４］卢红军，周长强．济钢３２０ｍ２烧结机的余热发电系统［Ｊ】．

冶金能源，２００８，２７（１）：５５—５７，

Ｅ５］路晓雯．烧结余热发电系统炯分析及蒸汽参数优化［Ｄ】．

河北：河北理工大学．２０１０．

（上接第４６页）

烧结终点适当后移；锅炉正常运转后，及时关闭１’、２’放散阀；若遇烧结机临时停机，应及时关小主排风门，防止烧结矿过烧；严格执行环冷双层阀放料制度，确保烟道内不堵料，便于鼓风机风量的进入。

（２）加强设备维护。利用定修机会更换维护环冷机台车密封板，提高密封效果；加强锅炉１‘、２。放散阀的检修，发现变形和破损的及时更换、修补，避免漏风。

６结论

１）宝钢烧结余热锅炉总体运行稳定，蒸汽产量高。投产至今，共生产蒸汽１１２．４３万ｔ，每生产１吨蒸汽，能使工序能耗降低８．３％。

２）水质不好会影响锅炉的使用寿命和安全性。应积极查找原因，采取相应措施予以解决。

参考文献

［１】陈同庆．烧结余热锅炉热平衡分析［Ｊ】．宝钢技术，１９９４，

（４）．１７—１８．

烧结余热发电技术及系统的优化分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

肖衍党， 李晨飞， 韩涛西安思安新能源有限公司烧结球团

Sintering and Pelletizing2011,36(3)

1.张惠宁 烧结设计手册 2008

2.王兆鹏;胡晓民 烧结余热回收发电系统现状及发展趋势[期刊论文]-烧结球团 2008(01)3.汪保平;吴朝刚;顾云松 马钢300m2烧结机带冷烟气余热发电工程[期刊论文]-烧结球团 2007(02)4.卢红军;周长强 济钢320m2烧结机的余热发电系统[期刊论文]-冶金能源 2008(01)5.路晓雯 烧结余热发电系统(火用)分析及蒸汽参数优化 2010

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