5董辉烧结余热回收.pptx

1,烧结余热回收现有研究基础,及未来发展路径的探讨,2016,年,5,月,董 辉 冯军胜 蔡九菊,东北大学 热能工程系,显热,GJ,能级,所占 比例,%,温度,GJ,所占 比例,%,烧结烟气,0.42,0.13,29%,0.05,10%,烧结矿,1.02,0.51,71%,0.52,90%,烧结余热高效回收利用,是目前我国钢铁企业余热利用的主要方向之一,。,每生产,1,吨烧结矿,烧结余热,占钢铁企业余热总量,13.4%,；,以我国,7.0,亿,t,烧结矿产量计，烧结余热,10.1,亿,GJ,，相当于,11.7,个三峡,。,技术一：,烧结余热分级回收与梯级利用（,2005-2012,）,1,、基于原有环冷机模式,：,依据吴仲华院士,16,字科学用能方针，提出了,；借助,863,计划和发改委重大专项，开展：,技术攻关部分实施,东北大学热能工程系董辉、蔡九菊团队励精图治，潜心于烧结余热回收研究,10,余年！,技术二：,环冷机操作参数优化（,2013,现今）,维持现有环冷机结构型式前提下，开展,技术攻关，,改善其操作参数，即：冷却风量、料层高度及环冷机运行速,寻求技术合作。,2009,年,获国内首个发明专利,技术三：烧结矿余热竖罐式回收（,2007,现今）,2:,打破原有环冷机模式,借鉴,CDQ,，结合炼铁高炉，提出了,；借助国家自然科学基金及辽宁省科技计划项目，开展：,理论研究技术攻关，,提出了一整套中试系统（,50,万,t/a,）以及与,360m,2,烧结机配套的结构和操作参数,寻求合作伙伴。,技术四：烧结烟气显热回收与脱硫一体化（,20082010,）,3:,基于烧结烟气脱硫与余热回收相互孤立甚至矛盾：,借助辽宁省科技计划项目，提出了,，开展：,理论研究技术攻关（目前搁浅，寻求技术合作）。,2010,年获国内首个发明专利,获得发明专利,主要内容,1,基于,环冷机模式,余热回收,1.1,分级回收与梯级利用技术,1.2,环冷机操作参数优化,2,竖罐式,余热回收,2.1,系统的,构思及研究思路,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,2.3,关键,技术问题,的凝练及研究进展,3,总结及展望,1,基于环冷机模式余热回收,1.1,烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）,1.1.1,技术的提出,三段,四段,五段,一段,二段,水,De-dust,余热锅炉,（,1,）余热部分回收：,仅回收了温度较高冷却废气显热,，弃置了烧结烟气和温度居中的冷却废气所携带的显热,；,（,2,）回收余热利用形式单一：,余热仅用于回收蒸汽（发电），,忽视了热风烧结或预热混合料的可能,(,用于自身,),；,（,3,）引进余热锅炉以后的成套设备，只关注余热锅炉以后的环节，造成,烧结矿取热困难,。,1.1,烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）,1.1.1,技术的提出,针对于目前我国烧结余热利用存在的不足，结合烧结余热数量较大、品质差异较大，遵循吴仲华先生的,“,温度对口、按质用能”的能源利用原则，集成国内外先进单体技术，提出了“,分级回收与梯级利用,”技术,：,按余热品质,分级回收,；将余热,优先,用于工序本身即,直接热回收,，然后,梯级利用,各种品质余热：,温度,较高,动力回收,（发电）；,居中,动力回收,、,直接热回收,，改善工艺,较低,直接热回收,，改善工艺。,至脱硫,三段,四段,五段,一段,二段,De-dus,水,De-dust,余热锅炉,外排,直排,阀体,空气,孔板流量计,De-dust,除尘器,至非脱硫,主抽风机,空气,除尘器,外接汽源,某,328m,2,烧结机余热利用,原则工艺流程图,1,1.1,烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）,1.1.2,工艺路线,1,）,保证余热锅炉热源稳定,：,2,台烧结机,-2,套余热锅炉,-1,套汽机系统，即,两炉一机,模式；或引入外界热源；,2,）,强化烧结矿取热,：设置,适宜的冷却风量,、环冷机内烧结矿,料层高度,、环冷机,运行速度,；,3,）,提高余热锅炉参数,：强化烧结矿取热，提高锅炉进口热风温；目前锅炉蒸汽参数尚具有一定挖掘潜力。,4,）,强化环冷机密封,：,效果：部分实施（设想很丰满，实施很骨干）,吨矿发电能力,18kWh,；吨矿直接热回收,24kgce,1.1,烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）,1.1.3,关键技术与实施效果,核心任务：对目前的环冷机模式余热回收进行,技术改造,环冷,机,冷却风量,料层高度,余热,锅炉,热载体品质,热载体数量,蒸汽品质,蒸汽产量,吨矿,发电,关键共性技术：维持现有环冷机结构形式、结构参数下,设置,适宜冷却风量,/,料层高度,/,环冷机运行速度,环冷机更多是基于矿的冷却，不是基于余热回收；环冷二段末端矿温较高；,现有的操作参数需要重新审视,。,设置,适宜余热锅炉的运行参数,（蒸汽的压力和温度）,余热锅炉在低参数下运行，再加上进口热载体品质的提高；,锅炉参数的提高具有一定潜力,。,汽轮机,发电机,1.2,环冷机操作参数优化（技术二）,典型研究结果：,1.2,环冷机操作参数优化（技术二）,潜力：吨矿发电量有望提高,20%,。,冷却风量,热载体,值,环冷机,冷却风量,料层高度,热载体品质,热载体数量,主要内容,1,基于,环冷机模式,余热回收,1.1,分级回收与梯级利用技术,1.2,环冷机操作参数优化,2,竖罐式余,热回收,2.1,系统的,构思及研究思路,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,2.3,关键,技术问题,的凝练及研究进展,3,总结及展望,（,1,）冷却漏风率较高,上部漏风率,15%,20%,，因此而损失的发电量占现有发电量的,27.3,；,下部漏风率,20%,30%,，鼓风机因此消耗的无效功率占现有功率的,28.6%,。,折合,每生产,1,吨烧结矿损失1.51.8kgce,；将使得,烧结工序能耗增加,3%4%,。,集风罩,风箱,基于环冷机模式的余热回收存在着,先天不足：,2.1,罐式余热回收系统的,构思及研究思路,（,2,）,显热仅部分被回收，且回收得到余热品位较低,回收温度较高的一、二段冷却废气，此时，环冷二段尾部烧结矿温度约,300320,，回收率,50%55%,。,三段,四段,五段,一段,二段,水,De-dust,余热锅炉,两部分损失，,以我国,7.0,亿吨年产来计，,3.8,个三峡。,2.1,罐式余热回收系统的,构思,及研究思路,传统模式余热回收方式需要一次,变革性举措！,2007,年，,提出,竖罐式回收工艺,2009,年，辽宁省自然科学基金,2012,年，,国家自然科学基金,2015,年，,辽宁省科技计划,项目,2010,年，国家（,首个,）,发明,专利授权,不识庐山真面目，只缘身在此山中！,2.1,罐式余热回收系统的,构思,及研究思路,在困难中坚持前行！,环冷机模式余热回收的,先天不足的成因,：,借鉴,CDQ,系统提出,烧结矿余热罐式回收利用,技术,技术变革原则,：,环冷机,在上下固定的风箱中,“,穿行,”,，,使得,漏风,不可避免,；,环冷机“,卧式,”结构,，使得冷却风与烧结矿,交叉错流,流动传热，,烧结矿显热部分回收,。,变,“,穿行,”,为,“,静止,”,，从根源上避免漏风；,变,“,卧式,”,为,“,立式变“交叉错流”为“,逆流,”,，从根源上提高烧结矿显热回收率，并提高热载体的品质。,2.1,罐式余热回收系统的,构思,及研究思路,烧结余热竖罐式回收与利用的工艺流程图,2.1,罐式余热回收系统的,构思,及研究思路,罐式回收系统的,工程示范及推广,罐式回收系统的,中试,罐式回收系统的,小试,罐式回收系统的,实验室实验,解析研究,数值计算,工程化技术,攻关,工程化转换,问题,技术可行性,关键,技术,问题,理论可行性,关键,科学,问题,目前研究节点：开展了,6,万,t/a,小试（竖罐部分），藉此,（,1,）提出,50,万,t/a,罐式回收中试系统的结构和操作参数；,（,2,）提出,360m,2,烧结机罐式回收系统的结构和操作参数。,2.1,罐式余热回收系统的构思及,研究思路,主要内容,1,基于,环冷机模式,余热回收,1.1,分级回收与梯级利用技术,1.2,环冷机操作参数优化,2,竖罐式余,热回收,2.1,系统的,构思及研究思路,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,2.3,关键,技术问题,的凝练及研究进展,3,总结及展望,罐式回收是否可行，主要考虑（从热工角度）：,（,1,）,料层阻力是否太大？气流分布是否均匀？,料层阻力气固接触越不充分气固热交换不充分,鼓风机能耗,系统经济性下降,气流分布不均气固接触不均气固热交换不均,（,2,）,罐体料层内气固传热是否充分？,气固传热，决定了热载体所携带余热的,值以及烧结矿冷却效果，进而决定了吨矿发电量,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,两大关键科学问题：,竖式颗粒床层,气固逆流式流动、传热,问题。,烧结矿几何因子及颗粒分布特性,*,（实验研究）,烧结矿层,空隙率分布,等填充特性（实验研究）,罐体内烧结矿层,阻力特性,*,（实验研究）,罐体内烧结矿层,气流分布特性,*,（数值模拟研究）,2.2.1,烧结矿层,阻力特性及气流分布,问题的研究,（,1,）,（,2,）,气固流动问题：,阻力特性与气流分布,（,1,）烧结矿层阻力特性,的实验研究,意义,：床层阻力特性是决定罐式回收系统是否可行的主要因素之一，同时还影响着气固传热过程；为如何减小阻力提供理论支撑；为后续的数值技术提供基础数据。,内容,：研究阻力特性经验关联式,，藉此分析影响阻力特性的主要因素及其影响规律。,方法,：,基于固定床模式,移动床模式,（排料）,*,；,基于冷态模式,热态模式,；,基于,Ergun,公式模式,打破,Ergun,公式模式*,。,实验研究（冷却段高,H=0.5m/1.0m/3.0m,，实验室实验,小试，,克服料层高与边缘效应,）；,数值计算。,压力测量,孔板流量计,热电偶,1#,鼓风,温度监测柜,热电偶,2#,热电偶,3#,1200mm,900mm,400mm,（,1,）烧结矿层阻力特性,的实验研究,Ergun,方程修正法,（,1,烧结矿层阻力特性,的实验研究,量纲分析法,（,2,）烧结矿层气体流动的,数值计算,手段：采用,CFD,软件,+,二次开发,：颗粒形状系数,+,空隙率分布函数,+,基于,移动床,和固定床模式,g,中心,轴线,u,v,R,0,底部：焦炭出口，气体入,口,斜道排风,顶部：焦炭入,口,x,物理模型,斜道,冷却室,储存室,冷却段,斜道排风口,预存段,斜道,气体入口,网格划分,（,2,）烧结矿层气体流动的,数值计算,流速等值线云图与速度矢量图,压力等值线图与流线图,烧结矿料层等,填充特性,（实验研究）,烧结矿料层内,气固传热系数,(,实验研究,),烧结矿料层内气固,传递系数,（实验研究）,烧结竖罐内的,气固传热过程,（实验及模拟）,2.2.2,气固传热问题的研究,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,1,）烧结矿层,气固综合传热系数*,的实验研究,意义,：基础性实验之一；为后续的数值计算提供基础数据，同时为强化传热提供理论支撑。,方法,：实验方法,基于,固定床模式*,时间模拟空间*,移动床模式,（排料,+,漏风,+,料的加热）,；,基于,面积综合传热系数,体积综合传热系数*；,从实验室实验,小试,（排料,+,漏风,+,料的加热）,。,内容,：获得气固综合传热系数经验关联式,，藉此分析影响综合传热系数的主要因素及其影响规律。,采用,量纲分析法,推导,出,料层,气固,传热系数的,经验关联式,使用范围：,通过,在不同工况下所得,实验,数据,确定,经验关联式的指数和系数,（,1,）烧结矿层,气固综合传热系数,的实验研究,（,1,）烧结矿层气,固综合传热系数,的实验研究,烧结矿筛分,烧结矿加热,加料,进行鼓风,冷却数据记录,卸料,（,2,）烧结矿层,传递系数,的实验研究,将,对流换热器和固定床中气固换热中的,传递系数,引入到竖罐,中来,，,并,推导出,烧结床层,传递系数,公式,传递系数,：,烧结矿表面与冷却空气之间的温差为,1,K,时，单位时间内通过单位面积所转移的,量；为强化罐体内气固换热，提高余热利用率奠定坚实的理论基础。,D,in,=350,，,H=800,，,Hz=1500,使用范围：,在自制实验设备上测试不同工况下计算,传递系数,所需数据,通过无量纲方程回归分析，拟合经验关联式,（,2,）烧结矿层,传递系数,的实验研究,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的,实验及数值计算,实验,基于,固定床模式,时间模拟空间,移动床模式,；,基于实验室实验,小试,圆筒,D,in,=100/250/350/600,长方体,1000*1000,*,1800,（料的加热,+,排料,+,漏风，不断尝试和努力）,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的实验及数值计算,4000*1000*1800,，,Hz=12000,1000*1000*1800,，,Hz=8000,D,in,=1000,，,H1000,，,Hz=5200,D,in,=600,，,H=1300,，,Hz=5200,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的实验及数值计算,D,in,=100,，,H=900,，,Hz=2950,D,in,=250,，,H=1200,，,Hz=3920,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的实验及数值计算,数值计算,将双能量方程引入到烧结竖罐内，并采用用户自定义标量（,UDS,）定义气固双能量方程（建立,稳定传热模型,*,，回避,非稳态模型以时间模拟空间的假设,，,最大难点：颗粒下移速度的描述,）；,创新：采用户自定义函数（,UDF,）定义气固传热相关参数,:,空隙率径向分布*、粘性阻力系数*惯性阻力系数*、气固传热系数*,。,基于局域热力学平衡模型,-,单能量方程模型,基于局域非热力学平衡模型,-,双能量方程模型,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的实验及数值计算,参数：烧结矿进口温度,973K,，冷却风量,万,m,3,/h,气体 烧结矿,冷却段气固温度分布,出口风温,K,，出口矿温,410K,，余热回收率达,85%,。,（,3,）烧结矿层,气固传热过程,的实验及数值计算,烧结矿温度云图,热载体温度云图,主要内容,1,基于,环冷机模式,余热回收,1.1,分级回收与梯级利用技术,1.2,环冷机操作参数优化,2,竖罐式余,热回收,2.1,系统的,构思及研究思路,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,2.3,关键,技术问题,的凝练及研究进展,3,总结及展望,任务：,罐体,和锅炉的,结构形式、结构和操作参数的确定,依据：,罐体,-,锅炉,-,汽机的协同,，,保证最大发电量,2.3,关键技术,问题,的凝练及研究进展,（从热工角度）,（,1,）（,2,）余热回收,竖罐、锅炉,两大关键技术问题,（,3,）余热回收系统,设备匹配、参数协同与运行调控,2.3.1,余热回收,竖罐,关键技术问题,任务：,罐体的结构形式、结构和操作参数的确定,依据：,1,）考虑与锅炉、汽机的协同，为后续最大发电量提供适宜热载体流量和品质；,2,）尽可能降低阻力损失；,3,）保证气固传热效果，降低,损。1,）余热回收,竖罐,关键技术问题,结构和操作参数,关键,结构参数和操作参数,的,凝练,罐体系统的灵魂,！,罐体,冷却风量,料层高度,余热,锅炉,显热品质,显热数量,汽轮发电,蒸汽品质,蒸汽产量,吨矿,发电,冷却段的高度和内径,核心参数之一,处理量一定，高度，内径，阻力，气流分布均匀,高度，内径，阻力，气流分布均匀,冷却,热载体的流量（冷却风量）,核心参数之二,处理量一定，较大风量，较低风温？,较小风量，较高风温？,烧结矿的下移速度,最大难点：,三者的耦合,关键,结构参数和操作参数的,确定,（,1,）余热回收,竖罐,关键技术问题,-,结构和操作参数,依据,：,罐体出口热载体,所携带的热量和,值较大；,料层,阻力尚可，经济可行,。,手段,：,基于移动床的气固传热,实验研究；,基于双能量方程的,数值计算,（关键是,CFD,软件二次开发）,基于,气固热平衡方程与传热方程,的,解析分析,。,（,2,）余热回收,竖罐,关键技术问题,-,如何减小料层阻力,A,保持矿层空隙率*,A,减小粉矿率，保持,罐体内烧结矿层空隙率,罐式回收可能比环冷机模式的粉矿率高，造成阻力损失过大，甚至死循环，这是目前罐式回收,质疑点之一；,影响粉矿率因素：落料、颗粒间或颗粒与壁面的摩擦、颗粒间因重力作用的挤压；,措施：热破碎,+,热筛分；冷却段和预存段高度适当设置,B,适当设置冷却段高度,C,适当设置热载体流量,A,影响,矿层内气固传热的,主要因素,矿层空隙率,冷却段高度,冷却风量（热载体流量）,B,强化,矿层内气固传热的,主要技术途径,保持矿层一定空隙率，控制粉尘，防止死循环,适宜的冷却段高度,适宜的冷却风量,设置布风和布料装置,（,3,）余热回收,竖罐,关键技术问题,-,如何强化气固换热,2.3.2,余热回收,锅炉,关键技术问题,结构和操作参数,关键结构参数和操作参数的,凝练,结构参数：各个受热面面积,操作参数：出口蒸汽参数、各个受热面进出口参数,关键结构参数和操作参数的,确定,与余热回收罐体的,协同,：罐体,锅炉,编制,热力计算软件,，初步确定结构和操作参数,；,采用最优化方法，借助,Lingo,软件,优化操作参数,。,锅炉系统的灵魂,！,任务：进入锅炉的,热流体温度比原来提高了,100130,，因此要,重新审视：,锅炉,结构形式、结构和操作参数,。,依据：锅炉出口蒸汽物理,较大；经济性尚可。,2.3.3,余热回收系统,设备匹配、参数协同与运行调控,罐体,Q1,T1,Q2,T2,锅炉,P11,T11,P1n,T1n,P21,T21,P2n,T2n,汽机发电机,E11,E1n,E21,E2n,罐体,-,锅炉,-,汽机等,单体设备能力的匹配,是,前提,；,罐体,-,锅炉,-,汽机间,操作参数的协同,是,核心,；,罐体冷却段高度和热载体流量,热载体数量和能级,锅炉的结构和操作参数,出口蒸汽参数,吨矿发电量,罐体,-,锅炉,-,汽机等,运行参数的调控,是,关键,。,：,罐体,-,锅炉,-,汽机的操作参数不能孤立于设备，不能脱节于调控。死的是设备，活的是参数,！,主要内容,1,基于,环冷机模式,余热回收,1.1,分级回收与梯级利用技术,1.2,环冷机操作参数优化,2,竖罐式余,热回收,2.1,系统的,构思及研究思路,2.2,关键,科学问题,的凝练及研究进展,2.3,关键,技术问题,的凝练及研究进展,3,总结及展望,东北大学热能工程系,董辉、蔡九菊,团队，,10,年磨一剑,3,总结及展望,第一：关于罐式回收,一点成果,：建立,2,套小试系统（,90+70,万元）；旨在于,提出,50,万,t/a,小试系统及与,360m,2,烧结机配套的罐式系统结构参数和操作参数；,几点认识,：技术实施是一个长期的过程，难度在于,：,设备层面,，大体借鉴,，,但关键结构参数不能简单借鉴,；,操作参数,，须要经过系列的热工实验和计算才能确定；且设备之间操作参数的匹配，更是难点；操作参数不能游离于设备,；,几点认识：,理论研究,实验室研究,小试,中试,工程化；,吨矿发电,比目前提高,6080%,，,有望稳定于,30kWh,；,3,总结及展望,第一：关于罐式回收,真诚希望：,技术攻关及工程应用,是一个,长期,、艰苦的过程,，需要,众多学者和工程技术人员的,齐心协力,，,需要科研,院所和钢铁企业的,大力支持,！,第二：关于环冷机操作参数优化,一点成果,：探讨并确定了环冷机适宜操作参数；,目前钢铁企业不伤筋动骨的小改小动，一定潜力！,敬请批评指正！,