1.3MPa烧结余热锅炉设计开题报告

文献综述

一、前言

近年来，面对严峻的能源危机，我国在十一五期间，先后发布了《节能减排综合性工作方案》、《可再生能源中长期发展规划》、《中国应对气候变化国家方案》，一方面要求大力发展可再生能源，另一方面要抓好重点节能工程。我国钢铁工业在经济快速发展的带动下，近几年取得了突出的进步。十二五规划中指出，我国在节能减排方而主要存在能源利用率总体偏低的问题，其中钢铁行业能耗最高，超过国际先进水平10%一20%.余热回收作为钢铁行业节能减排的有效方式之一，需要大力推广并提高其能源利用率。节约能源对保证我国经济的快速发展、提高经济效益、推进技术进步、合理利用资源、减少环境污染、提高人民生活水平等起着重要的作用，也是实现我国经济增长方式从粗放型向集约型转变的重要途径和实施可持续发展战略的必要措施[1]。

二、国内现状

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是实现我国工业化的支撑产业，也是资源、能源密集型产业和高耗能行业之一。烧结是我国铁矿粉造块的主导生产工艺，是整个钢铁生产流程中重要的一环。烧结工序的物料处理量在钢铁联合企业中处于第二位仅次于高炉炼铁，是现代钢铁制造流程中物质流、能量流最大的工序之一[1]。在整个钢铁生产流程中，烧结工序能耗较高，仅次于炼铁工序，一般约占总能耗的10%左右。2009年12月，工业和信息化部发布了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》。该方案准备从2010至2012年，在全国重点大中型钢铁企业的80余台烧结机上推广烧结余热发电技术，计划将钢铁行业的烧结余热发电比例提高到20%，实现节约近160万t标准煤[2]，进一步降低钢铁企业生产成本，提高综合竞争力。现在国家大力提倡发展循环经济和节能减排技术，烧结的余热回收越来越受到重视。据有关数据统计，在烧结生产过程中，可供利用的余热占钢铁总热耗的12%。目前，我国烧结工序余热利用率还不足。30%，与发达国家相比差距非常大，每吨烧结矿的平均能耗要高20千克标煤。由此可见，我国烧结节能的潜力很大[3]。据不完全统计截止2010年底，全国钢铁企业已建成烧结余热发电机组27套，涉及到23家钢铁企业的53台烧结机，总烧结面积14370㎡，发电机组总装机容量为484MW[4]。利用余热资源要从多方面考虑，王政伟[5]在文中提到了废气源热泵在烧结余热回收系统中的应用，实验表明该技术能有效降低烧结工序能耗，为企业降本增效做出了贡献，同时也开辟了中、低温废气余热利用的新途径，推动了我国在余热利用领域的技术进步。

三、国外现状

国外很早就对烧结余热的回收利用进行了研究。日本由于资源稀少，就更加注

重节能，其余热利用技术位于世界的领先地位。而且日本也是世界上最早利用冷却

机废气产生蒸汽来发发电的国家。早在20世纪80年代中期，余热回收技术就在日本得到了广泛应用，其中冷却机废气余热利用的普及率达到57%，而烧结机主烟道烟气余热利用的普及率也达到了26%[6]。毛虎军[7]在文中提到了日本烧结余热发展的历史。德国蒂森钢铁公司的余热回收系统是将三级循环冷却器安装在3号烧结机的卸矿处和冷却机排气罩上，其出口与电除尘相连，除尘器的气流量为285000m/h，平均温度为200℃，粉尘含量低于30mg/m,这种余热回收方式主要利用冷却机废气余热预热烧结点火助燃空气[6]。目前，日本的余热回收技术可分为用于余热混合料;用于点火升温;用于产生蒸汽等几种[6]。国外先进钢铁工业的余热资源回收率一般在50%以上。

四、余热资源及余热利用

1余热资源

余热属于二次能源，它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物，是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。车辆尾气产生的余热我们也可以进一步的加深利用[8]。在赵钦新[9]文献报告中写到余热资源具有以下特点：（1）热负荷不稳定。（2）烟气中含尘量大（3）热源有腐蚀性（4）安装场所固有条件的限制。一般认为，企业的余热资源指:在生产过程中各种用能设备及产品排放或携带出的有回收价值的热量或压力能量等[6]。例如数据显示，利用生物干燥的余热资源可以有利于清洁能源的产生和可再生资源的发展，可以使得成本降低，能源利用率提高[10]。

2余热资源利用技术有

（1）水泥窑纯低温余热发电技术（2）工业炉余热利用技术（3）余热锅炉技术（4）具有相变换热的余热利用技术（5）热管技术（6）基于其他工质的余热利用技术（7）火力发电厂余热利用技术

3余热锅炉的形式和特点

余热锅炉通常由省煤器、蒸发器、过热器、再热器(有再热蒸汽循环时)以及集箱和锅筒组成。它与常规锅炉的最大不同点存在于加热热源的不同，余热锅炉的热源可以是高温烟气余热、化学反应余热、可燃废气余热甚至是高温产品余热。按汽水循环方式可分为强制循环和自然循环两种[6]。热反应器和废热锅炉在硫磺回收装置的操作可以被认为是一个单一的塞流反应器。热反应器和废热锅炉在硫磺回收装置的操作可以被认为是一个单一的塞流反应器。热反应器是绝热部分，而非绝热的锅炉[11]。

五、烧结余热锅炉

5.1烧结余热

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入大气，既浪费了热能又污染了环境。由于烧结废气的温度不高，以往人们对这部分热能的回收利用重视不够。烧结工序能源消耗中固体燃料消耗占比最大，达到80%以上据有关研究表明，烧结余热资源约占烧结工序能耗的一半左右，主要包含两部分:冷却机废气余热和烧结机主烟道烟气余热[12]。因此，加强烧结余热回收是烧结工序节能工作的一个重点。

5.1.1烧结余热发电基本原理

在烧结的初级阶段，粉尘与粉尘中的高氯化物质的烧结是明显的蒸发-冷凝的机理[13]。来自于烧结生产的热废气通入锅炉进行热交换，然后利用其中的水作为载体转换产生蒸汽，再通过蒸汽推动汽轮机带动发电机实现发电[2]。

5.1.2烧结余热发电工艺流程

由三部分组成烟气回收及循环系统、锅炉系统、汽轮机及发电机系统。烟气回收系统主要由烟囱、烟气引出管、烟气流量控制阀和烟筒的遮断阀构成。烧结矿在环冷机上通过鼓风进行冷却，底部鼓入的冷风在穿过热的烧结矿层时与热烧结矿进行换热，产生大量的高温废气。将这些高温的废气通过引风机引入锅炉，加热锅炉内的水产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动带动发电机发电。主要功能是利用循环风机产生的负压将带冷机烟罩内温度较高的烟气引到锅炉内，同时避免外界的冷风进入锅炉。锅炉系统是余热回收的核心，在锅炉受热面上，高温烟气将热量逐级传递给受热面内的水生成蒸汽。汽轮机及发电机系统将蒸汽携带的能量转化成电能，最终完成余热能向电能的转化[14]。

5.1.3烧结余热的特点

胡长庆[15]通过实验指出烧结余热的一下特点：烧结机高温废气集中在机尾的5个风箱，温度在200一450℃，平均温度约350℃；废气含尘量较高；含有一定量的二氧化硫气体。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:烧结余热热源品质整体较低，低温部分所占比例大；废气温度波动大；热源的连续性难以保证[16]。

5.2烧结余热锅炉

5.2.1烧结余热锅炉的生产工艺

烧结厂应用的余热锅炉主要由汽水系统以及烟风系统这两个主要系统组成，所谓的汽水系统主要包括中压汽水系统以及低压汽水系统这两个主要部分，烧结余热锅炉中的中压汽水系统的给水主要来自于汽包，汽包通过给水泵提供给中压汽水系统水源，汽包自身带有除氧器。而烧结余热锅炉的烟风系统主要采取了循环流程这一结构，烧结余热锅炉循环风机主要从环冷机抽出来_百八十摄氏度以及三百八十摄氏度烟气，进而为烧结余热锅炉提供一定的燃料，在抽出特定温度的烟气经过烧结余热锅炉以后，其温度也就降低到了一百四十摄氏度，再经过循环风机将其送到环冷机中。在烧结余热锅炉止常运行以及启停的时候，负荷调节也是依靠液力偶合器来实施的，也就是经过将液力偶合器转速很好的改变，进而带动了循环风机，使循环风机改变了转速，将烧结余热锅炉风温以及烧结余热锅炉风压的调节工作很好的实现[17]。

5.2.1烧结余热发电设计和运行中应解决的问题

针对烧结余热的特点，在烧结余热发电系统的设计和运行过程中我们应该重点解决如下几个问题：烧结余热发电机组的装机容量，笔者认为:装机容量按照吨矿15~18.5kW比较合适(此处所指烧结矿包含返矿，即所有进入鼓风冷却的烧结矿)[16]；汽轮机的型号要与热源的品质相匹配；烟气回收系统应设计烟气温度调节机构；烟气回收系统的密封，因为烟气回收系统漏风会大大降低余热回收效率。密封效果的好坏直接关系到烟气温度的高低和余热回收效率的高低[16]；采用烟气循环系统。

5.2.2烧结余热发电热力系统应遵循的原则

(1)相对高温的废气余热应尽可能的生产相对高压、高温的蒸汽从而减少换热温差;(2)对于中低温废气余热，如果为纯余热电站，则应考虑根据废气温度的不同来生产出不同压力、温度的蒸汽，并按压力的级别分别补入汽轮机不同压力的进气口。(3)对于低温废气余热，应首先考虑用低温废气余热取代汽轮机的回热抽气来加热锅炉给水;当低温废气余热量过大时，可以利用剩余的低温废气余热和中温余热来生产蒸汽，然后将蒸汽分别补入补燃锅炉或汽轮机[6]。

六、发展情况与不足及解决方法

6.1余热资源的梯级利用

梯级利用是能源合理利用的一种方式，按余热资源的品位逐级加以利用。热工理论表明，热功转换效率与余热源温度高低有关，一切不可逆过程均朝着降低能量品位的方向进行。因此，余热梯级利用可以提高整个回收系统的能源利用效率，是节能的重要方法和措施。根据能级匹配的原则，把冷却机热废气按品位的不同分段集气并梯级利用，可实现中低品位热能的温度对口与梯级利用。赵斌等[1]通过实验，以唐钢烧结余热回收系统设计参数为基础，对烧结矿显热高效回收装备和工艺进行了研发。依据场协同理论和分段回收梯级利用方法，研发了双螺旋式冷却机和三进气余热锅炉装置。对比发现余热资源的梯级利用使余热资源的利用率大大提高，今后要加强这方面的研究。

6.2分级回收与梯级利用的工艺流程

（1）一级余热回收与利用系统。

该系统设置在第1余热回收区，主要回收温度较高的冷却废气(如即一、二级冷却废气)。将一级冷却废气连同大部分烧结烟气经除尘后通入余热锅炉，产生的蒸汽用于发电;锅炉采用烟气再循环方式，使得锅炉入口的热废气温度提高50℃。这里，冷却废气取的是冷却机前部的废气，即一、二级冷却废气。

（2）二级回收与利用系统。

该系统设置在第2余热回收区，主要回收温度居中的冷却废气(如三级冷却废气)和烧结烟气。温度居中的冷却废气连同烧结烟气可被用于:经除尘后通入点火炉，作为助燃空气;返回烧结机台面，进行热风烧结;通入点火炉前，进行烧结料预热干燥，既降低了点火用燃气单耗，又降低了点火温度，改善料层透气性。实质上，这部分冷却废气取的是冷却机中部靠前位置的废气。冷却废气各段的划分和流量的设置主要取决于梯级利用情况。

（3）三级回收与利用系统。

该系统设置在第3余热回收区，主要回收冷却机尾部温度较低的冷却废气(如四级冷却废气，烧结烟气等)，其主要用于干燥和预热烧结原料，为烧结工艺低能耗高质量创造条件[18]。

6.3利用剩余煤气提高烧结余热发电功率

涂仁辉[19]在文中发现利用了剩余煤气和不合格的余热蒸汽，即提高了发电量，实现了节能减排，又有利于保护环境。经测算余热发电实施补汽后，不合格的余热蒸汽得到充分利用，效率至少提高10%。

6.4大烟道烧结机运用

胡建红在《某钢厂烧结机大烟道余热回收技术探究》中经过试验分析得出了这样的结论项目达到设计能力时，按年运行小时7800h计，年可外供中压过热蒸汽约7.02万t，按照110元/t的中压过热蒸汽价格计算，每年营业收入772.2万元，年运行成本为152万元，年税前利润总额约620.2万元。由此可见，该项目具有良好的经济及社会效益[20]。利用烧结机大烟道余热和冷却机余热，进一步提高烧结吨矿发电指标，将烧结

工序能耗将到最低点，必将为钢铁企业创造更大的经济效益和环境效益。

6.5能够采用单压系统将余热资源充分利用的话，就采用单压系统;如果不能将余热资源充分利用，则采用双压系统;需要采用双压系统时，双压锅炉比闪蒸系统更有效率;采用双压系统时，汽轮机补汽系统设计是关键[21]。

6.6电站运行中普遍存在着漏风率高，无效风量大，导致鼓风机功耗增加;不同温度的热废气汇合后回收，造成热源温度降低，中低品位回收利用较困难;受烧结机作业率等的影响，热源波动大，没有可靠的稳定措施三个难题[1]。

6.7并通过粒子群算法进行求解.根据不同入口余热资源量动态地调整蒸汽参数设定值，从而增加系统对变工况运行环境的适应能力.基于工业运行数据的仿真结果表明，动态优化法可使烧结余热回收系统的（火用）效率提高4%-11%[22][23]。科学合理的余热锅炉受热面布置方案可有效提高余热利用率和降低出口废气(火用)损，而对选定的热力系统再进行蒸汽参数优化可有效降低换热（火用）损，使发电净功率明显增加[24]。

6.8目前烧结余热回收存在的主要问题是烧结烟气和冷却三段冷却废气所携带的显热尚未被利用，将烧结烟气和冷却三段废气余热用于点火煤气预热或锅炉给水预热，可使得烧结机和环冷机利用效率分别提高0.19和0.18[25]。

6.9腐蚀也是在余热锅炉设计和建设中常遇到的问题。特别是硫酸露点腐蚀，在R.Ebara[26]的研究报告中我们可以得知耐腐蚀材料的发展与应用可以更好的改进余热锅炉。

七、结论

随着现代工业的迅速发展，能源问题变得日益突出和严峻。近几年来，烧结余热发电技术得到迅速发展，越来越多的烧结余热发电技术开始应用到各个钢铁企业，因而余热发电技术将有着广阔的发展前景。然而，我们还需要进一步地开发和研究烧结余热发电技术，从而针对不同的烧结余热热源，制定出最为合理的方案，并将其广泛地普及到我国钢铁企业当中去。不断地创新和发展才能让我们未来更加美好。

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1、课题内容

本毕业设计的题目为1.3MPa烧结余热锅炉设计，冶金烧结机由于排烟温度高，热量浪费较大,炉体热效率较低，一般烧结机出口烟气温度大约在380℃左右，烧结机热效率很低，本课题结合国家节能减排的大政方针，沿着科研与生产相结合的原则，进行余热生产过热蒸汽，提高系统的热效率。

2、原始设计参数

本课题工艺参数为：热流体为冶金烧结机废气，废气流量为150000Nm3/h,废气进口温度为380℃，要求废气出口温度为140℃，生产1.3MPa300℃过热蒸汽，冷流体为水,给水进口温度为20℃。

3、采取的研究步骤

(1)查找国内外相关文献。

(2)阅读查找的文献并对文献的主要内容进行总结，写出文献综述。

(3)完成开题报告和英文文献翻译。

(4)根据设计内容完成热力计算和结构计算，利用查阅信息完善自己的设计。

(5)根据热力计算结果进行结构设计，并使用CAD软件进行余热锅炉装置部分图纸的设计，所有图纸折合6张以上A1。