烧结工序中低温余热梯级回收利用研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 2.81MB 77 页 15积分

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摘要

烧结余热回收是冶金行业烧结工序节能降耗的主要手段，由于缺乏明确的指导

和完整的技术支撑，目前国内冶金行业烧结工序的余热回收存在单一、不充分等

不合理的现象，未能从企业自身情况入手，综合、合理利用烧结工序的各项余能，

具体表现在大部分企业仅对冷却废气中的高温段进行简单热回收，几乎未回收烧

结废气和低温段冷却废气；一味的追求蒸汽产量，未能合理分配、利用蒸汽，导

致厂区夏天蒸汽过剩，冬天蒸汽不足；回收得到的蒸汽品位较低，只能用来供热，

降低了余热回收后被充分合理利用的可能性。

本文根据“温度对口、能级匹配”的原则，以宝钢不锈钢事业部 1#烧结机中

低温余热回收示范项目为研究对象，通过对事业部 1#烧结机系统的调研、分析，

对技改后的 1#烧结系统进行了全面的热工测试，主要包括烧结机本体热工测试、

环冷机热工测试、余热锅炉热工测试。根据热工测试结果，计算分析了宝钢不锈

钢事业部 1#烧结机的质流、能流和火用流。

同时，利用火用分析方法，针对非回热式余热和回热式余热两种余热，计算分

析了在纯热式余热利用系统、背压式热-动力合用系统、调整抽汽凝汽式热-动力合

用系统以及纯动力利用系统条件下，余热回收的火用经济性。

根据计算分析结果，提出了深入挖掘烧结系统余热回收潜力的多项技改建议，

包括烧结机尾部高温段的烟气余热回收，环冷机中、低温段余热回收，烧结机大

小风量烧结，高效换热、余热发电等措施。结合不锈钢事业部 1#烧结系统的余热

回收技改和余热回收潜力的分析，提出了烧结余热梯级回收利用方法。

关键字：烧结余热梯级回收

ABSTRACT

Waste heat recovery is the primary means of energy saving in metallurgical industry

sintering process.By the reason of the absence of clear guidance and complete technical

support, at present, there is a inadequate and unreasonable phenomenon in waste heat

recovery of metallurgical industry’s sintering process,which is not starting from their

own situation,to comprehensive, rational use the complementary energy of sintering

process.The specific performance is most companies only simplely recove the section

of high temperature cooling exhaust heat,and hardly recove the the sintering exhaust gas

and low-temperature cooling exhaust heat; blind pursuit of steam output,and did not

allocate steam,that’s why steam is excess in summer,but lack in winter; get low grade

steam recovery,which can only be used to heating,so that, reducing the potential of use

waste heat recovery after it be recovered.

According to the rule of “Temperature counterparts, energy level matching”,as

“Baosteel Stainless Steel Division 1 # sintering machine in low-temperature waste heat

recovery demonstration projects” the research object, through the research and analysis

of Division 1 # sintering machine systems,make a comprehensive thermal test after the

technological transformation of 1 # sintering system,including sintering machine body

test, central cooler test, waste heat boiler test etc. According to the results of thermal

testing calculation mass flow, energy flow and exergy flow of the Division of Stainless

Steel 1 # sintering machine.

Meanwhile,with the exergy analysis method,base on the non-regenerative waste

heat and regenerative waste heat, calculated and analyzed the exergoeconomic in the

situation of pure thermal waste heat recovery systems, back-pressure heat - Power

combination system, adjusting the extraction condensing heat - power combined system

and the use of pure power system.

According to the calculation results, propose a number of proposals, which is about

digging the potential of waste heat recovery in sintering system,including high

temperature flue gas heat recovery in the tail section of sintering

machine,middle-temperature and low-temperature waste heat recovery in ring cold

machine, sintering with different size of wind, efficient heat exchanger, Waste heat

power generation and other measures.With the transformation and waste heat recovery

potential analysis, proposed cascade recycling method of waste heat in sintering

process.

Key Word: Sintering, waste heat, recovery ,steps

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

§1.1.课题开展的背景、目的 ................................................................................... 1

§1.1.1.中国能源利用的效率问题及节能潜力分析 ............................................ 1

§1.1.2.余热资源的分布 ....................................................................................... 3

§1.2.冶金行业烧结工序能耗 ................................................................................... 4

§1.2.1.国内重点冶金企业烧结工序能耗状况 .................................................... 5

§1.2.2.宝钢不锈钢事业部烧结工序能耗 ............................................................ 6

§1.2.3.国内冶金企业烧结工序余热回收现状 .................................................... 8

§1.2.4.烧结工序单位产品能耗计算.................................................................. 10

§1.2.5.宝钢不锈钢事业部 1#烧结工序技改前余热状况 .................................. 11

第二章烧结机质量平衡、能量平衡 .................................................................... 13

§2.1.宝钢不锈钢事业部 1#烧结机烧结工艺 ......................................................... 13

§2.2.宝钢不锈钢事业部 1#烧结机余热回收技改措施 ......................................... 16

§2.2.1.余热锅炉余热收系统工艺流程 .............................................................. 16

§2.2.2.热风点火系统工艺流程 ......................................................................... 17

§2.3.烧结机测试 .................................................................................................... 17

§2.3.1.测定体系的确定原则 ............................................................................. 18

§2.3.2.烧结体系热工测试方案 ......................................................................... 18

§2.4.烧结系统质、能平衡 .................................................................................... 25

§2.4.1.烧结机本体质、能平衡 ........................................................................... 25

§2.4.2.环冷机质流、能流 ................................................................................. 29

§2.4.3.余热锅炉质流、能流 ............................................................................. 30

§2.4.4.烧结机测试效率评价 ............................................................................. 31

§2.4.5.烧结系统未利用余能状况 ..................................................................... 32

第三章烧结系统火用分析 .................................................................................... 35

§3.1.能量和火用 .................................................................................................... 35

§3.2.不同形式能量的火用 .................................................................................... 35

§3.2.1.热量火用 ................................................................................................ 35

§3.2.2.化学反应火用 ......................................................................................... 36

§3.2.3.燃料化学火用 ......................................................................................... 36

§3.2.4.燃气的火用 ............................................................................................ 37

§3.3.火用分析方法 ................................................................................................ 38

§3.3.1.不同系统的能量平衡、火用平衡 .......................................................... 38

§3.3.2.火用的评价指标 ..................................................................................... 39

§3.4.烧结系统火用分析 ........................................................................................ 40

§3.4.1.烧结机本体火用分析 ............................................................................. 41

§3.4.2.环冷机火用分析 ..................................................................................... 46

§3.4.3.余热锅炉火用分析 ................................................................................. 48

§3.5.烧结系统余能流能级 .................................................................................... 49

第四章烧结余热不同利用方式火用经济性分析 ................................................. 52

§4.1.余热利用系统热力学模型及合理利用指标 .................................................. 52

§4.2.余热不同利用方式火用经济性分析 ............................................................. 54

第五章烧结余热综合回收利用方法 .................................................................... 58

§5.1.烧结机本体风箱大小风量烧结工艺 ............................................................. 58

§5.2.烧结机尾部 200℃以上烟气余热利用........................................................... 60

§5.3.环冷机敞口段 200℃以上的热废气利用 ....................................................... 61

§5.4.降低余热锅炉排烟温度，提高余热锅炉效率 .............................................. 62

§5.5.余热发电技术提高余能品味 ......................................................................... 63

§5.5.1.烧结余热发电技术 ................................................................................. 63

§5.5.2.以重钢烧结厂为例解析节能减排效益 .................................................. 64

第六章结论与展望 ............................................................................................... 68

§6.1.全文总结........................................................................................................68

§6.2.主要创新点....................................................................................................68

§6.3.工作展望........................................................................................................69

参考文献....................................................................................................................70

第一章绪论

§1.1.课题开展的背景、目的

§1.1.1.中国能源利用的效率问题及节能潜力分析

节能减排是我国能源战略的重要组成部分，是保障国民经济可持续发展和全面

建设小康社会的基本国策之一。我国人均能源保有量是世界最低的国家之一，人

均资源量仅为世界平均水平约 10%，人均耗能量不足世界平均水平的 1/2，但能源

利用率较低。

近年来，我国一次能源消费总量迅速增长。2005 年，我国一次能源消费量为

22.2 亿吨标准煤，仅次于美国 33.38 亿吨标准煤，位居世界第二位，占世界能源消

费总量（150.53 亿吨标准煤）的 14.75%，与 2001 年相比（14.32 亿吨标煤），我国

能源消费量年均增长 11.8%，其中煤炭消费量由 2001 年的 13.5 亿吨上升到 21.66

亿吨。年均增长 12.8%；石油消耗量由 2.28 亿吨上升到 3.25 亿吨，年均增长 9.5%；

天然气消费量由 274 亿立方米上升到 500 亿立方米，年均增长 15.6%。2005 年，

我国一次能源人均消费量相当于世界平均水平的 74.4%，日本的 28.6%，美国的

14.7%，预测到 2020 年我国一次能源消费量将达到 29-39 亿吨标准煤。从能源消费

结构看：一、二、三产业和生活用能分别占 4.4%、69.3%、14.9%和11.4%，凸显

我国正处于制造大国的发展阶段，约 70%的能源消费分布在门类繁多的制造业，

这也正是我国现阶段节能技术发展的重点领域。

我国能源消费存在品种不均，地域分布不平衡等缺陷。其中，化石能源结构以

煤为主，煤占化石能源资源总量的 90%以上，石油、天然气储量较低。我国可再

生能源的储量丰富，有很多的开发利用潜力。其中，可开发水电装机容量为 4.02

亿千瓦，农业生物质能资源量约 3.5 亿吨标煤，可开发风能储量 2.53 亿千瓦，太

阳能理论辐射量 2万亿吨标煤，地热能探明储量 31.6 亿吨标煤。核能资源相对不

足，铀 235 仅够 1500 万千瓦的核电站用 30 年。

从国际比较来看，我国能源人均占有量低，尤其是石油和天然气的前景不容乐

观，煤炭的情况相对较好，与世界人均值基本相当。截止 2005 年，我国煤炭远景

资源约 50000 亿吨，保有储量约 10000 亿吨，探明可采储量由 2000 年的 1102 亿

吨上升到 1892 亿吨，仅次于美国（2466 亿吨），居世界第二位，占世界总资源（9090

烧结工序中低温余热梯级回收利用研究

亿吨）的 20.8%。按照 2005 年开采量计算，我国煤炭储采比为 86 年，美国为 240

年，全世界为 155 年。石油资源短缺，可采储量增长缓慢或负增长。2005 年，石

油探明剩余可采储量约 22 亿吨，世界总储量（1636 亿吨）的 1.3%，居第 13 位。

人均占有量为世界人均值的 6.05%，全世界石油储采比为 40 年，我国仅为 12 年。

近年来，我国天然气储量增长较快。2004 年，天然气探明开采资源量约 2350 亿立

方米，占世界总储量（179.83 万亿立方米）的 1.2%，居第 17 位，人均占有量为世

界人均值的 6%，全世界天然气储采比为 65 年，我国为 47 年。

1980 年以来我国经济进入快速增长期，年均增长 9.4％，而同期能源消费年均

增长仅 4.6％，远低于经济增长速度，能源消费弹性系数 0.49。按此计算，20 年间

累计节约能源 10.2 亿吨标准煤，万元国内生产总值能耗下降 52％左右，年均节能

率达 4.6％。可见我国节能已经取得的成绩是巨大的。

但我国单位产值能耗与国际先进水平相比差距仍然很大。据统计，2000 年按

现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为 1274 吨标准煤，比世界平

均水平高 2.4 倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高 2.5 倍、4.9 倍、8.7 倍和 0.43

倍。

单位产品能耗水平也很高。2000 年，我国电力、钢铁、有色、石化、建材、

化工、轻工、纺织 8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平要高 40%，如

铜冶炼综合能耗高 65%，大型合成氨综合能耗高 31.2%，纸和纸板综合能耗高 120%。

主要耗能设备能源效率较低。2000 年，我国燃煤工业锅炉平均运行效率 65%

左右，比国际先进水平低 15 至20 个百分点；中小电动机平均效率 87%，风机、

水泵平均设计效率 75%，均比国际先进水平低 5个百分点，系统运行效率低近 20

个百分点；机动车燃油经济性水平比欧洲低 25%，比日本低 20%，比美国整体水

平低 10%；载货汽车百吨公里油耗 7.6 升，比国外先进水平高 1倍以上；内河运输

船舶油耗比国外先进水平高 10%—20%。据统计，我国泵、阀、风机，压缩机，换

热器等流体机械能耗占全国工业用电量的 50%以上，其中泵的能耗就占工业用电

量的 20%以上，风机占 10%、压缩机占 8%左右。如全国所有在用的泵运转效率提

高1%,则全年可节电 56 亿度。我国目前泵、风机平均效率约 60-75%左右，均比国

际先进水平低 5-10 个百分点，且使用寿命（平均无故障运行时间）不到国外先进

水平的 1/3。再如我国蒸汽管网系统，系统热能利用率平均只有 30%左右，仅为国

际先进水平的一半。因此，发展推广高效率和高可靠性的泵、阀、风机、压缩机、

高效换热器类产品，对节能意义重大。

能源工业能量转换效率较低。2006 年，我国煤炭总产量 24 亿吨，其中，发电

用煤 11 亿吨，工业炉窑用煤 7亿吨，占煤炭产量的 80％，这些煤炭都是通过大小

第一章绪论

锅炉以直接燃烧的方式进行能量转换。目前我国大型锅炉以 670t/h 、1021t/h 容量

等级为主，平均发电煤耗为 410g/kw·h。“十五”期间，我国引进了 3300t/h 容量等

级燃用烟煤的超超临界锅炉，其煤耗为 268g/kw·h,单耗降低 142g。我国煤种繁多，

煤质复杂，据统计，褐煤储量在动力用煤中约占 30～40％，发展 3300t/h 容量等级

的超超临界褐煤锅炉是实现我国发电节煤的重要途径；我国工业锅炉约 55 万台，

平均运行效率在 60-65％，比发达国家低 15～20 百分点。自动控制水平低，是造

成我国工业锅炉运行效率低的主要原因之一。因此，提高我国工业锅炉、工业炉

窑及气炉、油炉的自动化水平，实现智能化控制是提高工业锅炉炉窑效率，达到

节约能源的重要措施。

我国工业余能的利用水平低。以钢铁行业为例，从高温到中温工业余能梯级利

用潜力很大，必须大力发展余热、余压回收发电利用技术与装备，例如高炉煤气

能量回收透平发电装置（Top Gas Blast Furnace Energy Recovery Turbine，简称 TRT），

通过将炼铁高炉炉顶煤气导入透平膨胀机（煤气透平）做功，使高炉煤气的压力

能及热能转化为机械能、驱动发电机发电实现余能转换；我国钢铁烧结工艺能耗

约占钢铁企业总能耗的 15％，仅次于炼铁工序而居第二位，每吨烧结矿的平均能

耗比国外先进指标高出 19％以上，节能潜力很大。低温余热回收利用更是薄弱环

节，过程工业传统工艺浪费大量低温余热的状况十分普遍，以我国有色冶金行业

的氧化铝和化肥行业的磷酸铵两个产能超千万吨而位居世界第一的产品为例，产

品属性虽大不相同，但浪费低温余热的工艺过程却十分相似：焙烧或产品干燥工

序耗用的一次能源均随 80～100℃的高湿高焓尾气排放，若通过尾气低温余热高效

回收技术使其替代用于溶液浓缩的生蒸汽，可以节约一次能源 10%以上，一个 80

万吨/年规模的氧化铝厂 1年可以节约标煤 5万吨。

§1.1.2.余热资源的分布

据相关单位统计，我国工业部门中可回收的余热资源，石化、化工、钢铁、有

色、建材、轻纺等六大行业占总数的 90％左右，中国余热资源主要集中的工业部

门，如表 1-1。

表1-1 中国的余热资源

工业部门

余热种类

余热温度/℃

设备举例

钢铁工业

焦炭显热

1050

炼焦炉

燃烧矿显热

650

烧结机

燃烧排气余热

250-300

热风炉

转炉煤气

1400

炼钢转炉

低温水

50-70

高炉冷却水

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摘要烧结余热回收是冶金行业烧结工序节能降耗的主要手段，由于缺乏明确的指导和完整的技术支撑，目前国内冶金行业烧结工序的余热回收存在单一、不充分等不合理的现象，未能从企业自身情况入手，综合、合理利用烧结工序的各项余能，具体表现在大部分企业仅对冷却废气中的高温段进行简单热回收，几乎未回收烧结废气和低温段冷却废气；一味的追求蒸汽产量，未能合理分配、利用蒸汽，导致厂区夏天蒸汽过剩，冬天蒸汽不足；回收得到的蒸汽品位较低，只能用来供热，降低了余热回收后被充分合理利用的可能性。本文根据“温度对口、能级匹配”的原则，以宝钢不锈钢事业部1#烧结机中低温余热回收示范项目为研究对象，通过对事业部1#烧结机系统的调研、...

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