1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

一、课题的研究背景

　　随着钢铁工业的发展,炼铁过程中产生的高炉煤气(BFG)量逐年增加。高炉煤气中可燃成分含量少,煤气的热值低,阻碍了高炉煤气的有效利用。目前,高炉煤气除在热风炉中自用和供炼焦炉加热外,还用于发电和供热,以及利用高炉煤气本身的压力,通过膨胀透平拖动发电机和用于蓄热式轧钢加热炉等[1] 。高炉煤气发电这几年来方兴未艾, 被证明是高炉煤气利用的有效方法。高炉作为造气装置还存在巨大的潜力, 通过全氧鼓风操作可以使其煤气热值提高2 倍以上,外供的煤气量也明显增加,氧气高炉2联合循环(OBF2CC) 炼铁发电流程将是先进炼铁和发电工艺的联合体,如果得到应用将会改变钢铁工业的面貌[2]。节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时,余热利用在对改善劳动条件、节约能源、增加生产、提高产品质量、降低生产成本等方面起着越来越大的作用,有的已成为工业生产中不可分割的组成部分。自上世纪六七十年代以来,世界各国余热利用技术发展很快。目前,我国的余热利用技术也得到了长足进步,但是与世界先进水平还有一定的差距,有一部分余热尚未被充分利用,有一部分余热在利用中还存在不少问题[3]。

二、高炉煤气燃气轮机简介

1. 高炉煤气的特点与利用

高炉煤气是炼铁过程产生的伴生气, 它 的主要成份 是CO , CO2, N2, H2 , CH4等 % 。由于各钢铁企业炼铁煤与焦炭的 比例不同, 其高炉煤气的可燃成份也不相同。 大型企业工艺先进、设备精良, 其焦比低, 高 炉煤气的热值也低, 中小企业炉容小, 能耗 高, 所以高炉煤气的热值也高。钢铁企业的 高炉煤气热值一般在 3125~ 3542kJ/ Nm3 左 右。高炉煤气为低热值气体燃料, 属于二次 能源, 与高热值燃料相比燃烧温度虽不算高, 但它仍能产生对目前热机而言已足够高的燃 气或蒸汽温度, 从能源品位来看, 目前仍属于 高品位能源。 为了更合理地利用这部份能源, 并考虑 到出功比出热难, 须遵照# 高温段出功、低温 段供热#8707;的原则, 尽量用来多发电以获得高品 位能。而其排出的无法在热机上应用的余 热, 是低品位能量, 可作为供应较低温度的蒸 汽或热水用。燃气轮机作为高效率的热机其 燃烧 温度达到 1200% 以上, 排气 温度在 500% 以上, 能满足高温段出功的要求, 其排 气产生蒸汽用来发电。汽轮机的排汽可作供 热使用。这一能量使用的梯级原则显然也适 用于高炉煤气的利用。 现在的钢铁企业由于技术上的原因仅仅 把高炉煤气作为锅炉的燃料, 产生蒸汽来驱 动汽轮机发电, 其热效率只能达到 25% 左 右。甚至有的企业一时难以平衡高炉煤气的 产量就采取放空焚烧的办法来排放高炉煤 气, 既污染环境又浪费能源。为此, 燃用高炉 煤气的燃气轮机受到钢铁行业的关注[6]。

2.技术特点

1) 高炉煤气的可燃成分是 CO 和H2,相对于天然气中的 CH4 来讲, 燃烧极限范围比较宽。但是由于CO和H2含量少,热值比较低,火焰管内气流的流速较大, 燃烧时容易发生吹熄现象 。

(2) 高炉煤气燃烧时火焰传播速度也是决定燃烧工况是否稳定的一个重要参数。火焰传播速度与过 量空气系数密切相关。调整燃烧空气供给量改变过量空气系数,使火焰传播速度处于最佳范围,就可以达到稳定燃烧工况的目的[15] 。

(3) 高炉煤气的主要可燃成分是 CO, CO 的燃烧 反应速度比较低,为确保燃烧完全, 需增大 CO 在燃 烧区内的停留时间,为此需要增大火焰管的直径或是使回流效应强化, 以便改善燃料与空气的混合速 率 。

( 4) 由于高炉煤气的发热量低,为了使燃烧室出口的燃气温度T* 3保持恒定,供给燃烧室的高炉煤气的容积流量就要比天然气大10- 20倍, 因而煤气喷嘴、燃烧室火焰管的头部以及输气管的尺寸都要相应的增大。

( 5) 高炉煤气的容积流量显著增加破坏了常规燃气轮机中压气机和透平的流量平衡。需要采取措施对常规燃气轮机进行改造才能使用, 改造的方法有两种, 一种是增加透平的通流能力,另一种是减小压气机的空气流量。

(6) 单筒燃烧室具有容积大、热容强度小、易于组 织燃烧等优点, 有利于满足高炉煤气热值低, 可燃范围窄, 燃烧速度低的特点, 但也需要进行改造, 如加大燃烧室和旋流器直径, 采用值班喷嘴来保证燃烧稳定 。

(7) 在燃气轮机燃烧室中直接燃烧中低热值煤气 的燃烧过程比较容易组织, 但燃烧产物中的 NOx 可能超标。为解决此问题,可像燃烧天然气的情况一样, 酌情向燃烧室中喷射一定数量的水蒸气;或者是在中低热值煤气进入燃烧室之前,向其中喷水,使其被水蒸气饱和 [1]。

三、余热的回收利用

1.概述

余热属于二次能源,它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物,是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。一般分成下列七大类:高温烟气余热、高温蒸汽余热、高温炉渣余热、高温产品余热(包括中间产品)、冷却介质余热、可燃废气余热、化学反应及残炭的余热、冷凝水余热等。常见的余热利用方法主要有:余热锅炉、热水法、预热空气、烟气-流体换热器、加工物料等。

2余热锅炉技术

余热锅炉与常规锅炉的区别：余热锅炉利用燃气轮机排出的废气为热源，因此无需燃烧系统(除非有补燃要求)；余热锅炉无需配备风机(通风来自燃气轮机的排气)；余热锅炉可在多压状态下产生蒸汽以提高热回收效率；热传导靠对流而不是靠辐射；余热锅炉不采用膜式水冷壁结构；余热锅炉采用翅片管最大限度地强化传热。

3.工业余热一般利用途径

3.1 余热的直接利用 余热的直接利用是最常见的回收利用方式。具体的应用领 域有： （1）预热空气。利用加热炉高温排烟预热其本身所需空气， 以提高燃料效率，节约燃料消耗。 （2）干燥。利用工业生产过程的排气来干燥加工零部件和材 料，如铸工车间的铸砂模型等；还可以干燥天燃气、沼气等燃料。 在医学上，工业余热还能用来干燥医用机械。 （3）生产热水和蒸汽。利用低温余热来产生 70 ℃～80 ℃或更 高、更低温度的热水和低压蒸汽，供应生产工艺和生活的不同需 求。 （4）制冷或供热。利用低温余热来加热吸收式制冷机的蒸发 器，或作为热泵的低温热源，达到制冷或供热的目的。 国外对余热的直接利用已经开展得比较成熟。R Tugrul Ogulata 等设计了一种热量回收系统，以用于纺织行业中纺织品 的烘干过程。在纺织品烘干过程中，被用来干燥的空气温度升 高，湿度增加并且被一些灰尘以及化学物质所污染，因此不能用 于再次干燥。在传统工业中，这些”废气”会被直接排放到大气 中，其中的热量就被浪费掉。Ogulata 设计了一种废气循环系统， 运用同流换热器，将用过的高温、高湿的废气对纺织品进行预 热，并循环利用，很好地降低了能耗。

3.2 余热的动力回收 对于中高温余热，最好使其产生动力，直接作用于水泵、风 机、压缩机，或带动发电机发电。例如，各种工业窑炉和动力机械 的排烟温度大都在 500 ℃以上，甚至达 1 000 ℃左右，可装设余 热锅炉产生蒸汽，推动汽轮机产生动力或发电；对于中温余热， 为提高动力回收的效率，宜采用低沸点介质（如正丁烷 F－114 等），按朗肯循环进行能量转换，达到余热动力回收的目的。

3.3 余热的综合利用 余热的综合利用方式是根据工业余热温度的高低而采取不 同的方法，以做到”热尽其用”，因而它是最有效的利用余热的途 径。例如，利用高温余热产生的蒸汽，通过供热机组取得热电合 供的效果；利用有一定压力的高温废气，先通过燃气轮机做功，再利用其排气通过余热锅炉产生蒸汽，进入汽轮机做功，形成燃 气#8212;蒸汽联合循环，以提高余热的利用效率，加之使用汽轮机抽 气或排气供热，余热经多次利用，就更扩大了其回收利用的效 果。 在余热回收利用系统中，若采用热泵技术，可进一步提高余 热的能级和利用效果，S Spoelstra 等人对使用高温热泵回收的工 业废热进行了研究。他们改良升级了异丙醇热泵和盐/氨水混合 蒸汽热泵这两种可用于废热利用的系统，并分别进行了模拟实 验，其结果表明：前者具有更高的焓效率和 COP，且无副产品的 形成，因而能更有效地回收利用余热，其平均内部收益率（IRR） 达到了 14％[16]。

3.水管锅炉

多年来,在世界各地运行的联合循环电厂中,主要采用两种类型的余热锅炉,一种是卧式余热锅炉,这种锅炉的水管呈垂直布置,燃气轮机排除的烟气水平地流经水管;另一种是立式余热锅炉,这种锅炉的水管呈水平布置,燃气轮机排出的烟气垂直地流经水管[17]。本课题研究的是第一种,卧水管余热锅炉。锅炉由燃烧装置、锅炉本体、炉墙等几部分构成[18]

卧式余热锅炉机械设计特性:

易与脱氧化氮和一氧化碳的触媒设备相配

易与大功率补燃设备相配

易于满足高地震区的设计要求

钢结构量少。

3.1水管锅炉的概述

水管锅炉在锅筒外部设水管受热面，高温烟气在管外流动放热，水在管内吸热, 所谓水管锅炉(a water tube boiler) [19]，就是水、汽或汽水混合物在管内流动，而火焰或烟气在管外燃烧和流动的锅炉

3.2 水管锅炉的几种分类

3.2.1

水管锅炉按水循环的方式来分可以分为自然对流水管锅炉和强制对流水管锅炉,很多水管锅炉以水自然循环原理运行,给水从省煤器来,如果没有省煤器,就从给水加热器中来[20], 较冷的给水从锅炉锅筒的隔板后进入，由于冷水密度大，它在下降管内向下流向较低的下锅筒取代向上进入前部水管较热的水。继续加热会在前部水管产生蒸汽泡，在上锅筒内与热水分离并离开上锅筒,原理图如下图所示

3.2.2

按锅筒的布置方式分可以分为纵置式和横置式纵置，锅筒锅炉是最初的水管锅炉形式，以热虹吸原理[21]运行。

A 纵置锅筒锅炉

较冷的给水进入纵向布置在热源上方的锅筒。较冷的水下降到后面循环联箱进入几个倾斜的被加热的炉管。当水温度上升，就向上通过倾斜的炉管，沸腾后密度下降，因此沿倾斜炉管向上循环，热水和蒸汽进入前循环联箱返回锅筒,在锅筒内，蒸汽泡与水分离后蒸汽离开。纵置锅筒锅炉典型的容量范围从2250kg/h到36000kg/h。

B 横置锅筒锅炉

横置锅筒锅炉与纵置锅筒锅炉的不同之处在于锅筒与热源交叉布置，横置锅筒与纵置锅筒工作原理相同，只是沿锅筒的温度更均匀。因此在高负荷时有水循环失效的风险，如果上升管内变干，管子就要过热直至损坏。横置锅筒锅炉也有额外的优势，由于横置的方式因此可布置很多倾斜管。横置锅筒锅炉典型的容量范围为从700kg/h到240000kg/h [22]。

3.3 技术革新

3.4水管锅炉的利弊

3.4.1 水管锅炉的优点

1、水容积小，因此对负荷变化和热量输入反应快。

2、炉管和锅筒直径小意味着可承受更高的压力，直到160bar，可用于电站[23]。

3、在炉墙上可设计很多燃烧器，可水平或垂直燃烧，容易控制锅炉各部分的温度。这点对如果锅炉有过热器，并且要求控制过热温度来说特别重要。

4、立式余热锅炉采用大型循环流化床锅炉成熟的高温旋风分离器结构,烟气上出, 灰尘下降, 除尘分离效率高(大于90%),真正起到气、固两项的分离效果, 降低了烟气的含尘量, 减轻了锅炉尾部受热面的磨损,寿命长[24]。

3.4.2 水管锅炉的缺点

1、它们不像锅壳锅炉那样简单的作成快装形式，因此要求更多的现场工作量。

2、多燃烧器选项提供了灵活性，但在电站使用30个或更多燃烧器意味着复杂的控制系统[25]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一．课题研究的内容

本课题研究对象是：高炉煤气燃气轮机余热发电卧式水管锅炉设计a

。