65m2烧结带冷机余热锅炉设计A文献综述

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文献综述

一．烧结带冷机余热锅炉的设计研究的意义

.当前能源概况

近年来,我国能源供应出现紧张局势。我国的常规能源资源并不丰富,人均可采储量低于世界平均水平,能源效率低、单位产品能耗量大已成为普遍存在问题,节能降耗已成迫切需要。

节能是一个国家能够可持续发展的关键因素之一，如果我们还坚持传统的能源利用方式，不能使资源有效的循环利用，就会使社会的整个资源环境加剧恶化，并且造成能源的快速枯竭。据可靠资料，我国工业能源的消耗在总体成本中占有最多的份额，而能源的有效使用率仅仅只有三成左右，成本支出比欧洲发达国家高出很多，所以考虑到经济效益，节能设备的推广是势在必行的一大举措。能源的短缺是目前全世界都面临的一项严重考验，在这样一个大背景下谋求发展，开发新新能源是一个方面，更重要的是在节约能源上下足功夫。目前，国内余热节能锅炉的设计和开发已经逐渐成熟，随着社会的发展，人们会越来越发现节能设备是一个必然趋势。

二.锅炉的简介

锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能[1]。

锅炉的分类

①按用途分类：电站锅炉（发电）、工业锅炉（工业生产工艺用汽或供暖）、热水锅炉（民用采暖或供热）。

②按锅炉容量分类：300WM以上的锅炉为大容量锅炉。

③按蒸汽压力分类：低压(p

④按燃烧方式分类：火床炉、煤粉炉（四角燃烧、对冲燃烧、W火焰燃烧）、旋风炉、流化床锅炉。

⑤按蒸发受热面循环方式分类：自然循环锅炉、控制循环锅炉、直流锅炉、低倍率复合循环锅炉，工作原理如图1-2、图1-3[1]。

三.余热锅炉的研究概况

(一)余热锅炉的发展概况

为了提高朗肯循环的效率，有效地与高温燃气轮机相匹配，余热锅炉设计必须在相当高的烟气温度下运行，同时还要考虑匹配越来越大的联合循环中燃气轮机容量的跳跃性增大。为从燃机尾气的余热中回收更多的热量，使得烟囱排烟温度更低，余热锅炉从单压发展到双压锅炉，这个发展将联合循环的热效率提高了近4个百分点，再从双压发展到三压，整个循环的效率又提高了1个百分点。目前，所有的余热锅炉制造商都能提供三压加再热蒸汽系统以达到最高效率。余热锅炉分为立式(垂直烟气通道)余热锅炉和卧式(水平烟气通道)余热锅炉两种。立式余热锅炉起源于欧洲，因欧洲要求占地面积较小，而且对调峰循环运行所产生的热应力敏感度较低;卧式余热锅炉通常在北美地区应用。随蒸发器设计水平的提高，立式余热锅炉不再需要强制循环泵，和卧式余热锅炉相同，属于完全自然循环。立式和卧式锅炉的效率相同[224]。

(（二）余热锅炉的发展方向

首先，基于今天的和预期的经验，客户和供应商将会得到余热锅炉对联合循环电厂的整体RAMS性能作用很大的结论，这将会导致彼此更密切的合作和调整。余热锅炉供应商应通过透明的项目管理、设计控制和整个供应链的优化，以满足客户需要。

其次，由于联合循环电厂的发展，余热锅炉技术在RAMS方面将会得到提高。使用余热锅炉产生的蒸汽冷却燃机叶片的下一代燃气轮机正在研制中，已经实现了燃机与余热锅炉之间的连接，即使用余热锅炉的锅水冷却燃机冷却空气，然后将过热蒸汽送回到余热锅炉。这种新技术将会实现燃机与余热锅炉之间前所未有的连接，蒸汽不仅用作底部循环工作流体，而且作为避免燃机金属升温到破坏程度的冷却剂。对于余热锅炉设计工程师来说，热动力优化并不是真正的挑战，因为目前的三压再热设计已经代表了很高的经济性和热动力性能。提高RAMS性能再次成为目标。特定的目标尤其是:减少低循环疲劳，提高模块化以缩短安装时间，增加车间内的可靠工作以及关键材料比如P91和T91的使用。

第三，不同于传统的庞大三压再热汽包型锅炉的直流式锅炉证实为可以满足市场从基荷向循环调峰运行变化中的要求。从技术上的观点来看，直流式锅炉，尤其是用于循环调峰时，必须采用立式结构。结合Eisenkolb单压系统和大型燃机以及发展良好的直流技术，肯定将提高RAMS性能，同时达到超过60%效率的目标[242627]。

(2).余热锅炉的特点

余热锅炉区别于常规的电站锅炉或工业锅炉的基本点是:它不是依靠燃料的直接燃烧作为能量的源泉其特点是:

1.余热锅炉的工参数(蒸汽发生量、压力、温度等)不能任意选定,而取决于余热来源的技术数据,譬如:烟气流量、烟气温度、烟气成份等;

2.余热锅炉的运行参数随着余热来源的技术数据的变化而变化除非采用辅燃,否则在余热来源的技术数据随时间上下波动时,不能保持余热锅炉运行参数的稳定;

3.余热锅炉的入口烟气是上道工艺过程的排放物,其成份及技术特性是先决的,不能自由选择。所以,余热锅炉的结构设计完全是被动地取决于烟气的特性,

而且,余热锅炉烟气的前道工序(往往是整个工艺流程的主要工序)是多式多样的,所以,对于余热锅炉的设计者来说,研究烟气技术特性是极端重要的任务。除此以外,余热锅炉的设计就与常规饥炉的设计基本相似了[37923]。

(三)烧结带冷机余热锅炉的简介

在烧结总能耗中,冷却机废气带走的显热约占20%~28%。随着能源的日趋紧张,如何有效回收烧结余热,已成为烧结工序节能的重要课题。目前回收的烧结废气余热都用于生产蒸汽,其装置大致有两种:其一是热管式余热回收装置;另一种是翅片管式余热回收装置。由鞍山热能研究院研制开发的翅片管式余热回装置已获得国家专利,并受到使用单位的广泛认同.统计数据表明,烧结工序的能耗占冶金总能耗的12%左右,其中烧结带冷机的排气温度一般在200~400e之间。其所带走的显热占烧结总能耗的30%以上,回收利用这部分热量,是烧结节能的重要途径和发展趋势.[1011]

1热管式余热锅炉

单根热管组成管束，冷却端插入水中，每根套管上部和下部与上、下联箱相连，烟气横向冲刷热管受热侧，热管通过相变传热至上联箱来的饱和水，饱和水吸热变成汽水混合物油上联箱通过总上升管进入汽包，汽水分离后，饱和水通过下降管回至下联箱再次受热蒸发，如此反复循环，将烟气热量传入水侧产生蒸汽[1112]。

⑴热管式余热锅炉回收装置的特点

①热管式余热锅炉的特点：具有传热效率高，阻力损失小，结构紧凑、工作可靠和维护费用小多种优点。

⑵热管的特点

热管的特点：热管内阻很小，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理，例冷热流体之间的热交换在管外进行，并可以方便的进行强化传热[13-15]。

2翅片管式余热锅炉

工艺过程：20℃的软水首先进人省煤器,经平均温度300℃的烟气加热后达到120℃进人汽包,然后,汽包内水流进下降管,经过平均温度为350℃的烟气加热后变成饱和蒸汽由上升管进人汽包,再经过过热器使饱和蒸汽转变成干蒸汽后并网。该系统由省煤器、蒸汽发生器、蒸汽过热器、汽包及各种连接管路五部分组成[16]。

(1)翅片管式余热回收装置的特点

翅片管式余热回收装置与热管式余热回收装置的区别,在于其主体装置不同。翅片管式余热回收装置系采用高频焊接的螺旋翅片管组,管内介质为软水,由管外的热废气加热管内软水使其蒸发而产生蒸汽。它的主要特点如下。

①传热特点

翅片管式余热回收置的传热是通过管壁传导进行的,其热量被直接传递给饱和水进行换热。从换热机理而言,水侧的给热系数远远大于气体侧的给热系数,限制性环节在气体侧。所以,改善气体侧的换热,将提高总的综合传热系数。它属于一次换热。

②结构特点

翅片管式余热回收装置是由若干个联箱组构成,每一个联箱组单独进出汽包,形成简单的自然循环回路。这样的水循环系统具有稳定可靠、热偏差小、较为安全、设备轻、占地少等优点。

③热稳定性及可靠性

在烧结机生产正常情况下,冷却机第一冷却段烟罩的热废气温度在35050℃,根据鞍山热能研究院对冶金系统烧结机进行热平衡测定和现场跟踪调查表明,由于受生产条件的影响,有时烧结饼并未完全烧透,进入冷却机后,受到鼓风又发生二次烧结,此时冷却机第一段排气罩废气温度可高达500~600℃,由此造成冷却机废气温度波动很大。翅片管式余热回收装置的换热管为开路,当温度过高时可补充适量的水,通过增加产汽量使其保持正常工作,避免爆管现象。现场应用表明,翅片管式余热回收装置的温度适应性好,在热废气温度大大超过设计温度时,不必担心发生故障,且生产状况正常。

④检修及维护

生产中当单个蒸发管出现故障时,可以将单个回路封死后继续生产。由于蒸发管数量很多,封死单个回路对产汽量的影响很小。在检修期间,用户可自行修补或更换有关蒸发管,使蒸发器恢复正常。

(2)翅片管特点

翅片管由于具有降低重量尺寸,减少烟气阻力以及节省运行费用等优点,已广泛的用做一些传统锅炉和余热锅炉等的传热部件,至今已有50多年的历史。目前,由于翅片管的使用迅速增长,所以评价翅片管的性能特点及其对热能性能的影响已引起许多制造厂和设计人员的关注。由于翅片管规格的布置的选择取决于无数系数，所以在设计翅片管作传热部件的设备是，必须考虑如下的一些影响性能的因素：翅片管的直径，翅片高度和厚度，翅片节距，单位长度的翅片数量以及翅片材料。为便于手算时使用，计算翅片传热的Robinson和Bsiggs以及计算压降的Briggs和young相关法以公式和图解相结合的形式介绍，而所考虑的翅片几何形状为锯齿和平面形翅片，如图1所示。所考虑的管子布置几何形状包括错列等边，错列等腰，顺利正方形和顺利长方形（如图2所示）。

根据翅片与管子的连接方法，一般有张力连接，机械连接和冶金连接三种，他们的典型截面如图3所示。张力连接：张力连接的翅片管包括：成螺旋形张力把金属带钢环绕在管子上，热压配合把翅片预制在管子上,然后以某种方法胀口使翅片紧密接触。张力连接的翅片通常在比较低的温度中使用；机械连接：机械连接通常先在管子上开槽,并在槽内放置翅片肋,然后对着翅片滚压或滚花移动的管材背面,使翅片与管子紧密连接；冶全连接冶金连接的翅片包括:挤压或滚压管外的翅片,翅片软焊或硬焊到管子上。挤压翅片管的温度极限仅仅取决于管子的物理特性。但是，由于挤压翅片通常限于有色金属材料，所以温度和压力极限与焊接合金钢翅片比较相对要低。大多数焊接的合金刚翅片管目前用电阻焊技术焊接。

翅片的几何形状参考管子上的翅片节距，翅片高度和厚度，翅片外形或表面的特殊变型。翅片高度和翅片节距按给定的适当外侧与内侧受热面积比率来调整。一般来说，翅片节距受翅片侧流体的结垢和传热特性的限制，翅片高度或许受工艺条件和制造技术的限制，翅片厚度是一个几何形状参数，由翅片型式和制造工艺确定。

翅片管规格尺寸通常由管侧压降和传热要求决定，而选用的翅片材料要与翅片侧流体的温度和腐蚀特性相一致。一般在温度不过高过低的空气或无硫的烟气中选用铜和铝作为翅片材料，而在含硫的烟气中选用钢或合金钢作为翅片材料[172528]。

四烧结余热利用实例

1.烧结带冷机余热锅炉的热源：

I以烧结矿在带冷机或环冷机冷却过程中产生的废气的余热为热源；

II以烧结机主排大烟道尾部温度较高的烟气的余热为热源[19]。

2.余热利用的方式

一类是动力利用,即将余热转换为电能或机械能;另一类是热利用,即利用余热来预热空气、干燥产品、供应热水或蒸汽以及供暖和制冷等。目前国内烧结冷却机余热利用一般都采用热利用方式,主要有:将废气返回到烧结料层,作为烧结助燃空气;预热助燃空气作为点火炉的助燃风;通入二次混料机内或点火炉前预热混合料;通过余热锅炉或热管技术产生蒸汽,送入管网。

从能源利用的有效性和经济性角度,利用余热发电或作为动力直接拖动机械是最为有效的余热利用[20]。

3.烧结带冷余热利用的必要性和可行性

①烧结带冷机废气热量占烧结过程热耗约35%,如果将这部分热量加以有效利用,对节能降耗意义重大。

②烧结带冷余热利用的可行性：安钢烧结厂利用带冷高温废气做为点火助燃风提高点火温度已取得一定成效,借鉴安钢的成功经验,通过对一铁厂现状进行现场实际考与测试,带冷一级轴流风机前废气温度在250～350℃之间,理论计算,通过风机送至烧结点火器,助燃风温度可达100～140℃,可提高点火温度30℃以上[2122]。

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