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矿热炉余热利用技术


    目前,在我国电厂的能源结构中,燃煤电厂的发电量占全国总发电量的80%以上,即使到2020年,燃煤发电厂的发电量仍将在70%以上。煤燃烧排放的SO2 和NOx以及粉尘仍是大气主要污染源。努力提高能源利用率,尽可能减少煤炭消耗,减少温室气体和SO2的排放,仍然是环境保护的主要任务。为此,节约能源、保护环境是我国实现可持续发展战略的重要组成部分,这已成为我国的一项基本国策。建设热电厂,实现热电联产、热电冷联供是节约能源、保护环境、提高企业经济效益的有效途径。也是我国实施节约能源、保护环境持续发展战略的必然选择。

   开展资源综合利用是我国的一项长期的重大技术经济政策,也是我国国民经济和社会发展中的一项长远战略方针,对于节约资源、改善环境状况、提高经济效益,实现资源的优化配置和可持续发展具有重要的意义。矿热炉生产过程中一方面有大量的中、低品位的余热被排放掉,另一方面又消耗大量的电能。为了将中、低品位余热转换为电能并回收用于矿热炉生产,从而进一步降低矿热炉生产能耗、节约能源,对于矿热炉生产企业,可以大幅减少向社会发电厂的购电量。同时可避免矿热炉废气余热直接排入大气造成的热岛现象,又由于减少了社会发电厂或矿热炉生产企业燃烧燃料的自备电厂的燃料消耗,可减少二氧化碳等燃烧废物的排放而有利于保护环境。

    国内纯低温余热发电技术从60年代末期即开始研制,到70年代中期,无论是热力系统还是装备都已进入实用阶段。此项技术的应用到80年代初期达到了高潮,尤其是日本,此项技术较为成熟,该技术在水泥行业以及钢铁行业得到了大量的推广和应用。目前设备基本上实习了国产化。我国已有几十年回收工业高温废气显热的余热锅炉的经验,低品位汽轮发电机组在我国成功运行亦不少见,所以冶金行业余热利用技术在技术上是完全可行的。

    利用冶金行业矿热炉生产过程中的余热建设电站后,汽轮发电机组所发出的电将回用于矿热炉生产,这套系统在回收矿热炉生产过程中产生的大量余热的同时,又减少了矿热炉对环境的热污染以及粉尘污染,这将给企业带来巨大的经济效益。这套系统是一个典型的循环经济范例。矿热炉余热发电项目是近年国家重点产业振兴和技术改造中央投资年度工作重点,符合国家产业政策。

    在“十三五”规划期间,国家将加大对高能耗、低产能的部分生产线或企业实行关停淘汰及产业升级。在2017年之内全国大部分地方单炉装机容量在12500KVA以下的电炉全部淘汰。随着部分生产线或企业的不断关停,势必会有更多较大规模的新建项目。政府对于新上项目在环保、节能方面将实行严格审批,要求新上项目必须配套上余热利用项目,否则不准生产。国家的这一强制性政策,将会促使高能耗企业通过余热利用等措施实施节能技术改造,以降低单位生产能耗。

    矿热炉生产属于高耗能、高污染的冶金生产。矿热炉根据其冶炼工艺和设备的密封程度来分,一般分为四种炉型,第一种为全封闭型;第二种为矮烟罩半封闭型;第三种是高烟罩敞开型(淘汰型),第四种为高烟罩半封闭型。高烟罩半封闭型工业硅电炉是国家广泛推广的炉型首选。随着生产技术的不断提高,矿热炉在生产时产生的大量高温烟气,经过除尘净化,粉尘被回收再利用,而烟气带走的热能相当于输入矿热炉全部热能的30%~40%,温度可达到450℃~700℃,不但浪费了大量能源,而且对周围环境也会造成污染。矿热炉还原反应主要原料为矿石与还原剂。原料入炉后在熔池高温条件下生成高温含尘可燃气体。其透过料层逸散于料层表面,当接触空气时其中的可燃气体燃烧形成高温含尘烟气。

    电炉在正常生产时排烟口温度达到500℃左右,除尘设备进口处烟气温度也很高。在翻渣时温度升高,可达500℃~700℃,除尘器内部烟气温度会更高,除尘布袋在高温状态下运行,使用寿命短、容易损坏,更换频繁,增加公司维护成本;如果上余热发电项目后则可把烟气温度降到150℃左右。

    正常生产过程中,把矿料燃烧时产生的烟气热能充分利用来发电,利用余热发出的电可以弥补生产用电的需求,提高能源的利用率,降低公司生产成本,可取得良好的节能效益。余热发电系统中的余热锅炉吸收电炉矿料燃烧时排出的烟气热能,高温烟气通过余热锅炉后再到除尘器,这时烟气温度会降低,有利于保护除尘系统的除尘布袋、机械设备及电器设备,提高除尘设备的利用率,降低设备事故率,从而达到高效高产的目的。

    矿热炉余热锅炉的发电量是矿热炉耗电量的8%~12%,设备投资回报期2~3年。

    矿热炉烟气余热发电热力系统工作原理:余热发电系统的热力系统与火力发电系统相同,主要工作原理为:利用余热锅炉回收烟气余热,将锅炉给水加热生产过热蒸汽,过热蒸汽送到汽轮机中膨胀做功,将热能转换成机械能,进而带动发电机发电,实现热能→机械能→电能的转换。做过功的蒸汽(乏汽)从汽轮机排出,经循环冷却水系统冷却后形成冷凝水,冷凝水及补充水混合在一起作为锅炉的给水,经给水泵在送回到锅炉中,这样就完成了一个热力过程。

 

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    余热发电系统主机包括余热锅炉及冷凝式汽轮发电机组,矿热炉的高温烟气通过烟风管道进入余热锅炉,产生的过热蒸汽全部进入汽轮机推动发电机组。余热发电系统的热力系统由余热锅炉及相应的辅机、除氧器、给水泵等设备组成。余热锅炉产生的过热蒸汽通过蒸汽母管汇总在一起后进入汽轮机发电机组发电。过热蒸汽经隔离阀、主汽阀、调节阀进入汽轮机膨胀做功后,排至凝汽器,乏汽在凝汽器中凝结成水,在由凝结水泵送往除氧器作余热锅炉给水循环使用。循环冷却水泵将水池中冷却水打入凝汽器对汽轮机排汽(乏汽)进行冷却,然后再排往机械通风冷却塔进行冷却,经过冷却的水回到水池作为凝汽器冷却介质循环利用。发电机冷却介质为空气,冷却方式为闭式循环通风冷却。

    每台余热锅炉是由出口烟箱、过热器段、蒸发器段、省煤器段、进口烟箱、汽包等六部分组成,待运往工地后才总成一体。

    省煤器段:主要由构架、盘管组、进出口联箱及其附件组成。省煤器段主要用来回收废弃的低位能量,提高给水温度。除氧器的给水进入省煤器段的进口联箱。

    蒸发器段:主要由构架、盘管组、进出口联箱及其附件组成,是余热锅炉主要的热交换器段。工质在此段吸热后产生相变,由液相变为汽液共相,经汽包后向外界提供高质量的饱和蒸汽。

    过热器段:主要由构架、盘管组、进出口联箱及其附件组成,是余热锅炉产生过热蒸汽主要的热交换器段。饱和蒸汽在此段吸热后产生过热蒸汽,供给汽轮发电机组发电。

    进口烟箱:余热锅炉的进口烟箱是由钢板焊制而成。进口端法兰与矿热炉排气管道相配。矿热炉排气通过上烟箱不改变流向,使排气均匀的流经余热锅炉盘管组。上烟箱的外露表面均附有绝热材料岩棉和镀锌薄钢板来减少排气的热损失。

    烟气系统:烟气→余热锅炉进口烟箱→烟气冲刷→过热器→蒸发器→省煤器→余热锅炉出口烟箱。

    水系统:除氧器→给水泵→省煤器→汽包→下降管→蒸发器→汽水混合物(上升管)→汽包→饱和蒸汽→过热器→过热蒸汽。

    余热锅炉热源来自电炉排出的烟气,锅炉为负压运行,要求密封性好。矿热炉余热锅炉有如下优势:

(1)工作安全可靠。蒸发受热面按最大烟气参数进行设计,留有富余量以保证适应烟气参数波动的影响,采用合理结构确保水循环安全。

(2)重量轻、尺寸小。

(3)余热锅炉水容量小,启动速度快,机动性强。。

(4)余热锅炉只设置补水泵,没有燃烧设备,因此设备工作可靠,运行成本低,运行费用低。

(5)模块化构架结构,结构简单,制造简易,安装方便。

(6)炉墙采用金属护板;人孔、穿墙管(集箱)、护板接缝处全密封设计,确保锅炉不漏风。

(7)选取合适的烟速,只要保证一定的烟气流速可以有效的解决锅炉受热面的积灰问题。


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