CN108827008B - 一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统 - Google Patents

一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，主要包括烧结环冷机余热回收装置、余热锅炉发电系统和有机朗肯循环发电系统。所述环冷机高温段烟气出口与所述余热锅炉烟气进口连通，所述余热锅炉烟气出口和环冷机低温段烟气出口与所述有机朗肯循环的蒸发器烟气进口连通，所述蒸发器烟气出口与省煤器烟气进口和环冷机高温段烟气进口连通；所述蒸发器工质出口与所述膨胀机工质进口连通，所述膨胀机的出口工质依次进入回热器和冷凝器，所述回热器的低温工质出口与蒸发器工质进口连通。本发明高效回收了烧结余热锅炉出口烟气余热和环冷机低温段出口的150~200℃烟气余热，最大限度的提高了烧结环冷机出口烟气的余热回收率和吨矿发电量。

Description

一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统
技术领域
本发明涉及钢铁行业余热利用技术领域，具体涉及一种烧结环冷机余热综合利用系统。
背景技术
目前，我国钢铁企业中，烧结矿显热的回收主要是通过鼓风式环形冷却机实现的，并且鼓风式环冷机余热回收的方式主要是分段收集冷却空气。以冷却面积为405m2的鼓风式环冷机为例，集风罩沿着环冷台车运行方向可分为5段，依次为环冷一段、二段，直至五段。目前，我国大部分钢铁企业仅对一段、二段和三段出口的烟气余热进行回收利用，将环冷一段、二段出口烟气混合后通入余热锅炉进行动力发电，将环冷三段出口烟气通往烧结机进行热风烧结和混合物料的干燥。由于环冷四段和五段出口的烟气温度低于200℃，很多企业弃置了环冷四段和五段出口的烟气余热资源，但环冷一至三段出口烟气余热量只占环冷机出口烟气余热总量的三分之二，将剩下三分之一的低温烟气余热直接排空，造成了大量余热资源的浪费。
此外，与烧结环冷机配套的余热锅炉出口烟气温度在150℃左右，这部分烟气进入省煤器内预热锅炉给水后的温度也在100℃以上。考虑到环冷机上部集风罩和环冷台车之间存在的漏风问题，若将省煤器出口烟气作为循环烟气通入环冷机一、二段内，还需要补充大量的冷却空气，这样就会导致由于冷热空气混合而造成环冷机一、二段进口烟气温度的不均匀性，降低环冷机一、二段出口烟气的品质，影响后续余热锅炉的余热发电量；若将省煤器出口烟气直接排空又会造成大量余热资源的浪费。
针对以上两部分低温余热利用存在的问题，本发明提出了一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，不仅能够保证环冷机一、二段进口烟气的流量和温度，提高环冷机高温段出口烟气的品质，还可以大幅度提高环冷机出口烟气余热的综合发电量，进一步深度回收利用烧结环冷机出口烟气的余热资源，对提高我国钢铁企业余热资源回收利用率和推动工业节能减排都具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决目前烧结环冷机低温段和配套余热锅炉出口烟气余热未被充分利用而造成余热资源浪费的问题，进一步深度回收利用烧结环冷机出口烟气余热，提高环冷机出口烟气余热的综合发电量，本发明提出一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统。
一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统包括烧结环冷机1、余热锅炉发电系统和有机朗肯循环发电系统；所述烧结环冷机1为五段式烧结环冷机，余热锅炉发电系统包括串联的汽轮机5和第一发电机6，有机朗肯循环发电系统包括串联的膨胀机15和第二发电机16；
还包括烟气循环系统、冷却水循环系统和有机工质循环系统；
所述烟气循环系统包括高温除尘器2、低温除尘器3、余热锅炉4、蒸发器14和省煤器9；
所述烧结环冷机1的一段烟气出口和二段烟气出口并联，并连通着高温除尘器2的进口，高温除尘器2的出口连通着余热锅炉4的进气口，余热锅炉4的出气口串联着蒸发器14的进气口，蒸发器14的出气口通过三通管分别连通着鼓风机12的进风口和高温循环风机13的进风口，鼓风机12的出风口连通着省煤器9的进气口，省煤器9的出气口为烟气出口21；高温循环风机13的出风口分别连通着一段烟气进口和二段烟气进口；
所述烧结环冷机1的三段烟气出口为烧结环冷机1的烟气出口22，排出的烟气用于烧结环冷机1前端烧结机的点火助燃和热风烧结；
所述烧结环冷机1的四段烟气出口和五段烟气出口并联，并连通着低温除尘器3的进口，低温除尘器3的出口连通着余热锅炉4的出气口；所述四段烟气出口和五段烟气出口为低温段150~200℃的烟气出口；
所述烧结环冷机1的三段进气口、四段进气口和五段进气口并联为冷却空气进口23；
所述冷却水循环系统包括冷却塔10、凝汽器7、凝汽水泵11、冷凝器19和冷凝水泵20；
所述汽轮机5的进口连通着余热锅炉4的出水口，汽轮机5的出口连通着凝汽器7的高温进水口，凝汽器7的高温出水口连通着给水水泵8的进口，给水水泵8的出口连通着省煤器9的进水口，省煤器9的出水口连通着余热锅炉4的进水口；凝汽器7的低温出水口连通着冷却塔10的第一进水口，冷却塔10的出水口连通着冷凝器19的进水口，冷凝器19的出水口通过串联的冷却水泵20连通着冷却塔10的第二进水口；凝汽器7的低温进水口和冷却塔10的出水口之间串联着凝汽水泵11；
所述有机工质循环系统包括膨胀机15、蒸发器14、回热器17、工质泵18和冷凝器19；
所述膨胀机15的进口连通着蒸发器14的工质出口，膨胀机15的出口连通着回热器17的高温进口，回热器17的高温出口连通着冷凝器19的工质进口，冷凝器19的工质出口通过串联的工质泵18连通着回热器17的低温进口，回热器17的低温出口连通着蒸发器14的工质进口；
其中余热锅炉4、汽轮机5、第一发电机6、凝汽器7、给水水泵8、省煤器9、冷却塔10、凝汽水泵11和鼓风机12构成余热锅炉发电系统；
其中蒸发器14、膨胀机15、第二发电机16、回热器17、工质泵18、冷凝器19和冷凝水泵20构成有机朗肯循环发电系统；
工作时，从烧结环冷机1的一段和二段烟气出口排出的烟气经过高温除尘器2除尘后进入到余热锅炉4，从余热锅炉4排出的烟气与烧结环冷机1的四段和五段烟气出口排出的烟气混合后进入蒸发器14，蒸发器14排出的烟气分成两路，一路进入烧结环冷机1的一段和二段循环利用，另一路进入到省煤器9加热锅炉给水；从余热锅炉4出来的过热蒸汽进入汽轮机5，使第一发电机6发电，再经过凝汽器7和省煤器9，作为锅炉给水重新回到余热锅炉4内循环使用；从蒸发器14出来的饱和或过热工质蒸汽进入膨胀机15，使第二发电机16发电，再依次进入回热器17和冷凝器19，在冷凝器19内冷凝成饱和液体后又返回回热器17预热，最后重新回到蒸发器14内循环使用；从冷却塔10排出的冷却水分为两路，一路进入到凝汽器7中将乏汽冷却成液体，另一路则进入到冷凝器19中将低温工质蒸汽冷凝成饱和液体，两路冷却水重新回到冷却塔10内循环使用；
实现了余热锅炉4烟气出口的烟气余热与烧结矿环冷机1的四段和五段烟气出口的150~200℃烟气余热回收，烧结矿环冷机1出口烟气的余热回收率为80~90%，烧结矿环冷机1的吨矿发电量为25～30kWh。
进一步限定的技术方案如下：
所述高温除尘器2为重力除尘器。
所述低温除尘器3为旋风除尘器。
有机朗肯循环发电系统的循环工质为低沸点有机物，循环类型为亚临界循环。
所述膨胀机15为螺杆膨胀机，所述膨胀机15的叶轮与所述第二发电机16的转子相连接。
所述蒸发器14为管翅式换热器。
所述省煤器9为螺旋翅片管式换热器。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）本发明基于有机朗肯循环发电技术，综合回收利用了烧结余热锅炉和烧结环冷机低温段的出口烟气余热资源，大幅度提高了烧结环冷机出口烟气余热的回收率和发电量，对推动钢铁行业节能减排具有十分重要的现实意义。
（2）本发明在不需要额外补充冷却空气的前提下，采用烟气再循环技术保证了烧结环冷机高温段进口烟气的流量和温度，避免了由于冷热空气混合而造成进口烟气温度的不均匀性，提高了环冷机高温段出口烟气的品质，进而提高了烧结余热锅炉的运行效率和余热发电量。
（3）本发明在保证烧结矿出口温度的条件下，可将烧结环冷机出口烟气余热回收率提高40~50%，同时使烧结环冷机的吨矿发电量提高30~40%。
附图说明
图1为本发明的烧结环冷机出口烟气余热综合利用系统工作原理图。
图1中序号：烧结矿环冷机1、高温除尘器2、低温除尘器3、余热锅炉4、汽轮机5、第一发电机6、凝汽器7、给水水泵8、省煤器9、冷却塔10、凝汽水泵11、鼓风机12、高温循环风机13、蒸发器14、膨胀机15、第二发电机16、回热器17、工质泵18、冷凝器19、冷却水泵20、省煤器烟气出口21、环冷机烟气出口22、冷却空气进口23。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统包括烧结环冷机1、余热锅炉发电系统和有机朗肯循环发电系统。烧结环冷机1为五段式烧结环冷机，余热锅炉发电系统包括串联的汽轮机5和第一发电机6，有机朗肯循环发电系统包括串联的膨胀机15和第二发电机16。
还包括烟气循环系统、冷却水循环系统和有机工质循环系统。
烟气循环系统包括高温除尘器2、低温除尘器3、余热锅炉4、蒸发器14和省煤器9；高温除尘器2为重力除尘器，低温除尘器3为旋风除尘器。
烧结环冷机1的一段烟气出口101和二段烟气出口102并联，并连通着高温除尘器2的进口，高温除尘器2的出口连通着余热锅炉4的进气口，余热锅炉4的出气口串联着蒸发器14的进气口，蒸发器14的出气口通过三通管分别连通着鼓风机12的进风口和高温循环风机13的进风口，鼓风机12的出风口连通着省煤器9的进气口，省煤器9的出气口为烟气出口21；高温循环风机13的出风口分别连通着一段烟气进口和二段烟气进口。
烧结环冷机1的三段烟气出口103为烧结环冷机1的烟气出口22，排出的烟气用于烧结环冷机1前端烧结机的点火助燃和热风烧结。
烧结环冷机1的四段烟气出口104和五段烟气出口105并联，并连通着低温除尘器3的进口，低温除尘器3的出口连通着余热锅炉4的出气口；所述四段烟气出口和五段烟气出口为低温段150~200℃的烟气出口。
烧结环冷机1的三段进气口、四段进气口和五段进气口并联为冷却空气进口23。
冷却水循环系统包括冷却塔10、凝汽器7、凝汽水泵11、冷凝器19和冷凝水泵20。
汽轮机5的进口连通着余热锅炉4的出水口，汽轮机5的出口连通着凝汽器7的高温进水口，凝汽器7的高温出水口连通着给水水泵8的进口，给水水泵8的出口连通着省煤器9的进水口，省煤器9的出水口连通着余热锅炉4的进水口；凝汽器7的低温出水口连通着冷却塔10的第一进水口，冷却塔10的出水口连通着冷凝器19的进水口，冷凝器19的出水口通过串联的冷却水泵20连通着冷却塔10的第二进水口；凝汽器7的低温进水口和冷却塔10的出水口之间串联着凝汽水泵11。
有机工质循环系统包括膨胀机15、蒸发器14、回热器17、工质泵18和冷凝器19。
膨胀机15的进口连通着蒸发器14的工质出口，膨胀机15的出口连通着回热器17的高温进口，回热器17的高温出口连通着冷凝器19的工质进口，冷凝器19的工质出口通过串联的工质泵18连通着回热器17的低温进口，回热器17的低温出口连通着蒸发器14的工质进口。
其中余热锅炉4、汽轮机5、第一发电机6、凝汽器7、给水水泵8、省煤器9、冷却塔10、凝汽水泵11和鼓风机12构成余热锅炉发电系统；省煤器9为螺旋翅片管式换热器。
其中蒸发器14、膨胀机15、第二发电机16、回热器17、工质泵18、冷凝器19和冷凝水泵20构成有机朗肯循环发电系统；蒸发器14为管翅式换热器；膨胀机15为螺杆膨胀机，膨胀机15的叶轮与所述第二发电机16的转子相连接。有机朗肯循环发电系统的循环工质为低沸点有机物，循环类型为亚临界循环。
本发明的工作原理详细说明如下：
从烧结环冷机1高温段排出的烟气经过高温除尘器2除尘后进入到余热锅炉4内，将锅炉给水加热成高温高压的过热蒸汽，从余热锅炉4尾部排出的烟气与烧结环冷机1低温段排出的烟气混合后一起进入到蒸发器14内，将循环有机工质加热成饱和或过热蒸汽，从蒸发器14出口排出的烟气分成两部分，一部分在高温循环风机13的作用下进入到烧结环冷机1的高温段循环利用，另一部分在鼓风机12的作用下进入到省煤器9内加热锅炉给水，随后从省煤器9的烟气出口进入到烟囱内进行排空；从余热锅炉4出来的过热蒸汽进入到汽轮机5内膨胀做功，推动第一发电机6进行发电，从汽轮机5尾部排出的乏汽在凝汽器7内冷却后进入到省煤器9内进行预热，最后作为锅炉给水重新回到余热锅炉4内循环使用；从蒸发器14出来的饱和或过热工质蒸汽首先进入到膨胀机15内膨胀做功，推动第二发电机16进行发电，随后在工质泵18的作用下依次进入到回热器17和冷凝器19内，在冷凝器19冷凝成饱和液体后又返回到回热器17内进行预热，最后重新回到蒸发器14内循环使用；从冷却塔10出口排出的冷却水分为两部分，一部分冷却水进入到凝汽器7中冷却汽轮机5排出的乏汽，另一部分冷却水则进入到冷凝器19中将低压的过热工质蒸汽冷凝成饱和液体，最后从凝汽器7的出口和冷凝器19的出口排出的冷却水重新回到冷却塔10内循环使用。
参见表1，以360m2烧结机对应的环式冷却机为例，对烧结余热锅炉和烧结环冷机低温段的出口烟气余热利用进行分析计算。有机朗肯循环系统的循环工质采用低沸点有机物，循环类型采用亚临界循环，蒸发器的出口工质为饱和蒸汽，冷凝器的出口工质为饱和液体。从表1可以看出，采用有机朗肯循环技术回收烧结余热锅炉和烧结环冷机低温段的出口烟气余热，可使得蒸发器出口烟气的温度降至85.3℃，低温烧结烟气余热的回收利用率提高了约50%，此时将蒸发器出口的大部分烟气作为循环烟气通入到环冷机高温段内，避免了由于冷热空气混合而造成环冷机高温段进口烟气温度的不均匀性，提高了进入余热锅炉的烟气品质，进而提高了余热锅炉的余热发电量。由表1还可以看出，有机朗肯循环系统的发电量为4176kW，折合成烧结环冷机的吨矿发电量为7.73 kWh，按照目前相同工况下烧结余热锅炉的吨矿发单量20-25 kWh为基础，增加有机朗肯循环发电系统可使得烧结环冷机的吨矿发电量增加30-40%。由此可见，采用有机朗肯循环发电技术回收利用烧结余热锅炉和烧结环冷机低温段的出口烟气余热资源，不仅能够大幅度提高烧结环冷机出口烟气的余热回收率和吨矿发电量，还能够增加环冷机高温度出口烟气的品质，进而提高烧结余热锅炉的运行效率，对提高钢铁企业低温余热资源的回收利用率和推动工业节能减排都具有十分重要的意义。

Claims (7)

1.一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，包括烧结环冷机（1）、余热锅炉发电系统和有机朗肯循环发电系统；所述烧结环冷机（1）为五段式烧结环冷机，余热锅炉发电系统包括串联的汽轮机（5）和第一发电机（6），有机朗肯循环发电系统包括串联的膨胀机（15）和第二发电机（16）；其特征在于：
还包括烟气循环系统、冷却水循环系统和有机工质循环系统；
所述烟气循环系统包括高温除尘器（2）、低温除尘器（3）、余热锅炉（4）、蒸发器（14）和省煤器（9）；
所述烧结环冷机（1）的一段烟气出口和二段烟气出口并联，并连通着高温除尘器（2）的进口，高温除尘器（2）的出口连通着余热锅炉（4）的进气口，余热锅炉（4）的出气口串联着蒸发器（14）的进气口，蒸发器（14）的出气口通过三通管分别连通着鼓风机（12）的进风口和高温循环风机（13）的进风口，鼓风机（12）的出风口连通着省煤器（9）的进气口，省煤器（9）的出气口为烟气出口；高温循环风机（13）的出风口分别连通着一段烟气进口和二段烟气进口；
所述烧结环冷机（1）的三段烟气出口为烧结矿环冷机（1）的烟气出口（22），排出的烟气用于烧结环冷机（1）前端烧结机的点火助燃和热风烧结；
所述烧结环冷机（1）的四段烟气出口和五段烟气出口并联，并连通着低温除尘器（3）的进口，低温除尘器（3）的出口连通着余热锅炉（4）的出气口；所述四段烟气出口和五段烟气出口为低温段150~200℃的烟气出口；
所述烧结环冷机（1）的三段进气口、四段进气口和五段进气口并联为冷却空气进口（23）；
所述冷却水循环系统包括冷却塔（10）、凝汽器7、凝汽水泵（11）、冷凝器（19）和冷凝水泵（20）；
所述汽轮机（5）的进口连通着余热锅炉（4）的出水口，汽轮机（5）的出口连通着凝汽器（7）的高温进水口，凝汽器（7）的高温出水口连通着给水水泵（8）的进口，给水水泵（8）的出口连通着省煤器（9）的进水口，省煤器（9）的出水口连通着余热锅炉（4）的进水口；凝汽器（7）的低温出水口连通着冷却塔（10）的第一进水口，冷却塔（10）的出水口连通着冷凝器（19）的进水口，冷凝器（19）的出水口通过串联的冷却水泵（20）连通着冷却塔（10）的第二进水口；凝汽器（7）的低温进水口和冷却塔（10）的出水口之间串联着凝汽水泵（11）；
所述有机工质循环系统包括膨胀机（15）、蒸发器（14）、回热器（17）、工质泵（18）和冷凝器（19）；
所述膨胀机（15）的进口连通着蒸发器（14）的工质出口，膨胀机（15）的出口连通着回热器（17）的高温进口，回热器（17）的高温出口连通着冷凝器（19）的工质进口，冷凝器（19）的工质出口通过串联的工质泵（18）连通着回热器（17）的低温进口，回热器（17）的低温出口连通着蒸发器（14）的工质进口；
其中余热锅炉（4）、汽轮机（5）、第一发电机（6）、凝汽器（7）、给水水泵（8）、省煤器（9）、冷却塔（10）、凝汽水泵（11）和鼓风机（12）构成余热锅炉发电系统；
其中蒸发器（14）、膨胀机（15）、第二发电机（16）、回热器（17）、工质泵（18）、冷凝器（19）和冷凝水泵（20）构成有机朗肯循环发电系统；
工作时，从烧结环冷机（1）的一段和二段烟气出口排出的烟气经过高温除尘器（2）除尘后进入到余热锅炉（4），从余热锅炉（4）排出的烟气与烧结环冷机（1）的四段和五段烟气出口排出的烟气混合后进入蒸发器（14），蒸发器（14）排出的烟气分成两路，一路进入烧结环冷机（1）的一段和二段循环利用，另一路进入到省煤器（9）加热锅炉给水；从余热锅炉（4）出来的过热蒸汽进入汽轮机（5），使第一发电机（6）发电，再经过凝汽器（7）和省煤器（9），作为锅炉给水重新回到余热锅炉（4）内循环使用；从蒸发器（14）出来的饱和或过热工质蒸汽进入膨胀机（15），使第二发电机（16）发电，再依次进入回热器（17）和冷凝器（19），在冷凝器（19）内冷凝成饱和液体后又返回回热器（17）预热，最后重新回到蒸发器（14）内循环使用；从冷却塔（10）排出的冷却水分为两路，一路进入到凝汽器（7）中将乏汽冷却成液体，另一路则进入到冷凝器（19）中将低温工质蒸气冷凝成饱和液体，两路冷却水重新回到冷却塔（10）内循环使用；
实现了余热锅炉（4）烟气出口的烟气余热与烧结矿环冷机（1）的四段和五段烟气出口的150~200℃烟气余热回收，烧结矿环冷机（1）出口烟气的余热回收率为80~90%，烧结矿环冷机（1）的吨矿发电量为25～30kWh。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：所述高温除尘器（2）为重力除尘器。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：所述低温除尘器（3）为旋风除尘器。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：有机朗肯循环发电系统的循环工质为低沸点有机物，循环类型为亚临界循环。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：所述膨胀机（15）为螺杆膨胀机，所述膨胀机（15）的叶轮与所述第二发电机（16）的转子相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：所述蒸发器（14）为管翅式换热器。
7.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烧结环冷机余热综合利用系统，其特征在于：所述省煤器（9）为螺旋翅片管式换热器。
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