电炉烟气余热发电系统的优化设计

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1、电炉烟气余热发电系统的优化设计王政伟;史万涛;任向南;王海林;王叶飞【摘 要】本文分析了电炉烟气余热回收的难度和研究现状,针对电炉烟气的特性,提 出了中压过热蒸汽余热发电系统,分析了其需要解决的关键技术问题，并对100 t电 炉余热发电系统的经济效益进行了分析,结果表明该系统具有良好的经济和社会效 益,对各企业开展余热发电具有重要的参考价值.期刊名称】节能技术年(卷),期】2015(033)005【总页数】4页(P457-459,463)关键词】 电炉;烟气;余热回收;发电系统;优化设计【作 者】 王政伟;史万涛;任向南;王海林;王叶飞【作者单位】 常州大学石油工程学院,江苏常州213016;

2、常州大学石油工程学院,江 苏常州213016;常州大学石油工程学院,江苏常州213016;常州大学石油工程学院, 江苏常州213016;常州大学石油工程学院,江苏常州213016正文语种】 中 文中图分类】 TK11+5Key words：the electric furnace;flue gas;waste heat recovery;power generation system;optimal design电炉冶炼过程中产生的大量热量随烟气排出，高温烟气造成的热损失已达21%， 它是电炉炼钢最主要的热损失项1。虽然电炉炼钢技术发展迅速，但是由于电炉烟气温度高、波动性大、 粉尘多等特点，余

3、热回收利用的难度很大。传统的烟气处理方式，不仅不能回收高 温烟气中的显热，还消耗了大量电能，带来了庞大的建设费用和运行费用2-4。为了充分利用烟气的余热，国内外学者和企业一直在研究电炉烟气余热回收技术及 产品开发，目前投入工程应用的有废钢预热和余热回收生产饱和蒸汽两种方式。常 用的废钢预热为Consteel型（水平通道预热），可以连续加料、预热，但也存在预 热后的废钢温度不均、有害元素富集等不足5。近年来，利用热管余热锅炉生产饱和蒸汽受到了广泛关注，并已在很 多钢厂投入运行，但受烟气进口温度的限制，热管余热锅炉产生的蒸汽压力较低， 只能供炼钢车间RH、VD等真空精炼装置使用，总的余热利用效率不

4、高6-9。随着炼钢企业电炉容量的扩大，加之国家对节能减排要求的进一步 提高，电炉烟气余热回收系统应具有较高的安全性和经济性。根据电炉烟气的特点，常州大学联合有关单位优化设计了电炉中压过热蒸汽余热发 电系统。该系统由余热产汽、蒸汽稳定过热和蒸汽做功发电三部分组成，产汽部分 由余热锅炉的强制水循环辐射受热面、自然水循环的对流蒸发面、省煤器和汽包组 成；蒸汽稳定过热部分由蓄热器、过热炉、管道及附件组成；蒸汽做功发电部分由 汽轮机、发电机、冷凝器、凝水泵、除氧器和给水泵组成，其余热发电系统如图1 所示。烟气流程：从电炉出来的高温烟气进入水冷弯管烟道，降到1 oooc后进入余热锅 炉，依次经过其燃烧沉降

5、室、蒸发器组、省煤器后，温度降至200C以下，进入 除尘器除尘后，由引风机引入烟囱排入大气。汽水流程：凝结水和补水汇集到除氧器，经除氧循环泵送入水冷弯烟道，加热到对应压力下饱和温度回到除氧水箱，再经给水泵打到省煤器加热接近饱和状态进入汽 包；一部分水由强制循环泵送到燃烧沉降室中的辐射受热面，加热汽化后回到汽包， 进行汽水分离后，再进入下一个强制水循环过程；另外一部分水通过下降管进入下 集箱，分配到各个蒸发管组吸热汽化，通过导汽管回流到汽包，经汽水分离后再进 行下一个自然水循环。饱和蒸汽从汽包引出到蓄热器内储存；从蓄热器引出的饱和 蒸汽进入过热炉过热到过热蒸汽，再引到汽轮发电机组，过热蒸汽在汽轮

6、机内做功 后部分进入凝汽器凝结成凝结水，另一部分低压蒸汽从汽轮机中抽出供热用户使用。电炉在冶炼过程中，排出烟气的温度、流量、含尘量都在不断变化，然而，蒸汽发电系统是一个稳定连续的过程，为了保证发电系统的安全、稳定运行，根据工程实 践和理论分析，电炉烟气余热发电系统应解决以下关键技术问题。电炉烟气的温度和流量变化剧烈，若余热锅炉的额定蒸发量选择过小，会影响余热锅炉的安全运行；额定蒸发量选择过大，会造成余热锅炉的成本过高，影响其经济 效益。在设计电炉余热锅炉时，笔者按烟气的平均流量和最大流量来确定余热锅炉 的额定蒸发量。平均流量按式(1)计算i时间ti内烟气的流量/Nm3h -1；t电炉炼钢一个周

7、期的时间/min;n在电炉一个周期的温度时间段。额定蒸发量Vy的计算式为弯烟道是连接电炉和余热锅炉的一段烟道，由于电炉出口烟气温度很高而且变化剧 烈，容易导致超温爆管事故，因此弯烟道需采用水冷却。为了充分利用烟气的余热， 将除氧器中的水经除氧泵送入弯烟道前端，逐步加热到对应压力下饱和温度后，从 弯烟道的后端回到除氧器，既满足了水冷烟道的可靠冷却，又提高了余热回收效率。除氧器采用大气式除氧器，工作压力为0.02 MPa，工作温度为104工。凝结水和补水进入除氧头，通过小孔形成表面积较大的细水流，部分加热蒸汽从下部进入汽室，与细水流逆向流动并加热到一定温度汇集到除氧水箱的上部，经除氧泵的进口 进入

8、弯烟道，加热到饱和状态后进入除氧水箱的下部。电炉余热锅炉采用水平烟道式结构，根据烟气的流程依次布置燃烧沉降室、三组蒸发器和省煤器：燃烧沉降室布置强制水循环的辐射受热面，汽包底部的烟道内布置对流蒸发器组和省煤器。水平烟道式结构使烟气均匀、平稳地通过，受热面方面支 吊，对于烟气的剧烈波动具有良好的适应性。余热锅炉的有效利用热量可表示为10申余热锅炉的保温系数；、Iy余热锅炉的进、出口烟气总焓/kJkg-1。余热锅炉的饱和蒸汽的产量按式(4)计算ibq饱和蒸汽焓/kJkg-1；igs余热锅炉给水焓/kJkg-1。根据余热锅炉的整体设计和烟气温度的分布特点，燃烧沉降室内烟气温度很高，且 距余热锅炉的汽

9、包较远，其辐射受热面采用强制水循环方式，在四周和顶部布置蛇 形管结构的受热面，并采用高循环倍率来适应负荷的剧烈变化。余热锅炉的对流蒸 发受热面布置在汽包下面的水平烟道内，采用自然水循环的三级蒸发器加省煤器， 可以更好的适应电炉运行变化情况，同时大幅降低电耗。由于电炉烟气的不稳定性，造成余热锅炉产汽的不稳定，为了确保汽轮发电机的安 全可靠性，采用蒸汽蓄热器来稳定蒸汽的流量和压力。蒸汽蓄热器设计的关键就是 水容量的确定，其水容量应根据汽包的压力、最大产汽量、平均产汽量以及蓄热器 输出蒸汽的压力和流量来确定，计算式为G蓄热器的蓄热量/kJ ;P充水系数，一般取0.750.9 ；g0单位蓄热能力，即1

10、 m3饱和水从充热压力p1降到放热压力p2时所产生的蒸汽量/kgm-3。蓄热器的低压饱和蒸汽压力低，湿度大，直接发电效率很低，而且对汽轮机的安全 运行造成较大的危害。因此该发电系统用过热炉将饱和蒸汽过热到400工以上， 再进入汽轮机组进行发电做功。过热炉利用炼钢行业富有的高炉煤气作为燃料，采 用烟气再循环，将排烟与高温燃烧气体混合到1 200工左右再进入换热面，以确保 前置过热器的安全运行并提高了过热炉的热效率。根据某钢厂100 t电炉烟气的温度和流量变化，经过计算和优化设计，得到余热发 电系统的主要参数汇总于表1。电炉烟气余热发电系统采用6 MW汽轮发电机组，年工作小时按6 000 h计，每

11、 年可发电3 600万kWh;从能源利用的角度看，电炉烟气余热发电系统每年节约 标煤1.28万t，其经济效益分析如表2所示。本文介绍了电炉中压过热蒸汽余热发电系统，分析了烟气参数的确定、弯烟道的可 靠冷却和余热的充分利用、余热锅炉优化设计、采用蒸汽蓄热器来稳定蒸汽的流量 和压力、采用过热炉过热蒸汽等关键技术问题，对于发电系统的稳定连续运行具有 重要意义，同时计算了电炉烟气余热发电系统的主要参数，并对其经济效益进行了 分析，结果表明该发电系统具有良好的经济和社会效益。1 陈家庆，王波，吴波，等标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟J.实验流体力 学,2008(2):51-55.2 孙淮清汪建中流

12、量测量节流装置设计手册J启动化与仪表,2006,21(2):25-.3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准管理委员会.用安装 在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量:GB/T2624.2-2006S.北京：中 国标准出版社，2006.4 MCIVER A, PETERS R.The use of a V-cone fuel flow meter to measure the coke oven gas and natural gas flow in a combined heat and power plant; proceedings of the IDEA 95th

13、Annual Conference & Trade Show,Seattle,Washington,June,F,2004C.5 HUANG S,MA T,WANG D,et al.Study on discharge coefficient of perforated orifices as a new kind of flowmeter J.Experimental Thermal and Fluid Science,2013(46):74-83.6 钟伟朋晓纺锤体流量计的流场数值模拟J.计量学报,2008,28(3):5-262.7 朱家骅，叶世超,夏素兰化工原理(上册)M.北京:科学出

14、版社,2001.8 VERSTEEG H K,MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics:the finite volume methodM.Pearson Education,2007.9 丁源汪清.ANSYS ICEM CFD从入门到精通M.北京清华大学出版社,2013.10 SHAH M S,JOSHI J B,KALSI A S,et al.Analysis of flow through an orifice meter:CFD simulationJ.Chemical Engineering Science,2012,71(0):9-300.11 程勇,汪军,蔡小舒低雷诺数的孑L板计量数值模拟及其应用几计量学 报,2005,26(1):9-57.12MANSHOOR B,NICOLLEAU F C G A,BECK S B M.The fractal flowconditioner for orifice plate flow metersJ.Flow Measurement andInstrumentation,2011,22(3):14-208.13于洪仕，张涛，赵珊珊，等多孑L孔板流量计流场仿真几天津大学学报:自然科学与工程技术版,2014,47(1):61-66.