热气机在冶金企业废气余热系统的应用分析.pdf

Vo 1 ． 3 1 No ． 1 J a n ． 2 0 1 2 冶金能源 E NE RGY F OR ME I IALL URG I C AL I NDU S T R Y 5 7 热气机在冶金企业废气余热系统的应用分析 杨 懿 李宝东 白庆波金 萍 中钢集团鞍山热能研究院有限公司 摘 要生产的性质决定了在烧结、炼铁、炼钢、轧钢等各个工段会产生大量热废气，热气 机可以将热能直接转化为机械能。相比废热锅炉通过蒸汽转换为机械能和电能更为直接，也 - 更为简便 ，同时也更适应工厂内恶劣的工作环境。 关键词热气机外燃发电节能 He a t e ng i n e a p pl i c a t i o n o f t h e wa s t e h e a t s y s t e m i n me t a l l u r gical e n t e r p r i s e Y a n g Y i L i B a o d o n g B a i Q i n g b o J i n P i n g S i o n s t e e l A n s h a n R e s e a r c h I n s ti t u t e o f T h e r m oE n e r g y C o ． ，L t d ． Ab s t r a c t Be c a u s e o ft h e n a t u r e o fthe p r o d u c t i o n ，a hr g e a mo u n t o fw a s t e g as h e a t p r o d u c e i n s i n t e - ri n g ，i r o nma k i n g ，s t e e lma k i n g，a n d s t e e l rol l i n g s e c tio n ．T h e h e a t e n e r g y c a l l b e d i r e c t l y i n t o me c h a n i c a l e n e r g y b y h e a t e n g i n e p c o mp a r e d wi t h the w a S t e h e a t b o i l e r t h a t c o n v e r t 8 s t e am i n t o me - e h a n i c al e n e r g y and e l e c t r i c al e n e r gy mo r e d i r e c t ，a l s o s i mp l e r ，a n d a l s o mo re a d a p t e d t o the h a r s h c o n dit i o n i n f a c t o r y ． Ke y wo r d s h e a t o n J n e e x t e rnal fi re p o we r g e n e r a ti o n e n e r g y s a v i n g 冶金企业是能耗大户，同时也是排放大户。 由于冷却和燃烧的需要，在烧结、炼铁、炼钢、 轧钢等各个工段会产生大量热废气，热废气温度 从 2 0 0 1 0 0 0 C 不等。在 目前通过一些余热回收 技术 如汽化冷却、废热锅炉、空煤气预热 回收了大部分的热量，同时通过热电联产技术， 将生产的余热蒸汽的富余部分通过汽轮机发电， 回收能源。 冶金企业的生产工艺决定 了在大多数种类热 废气中粉尘或二氧化硫含量较高。含尘烟气容易 造成余热回收设备换热管束的冲刷破坏，除尘技 术的应用又降低了热烟气的温度，对余热回收的 效率造成了很大影响。含硫烟气中的二氧化硫在 较低温度下的露点腐蚀又限制了余热设备的换热 收稿 日 期 2 0 1 1 0 6 2 1 杨懿 1 9 7 7 一 ， 工程师； 1 1 4 0 4 4 辽宁省鞍山市。 温度。这两方面原因造成在冶金企业中很多余热 设备的设计进退两难， 部分废烟气没有经过回收 就直接排放，造成较大的浪费。而这些难题可以 通过热气机轻松解决。采用热气机可以将热能直 接转化为机械能，相比采用废热锅炉通过蒸汽转 换为机械能和电能更为直接，也更为简便，同时 也更适应工厂内恶劣的工作环境。 1 热气机的工作原理 热气机是一种由外部供热使气体在不同温度 下做周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动 机，又称斯特林发动机。相对于内燃机燃料在气 缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。在热气 机封闭的气缸内充有一定容积的工质，可采用 氢、氮、氦或空气等。气缸一端为热腔，另一端 为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温 热腔中迅速加热，膨胀作功。燃料连续燃烧或热 5 8 冶 金能源 E NE RGY F O R ME TA L L URG I CA L I ND US T R Y Vo 1 ． 3l No ．1 J a n ． 2 0 1 2 空气通过换热器传热给工质 ，工质不直接参与， 也不更换 。 此发动机有两个冲程 ，且两个冲程都是做功 冲程 。此发动机有两个活塞，图 1左边的是配气 活塞 活塞和气缸之间有间隙，以便空气在冷 热端流动 ，右边是动力活塞 ，两活塞是刚性连 接。发动机被动力活塞封闭成一个与外部隔绝的 密封腔体。当活塞从上止点往下止点 从左向 右移动时，将冷端的冷空气压向热端，冷空 气在热端受热膨胀，腔体里气体压力高于大气 压 ，故进一 步推动 活塞 向下止点移动 做功冲 程 。当活塞运动到下止点时 ，管道 A的 x开 口 和动力气 缸的排气 口接通 ，热空气通过 管道 A 排出到外部 。由于飞轮的惯性作用 ，活塞将从下 止点向上止点 从右 向左 移动 ，此时残 留在 热端的热空气将被压向冷端，进入冷端的热空气 被冷却后收缩 ， 将引起腔体内的气体压力下降到 低于大气压，故动力活塞在外部大气压的作用下 进一步 向上止点 向左 移动 也是做功冲 程 。当活塞移动到上止点时，管道 B被接通， 外部的冷空气通过此管道被吸人腔体 因为此 时腔体内的气压低于大气压 。 如此往复循环。 ． 图 1 热 气机工作 原理 图 热气机循环是由两个定容吸热过程和两个定 温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程 放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在 定温 膨胀过程中从高温热源吸热，在定 温 压缩过程中向低温热源放热。斯特林 循环的热效率为 叼 I Q l lr 2 ／ r , 式中 为输出的净功， Q 为输入的热量。 根据这个公式 ， 只取决于 和 ， 越 高、 越低时， 则 ．，7 。 越高，而且等于相同温度 范围内的卡诺循环热效率。因此，斯特林发动机 是一种很有前途的热力发动机。斯特林循环也可 以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循 环 。 2 热气机的优势 热气机的特点有别于内燃机和汽轮机， 在冶 金行业的余热利用中具有几大优势 1 采用 的工质多样化，可使用氢、氮、 氦或空气等。不局限于燃料的燃油、燃气或中间 介质水蒸气。通过介质直接将热能转化为回转机 械能。这样就不必如现有余热热电联产系统必须 采用汽轮机对热能进行二次转化。 2 热气机采用独立 的燃烧室 ，或者称 为 换热室。燃气或热废气与工质不直接接触，可使 用不同种类的高温热源，而发动机本身不需要进 行任何改造。对于冶金余热高温废气，如果其含 尘量或含硫量超标 ，作为废热锅炉必须采取大量 而复杂的设计才能对其适应，而有些特殊工艺直 接将废热锅炉拒之I -l b 。热气机却只要简单的做 好相应的耐磨结构即可，适应性大为提高。 3 由于采用了独立的燃烧室，可以很容 易的控制进入燃烧室的燃料或热废气总量。即便 废热资源不稳定， 对热气机的影响也很小。更能 适应烧结、炼铁等频繁变化的工况。 4 热适应性好，从 2 0 0 1 0 0 0 ℃的高温热 Vo 1 ． 31 No ．1 J a n ． 2 0 1 2 冶金能源 E NE RGY F OR ME I AI 上UR GI C AL I NDU S T RY 5 9 废气均能接受，最低可接受 1 0 0 ℃的低温生产。 余热易于回收，容易实现热电联产。 5 热气机的整体结构 比较简单，密封结 构较少，润滑系简单。相比内燃机、汽轮机、锅 炉的维护更为简便。气缸的结构简单，相比汽轮 机没有复杂的进排蒸汽装置，没有复杂的射水泵 系统，冷却系统也较简单 ，维护成本相应降低。 6 单机 容量较小 ，可灵 活分 布。在大容 量的装机情况下，可通过模块化阵列组合形式实 现输出大功率的场所。 3 热气机的缺点 纵然热气机有很多优点，但同时也有几大缺 点，在冶金行业某些特定的工艺环境下使用还有 待改进 1 瞬态功率调整性能较差。热气 机的功 率输出相对比较稳定，很难迅速的从一个功率等 级调整到另一个功率等级，当热气机为风机提供 动力时，不能对不同的工况迅速做出反应 ， 且瞬 间提高动力性非常差，风机需要配置调节阀门保 持迅速调节性，造成功率浪费。 2 快速启动性较差，热气机不能开机马 上正常工作，需要一段暖机的过程，时间较长。 对于需要快速启动的工况如风机和水泵等不能适 应 。 3 热气机的冷却端需要尽可能低的温度， 以此来提高热效率，这样就导致了冷却端的排气 需要较大面积的散热器，特别对于小温差工况下 的热气机，由于散热器的缘故，无法实现紧凑设 计。在模块化阵列组合时相互制约，因此必须引 人水冷系统，增加了系统的复杂性。 4 氢、氦的低分子质量特性使其非常适 合作为热气机的工质，但氢、氦为小分子物质， 密封比较困难，因此须增加储气罐或气体发生器 来保障氢、氦的需求量。以氢、氦为工质也会带 来腐蚀、脆化、工质流程复杂等问题，由此增加 的辅助装置也增加了成本与系统的复杂性。 5 燃烧室的要求不高，但加热器与工质 之间必须保障无腐蚀、无污垢，因此技术要求较 高。 6 加工、装配精度要求较高，但相 比废 热锅炉和汽轮机的极度复杂，还是可以承受的。 4 热气机的适用范围 目前热气机在冶金企业中余热利用的最佳应 用范围是在较高温度、 较少热风流量的工况下 ， 对 烧结、 炼铁、 炼钢等生产工序作为补充功率储备。 例如，在2 0 0 2年，中钢热能为北京直还铁 厂球团回转窑的窑尾配置了一台立式热管烟道锅 炉 ，回转窑废 烟气 温度 约为 6 2 4 ℃ ，烟气 量为 4 0 0 0 0 m ／ h 。因废烟气中含有大量的灰尘，为延 长锅炉寿命，换热采用了热管式，可以防止换热 面的破坏对锅炉产生漏水影响， 在某段换热面破 裂的情况下，不影响其他受热面。但这种措施不 能从根本上解决问题，破损的热管不可恢复。从 锅炉服役开始， 蒸汽产量2 t ／ h ，一年半以后，多 半热管已经破坏，蒸汽产量降低至0 ． 5 t ／ h ， 严重 低于设计能力 ，回收的热量不足以抵消锅炉的运 行成本。热管锅炉虽然采用了热管将换热段和受 热段分开，但是由于热管制造采用的钢管管壁不 能太厚， ． 而热管的热物理性能决定，其本身内部 在受热后会产生较大的压力，在温度突变的情况 下不能有效缓解内部压力的急剧增大，因此在外 壁冲刷和内腔增压的情况下容易产生破坏。在余 热回收应用中，如果采用了热气机回收能源，热 气机内部产生的压力变化却正适合机械能的转 换 ，受热燃烧室的换热部分只要做到同等的受热 面面积 ，即可完成相应 的热交换。由于灰尘的冲 刷使受热面受损，只要更换燃烧室受热面即可恢 复热气机的运行。 再则，近年来在烧结余热的回收过程中，全 国各大钢厂在烧结冷却工段，大量采用了回风烧 结余热发电系统。系在 日 本川崎锅炉的技术上进 行改进，利用风机循环系统在烧结冷却机前段装 备余热锅炉生产双压蒸汽， 进而采用补汽凝汽式 汽轮机带动发电机发电。为达到节能减排的目 的，很多企业已经对其进行了应用。但是， 在整 个系统中，循环风机本身需要消耗大量的电能， 带来的能源消耗只能抵消回热风所带来的多余热 量，因此可以减排但并不能节能。而采用蒸汽作 为中间介质，需要进行二次热交换才能用汽轮机 将热能转化为机械能，从而带动发电机发电。 在烧结余热的回收中如果采用了热气机，可 以省却废热锅炉和汽轮机设备，代之以热气机直 冶金能 源 E NE RG Y F O R ME TA I UR GI CA L I ND Us T R Y Vo L 31 No ． 1 J a n ． 2 0 1 2 接将废热烟气的热量转化为机械能。而此时输出 的回转机械能不仅可以作为发电使用， 也可以作 为其他冷却风机的动力源使用，降低整个系统的 运行成本。 热气机也可以在高炉煤气余压发电系统中采 用，由于煤气直接燃烧能够带来更高的温度，可 以更多的提高热气机 的效率。总之 ，在冶金行业 的很多工序中灵活加以运用， 可以有更宽广的应 用前景 。 5 热气机的适应性改进 1 提 高热气机 的可靠性。作为新型 的能 源转化设备 ，在冶金行业中的不同工况下的经验 较少，因此它的可靠性还有待实践的检验和改 进 。 2 提高热效率。气流流动和传热相互影 响、相互作用 ，而气动损失是 目前热气机设计中 面临的最大难题之一。如何考虑其流通道设计 ， 尽可能将死容积减到最小 ，如何使用正确 的膨胀 比，如何增大燃烧室的换热效率，如何尽可能将 温度损失减到最低，以及如何综合的平衡这些因 素和目 标等，这些都是在未来的热气机设计、改 进中具有相当大潜力的地方。 3 通过优 化换热器 的表 面结构 ，以提高 热流密度的设计方法目前基本已经完善。未来发 展的方向之一是集合纳米材料技术，改善换热材 料的物性参数，提高传热系数。 ， 4 氢、氦作 为热气机 的工质 ，对密 封性 能提出较高的要求。活塞环和活塞连杆 的动密封 应保障工质不从汽缸 内泄漏出去 ，而润滑油不能 进人汽缸，因此密封技术的改进也是当务之急。 6结语 ， 热气机以其适应温度的灵活性、较高效率、 低噪声、低排放、低维护成本、模块化组合等优 势，完全可以在冶金行业的余热利用领域发挥巨 大的作用，尤其是余热发电系统的应用更能得到 完美地发挥 。 从严格意义上来讲，热气机在冶金行业的应 用研究上还不够成熟 ，还没有进入实用阶段。但 不可否认 ，热气机技术是 2 1世纪能源动力系统 中的关键技术之一，对于提高能源利用率和减轻 环境污染都有着非常积极的作用。继续深人研发 与实验，提高热气机的实用性，对于冶金行业的 节能减排有着深远的意义。 ’ 赵艳编辑 上接第 5 6页 一 1 3 5 h ；② 电能冷却水循环泵电耗约 6 0 0 k W，折合 一6 0 0 0 ． 5一 3 0 0 己 ／ h 。 2 汽化冷却余热回收装置的基建投资 1 6 0 0～ 2 0 0 0万元 。 运行 费用估 算 ① 软 水 排 污损 耗 1 0 ％， 补水流量约为 1 0 t ／ h ，折合 一1 0 3 ． 6一 3 6 h ； ②电能 工作电耗2 5 0 k W，折合 一 2 5 0 0 ． 5 一1 2 5 ff _ ／ h 。收益 饱 和蒸汽 1 ． 0～ 1 ． 6 MP a ， 约 9 t ／ h ，折合9 9 0 8 1 0 h 。 按年工作小时 3 0 0 2 4 7 2 0 0 计 ，汽化冷却 余热回收装置的年运行成本比水冷设施低 1 9 7万 元，汽化冷却余热回收装置的年收益 5 8 3 万元， 1 ． 7 1 ． 9 年即可收回基建投资净差。 从社会效益 方面分析，余热回收的蒸汽可用于饱和蒸汽发 电、可供应 V D真空精炼，年节约标煤约 O ． 7 2 万 t ，减少 C O 2 排放 1 ． 6 3万 t ／ a ，减少 S O 2 排放 1 4 4 t ／ a ，减少灰尘、灰渣等大气污染排放 0 ． 2万 t ／a o 5 结语 电炉烟气余热回收装置运行安全、可靠 ，各 项经济指标均达到甚至超过设计规定值，经济效 益显著，为国内炼钢企业节能降耗及提高全厂循 环经济效益开辟了一条新途径。 参考文献 [ 1 ]李国盛，黄伟 ， 杨明华等 ．电炉烟气余热回收装 置的研发与工程实践 [ J ] ．冶金能源 ， 2 0 0 9 ，2 8 1 4 1 - 4 3 ． [ 2 ]刘改娟 ， 李佩泉，孙群利等 ． 1 0 0 t 电炉烟气余热回 收实践 [ J ] ．冶金动力 ， 2 0 0 8 ， 5 3 6 3 9 ． 赵艳编辑