烧结余热发电系统分析
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烧结余热发电系统分析
1.1烧结余热发电系统
余热发电系统是利用余热回收装置将烟气产生的动力蒸汽来驱动冷凝发电机组产生电能。该系统包括烟气系统和热力系统两部分。
其工艺流程是环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出约160℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。同时将处理过的水经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，使其达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电[5]。余热发电系统流程图如图1.1所示：
图1.1 烧结余热发电系统流程图
1.1.1余热发电烟气系统流程
在余热发电机组正常运行时，原有烧结环冷冷却风机停运，启动循环风机，烟气由开式排放变成闭式循环，可进一步提高余热锅炉进口烟气温度并稳定烟气工况参数，锅炉出口烟气温度150℃左右，通过循环风机再次鼓入环冷机入口风箱，代替常温空气冷却烧结矿，烟气再循环系统是本系统中采用的核心技术，烟气再循环技术可以提高余热锅炉进口烟气温度，增加余热回收量，还使烧结矿的急冷破碎较少，提高烧结矿的品质，利于后续的炼铁工艺[2]。烧结余热发电烟气系统流程如图1.2所示：
图1.2 烧结余热发电烟气系统流程
1.1.2余热发电热力系统流程
余热发电热力系统是生产用水进入软化水车间进行软化，除氧器将水中的氧脱掉，之后经过给水泵进入余热锅炉的对流管束中，通过余热锅炉的高温烟气将对流管束中的水加热，时期达到过热蒸汽状态，再经过保温管道进入汽轮机组推动叶轮转动，带动发电机发电，最后水流入冷凝器，在打入除氧器循环使用，热力系统流程图如图1.3所示：
图1.3 烧结余热发电热力系统流程图
图1.4 烧结余热发电烟气系统工艺流程
1.2烧结余热发电烟气系统
烧结余热发电烟气系统流程如图1.4所示，环冷段的中低温烟气通过烟气管道分别进入余热锅炉的中、低温烟气入口，在锅炉内换热回收热量后，余热锅炉排出的约150℃烟气，将余热锅炉排出的低温烟气收集后，通过循环风机鼓入环冷段下部代替常温空气冷却烧结矿。循环风机设置冷风吸入口，当余热锅炉正常工作时，余热锅炉排出收集的烟气经循环风机增压后，鼓入环冷机下部冷却烧结矿。当余热锅炉停机检修时，打开冷风吸入口的阀门，循环风机鼓入常温空气冷却烧结矿[6]。烟气再循环显著提升了环冷机一区、二区中低温烟气的品质，提高了余热锅炉的能量回收效率，增加了发电量，减少了含尘烟气直接排空，提高了烧结矿料品质[7]。
1.3烧结余热发电热力系统分析方法
常规发电系统常采用抽汽回热系统，在余热发电系统中，汽轮机抽汽回热虽然可以提高给水温度、汽轮机效率，但会提高余热锅炉排烟温度，降低余热锅炉效率，相互作用的结果将降低发电系统的热效率，因此余热发电系统一般不设置回热系统，下面对余热发电系统进行热力学分析。
1.3.1建立数学方程
（1）从热力学角度来考虑，余热锅炉中的每一个模块就是一个烟气放热和汽水吸热的能量平衡方程[8]，即：
Q烟气放热 = Q汽水放热
（2-1）
结合余热锅炉的T-Q图，将这一能量平衡方程具体应用到每一个模块，图1.5是典型的余热锅炉T-Q图，是研究余热锅炉热力特性的基础。
对蒸发器和过热器区段：
G(i1－i3) = D(h1－h3w)
（2-2）
通过此公式也可计算出锅炉的蒸汽量：
D = G(i1－i3) / (h1－h3w)
（2-3）
对于省煤器区段： G(i3－i4) = D(h3w－h4)
（2-4）
图1.5 余热锅炉中的T-Q图
因此可推出对于整个锅炉：
G(i1－i4) = D(h1 – h4)
（2-5）
式中，G—烟气流量，kg/s；
D—蒸汽流量，kg/s；
i1 i2 i3 i4—余热锅炉各区段的出口烟气焓，kJ/kg；
h1—过热蒸汽出口蒸汽焓，kJ/kg；
h3—省煤器出口水焓，kJ/kg； h4—省煤气进口水焓，kJ/kg。
（2）余热锅炉的热效率ηh为余热锅炉利用的能量与输入余热锅炉的能量之比[8]，即：
ηh = D (h1 – h4) / G(i1 – ie) = G(i1－i4) / G(i1 – ie)
（2-6）
如果认为在余热锅炉的整个温度范围内，烟气的比热近似相等，同时忽略余热锅炉保温热损失的影响，则上式可表示为：
ηh = (θ1－θ4) / (θ1 – te)
（2-7）
式中，θ1—烧结预热的烟气温度，℃；
θ4—余热锅炉的出口温度，℃；
te—环境温度，℃。
1.3.2窄点温差和接近点温差
图1.5表明了余热锅炉各个受热面的换热量和每一点上汽水和烟气的温度。在不带补燃循环中，烟气温度与蒸汽或水的温度最接近的点，是烟气从蒸发器离开的地方。图中δp是窄点温差，即烟气的温度与进入蒸发器的饱和水的温度的差值，通常是整个余热锅炉中烟气侧与工质侧温度差的最小点。窄点温差的合理选择是设计余热锅炉的重要因素之一[9]。如果窄点温差过小，虽然余热锅炉的蒸汽参数会提高，吸热量增加，但是它会造成平均传热温差减小，从而导致受热面积增加，相应的增加成本。
图中的δt是接近点温差，即省煤器出口的水温与相应压力下的饱和水温之间的差值。为了避免余热锅炉的省煤器内发生给水汽化现象，在设计余热锅炉是总是要求省煤器的出口水温略低于其相应压力下的饱和水温。
1.3.3余热锅炉的排烟温度
根据方程(2-3)和(2-4)可以得出余热锅炉的排烟温度，并且有着两个方程可以看出：当主蒸汽参数提高时，余热锅炉的排烟温度也随之升高，其主要原因在于，当主蒸汽参数升高时，余热锅炉的蒸发量减少，锅炉的给水量就随之降低，直接导致省煤器内的吸热量减少，所以余热锅炉的排烟温度就会很高。因此，余热发电系统通常采用双压和闪蒸系统来降低余热锅炉的排烟温度；对于带补燃装置的余热锅炉，其排烟温度也较不带补燃装置的余热锅炉的排烟温度低，这点将在以后章节详细论述。
1.3.4汽轮机的热力学计算
汽轮机的进气参数由烧结烟气的温度值来确定，一般来讲，进入汽轮机进口的蒸汽初温应是烧结烟气温度减去余热锅炉中的传热温差（一般为25~50℃）。汽轮机的进气压力比余热锅炉主蒸汽压力低5%~10%，从而可以确定余热锅炉的主蒸汽压力[10]。
（1）汽轮机的相对热效率
汽轮机组的相对热效率是汽轮机的有效焓降与等熵焓降(绝热焓降)之比。
ηi = (h0 – hc) / ( h0 – hnl)
(2-8) 式中，h0—汽轮机进气出焓，kJ/kg；
hc—汽轮机实际排气焓，kJ/kg；
hnl—汽轮机理想过程(等熵过程)的终焓，kJ/kg；
（2）汽轮机的内功率Pi[11]
Pi = D0(h0 – hnl) ηi / 3.6
(2-9)
式中，D0—汽轮机的进气量，t/h；
ηi—汽轮机的相对内效率；
（3）汽轮机的轴端功率Pe
Pe = Pi ηm
(2-10)
式中，ηm—汽轮机的机械效率；
（4）发电机功率[12]
Pel = Pe ηg
(2-11)
式中，ηg—发电机效率；
（5）汽轮发电机组的绝对电效率
ηa,el = (h0 – hnl) ηel / (h0 – hc´) (2-12)
式中，hc´—汽轮机排气压力下的饱和水焓，kJ/kg；
（6）汽耗率和热耗率
汽耗率是指每生产1kW·h所消耗的蒸汽量，用d来表示：
d=1000D0 / Pel
(2-13)
热耗率是指1kW·h电能所消耗的热量，以q来表示：
q = d(h0 – hc´)=3600(h0－hc) / (h0 – hnl)
(2-14)
1.4烧结余热发电四种热力系统热力学分析
目前烧结余热发电工艺有如下四种系统：烧结余热发电双压系统、烧结余热发电单压系统、烧结余热发电闪蒸系统以及烧结余热发电带补燃系统[5]。下面对烧结余热发电这四种系统进行热力学分析。
1.4.1烧结余热发电双压系统
双压系统是采用双压余热锅炉和单级补汽的汽轮机发电系统，如图1.6所示。该系统按照能量梯级利用的原理，余热锅炉设置两个汽包，在受热面布置上顺着烟气流动同方向依次布置了过热器、高压蒸发器、二级（高压）省煤器、低压蒸发器、一级（低压）省煤器，给水泵将除氧水分别升压到高、低压省煤器，进入两个压力不同的汽水循环在余热锅炉中生产两种不同压力的蒸汽：主蒸汽和低压蒸汽。低压蒸汽作为补汽进入汽轮机中部与主蒸汽一起推动汽轮机做功发电。由于采用这种双压结构，锅炉排烟温度能降到110℃左右。
下面以安阳钢铁集团有限公司360m2烧结机双压系统为例介绍热力系统分析[12]。该系统主蒸汽温度为335℃，主蒸汽压力为1.62 MPa，余热锅炉进口废气温度360℃。 图1.6 烧结余热发电双压系统
（1）选定高压段汽包压力并查取相应的饱和温度
高压段汽包压力可按余热锅炉主蒸汽压力105%选取为1.751MPa(汽包压力在不大的范围变化时对蒸汽循环部分的热经济性影响相当小)[8]；
（2）选取窄点温差及确定蒸发段出口排气温度
取窄点温差12℃，余热锅炉蒸发段出口排气温度为241.09℃，其后便可确定余热锅炉蒸发段出口气温，根据公式(2-2)可以计算出锅炉进气温度到高压段蒸发段出口排气温度时的放热量Qy1 ：
Qy1 = G(i1－i3) = G ρy cy(θ1－θ3)
=(20+20)×104 ×1.168×1.2×(360－241.09)
=772439636 kJ
式中，G—360m2环冷机的烟气量，Nm3/h；
i1—360m2环冷机烟气进入余热锅炉的焓值，kJ/kg；
i3—余热锅炉蒸发段出口焓值；
cy—烟气温度为360℃的平均比热容，1.4
kJ/kg·℃；
ρy—烟气的平均密度，1.168 kg/m3；
