高建業(yè)  馮軍勝  董輝

( 東北大學(xué)  國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

摘 要  基于熱力學(xué)第一、第二定律，建立燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用工藝的熱力學(xué)分析模型，揭示用能過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)。首先，系統(tǒng)分析燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用系統(tǒng)的工藝流程，并在此基礎(chǔ)上建立燒結(jié)礦余熱豎罐式回收工藝的熱力學(xué)分析模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)。以國(guó)內(nèi)某360m2 燒結(jié)機(jī)對(duì)應(yīng)豎罐式余熱回收系統(tǒng)為例，分析影響其余熱回收與利用的主要因素及其制約環(huán)節(jié)。研究結(jié)果表明:豎罐式余熱回收系統(tǒng)中，燒結(jié)機(jī)、豎罐、余熱鍋爐的火用效率分別為45. 55%，65. 63%，57. 94%，系統(tǒng)總的火用效率為17. 32%。燒結(jié)機(jī)的火用量損失最大，火用損系數(shù)達(dá)68. 24%。

關(guān) 鍵 詞  燒結(jié)礦  余熱回收  豎罐  火用分析

燒結(jié)礦余熱豎罐式回收是高效回收燒結(jié)余熱的工藝技術(shù)之一。同傳統(tǒng)的基于鼓風(fēng)式環(huán)冷機(jī)或帶式冷卻機(jī)形式的余熱回收系統(tǒng)相比，豎罐式回收系統(tǒng)具有漏風(fēng)率幾乎為零、氣固熱交換充分、出口熱載體能級(jí)較高等優(yōu)點(diǎn)^{［1 － 4］}。燒結(jié)礦余熱豎罐式回收與利用的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換與利用，采用熱力學(xué)分析的方法揭示系統(tǒng)中用能設(shè)備和能量的有效利用狀況，找出用能薄弱環(huán)節(jié)，完善余熱回收系統(tǒng)，對(duì)指導(dǎo)改進(jìn)工藝技術(shù)具有十分重要的意義。

迄今，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已開展了有關(guān)燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)的熱力學(xué)分析，但主要針對(duì)基于鼓風(fēng)式環(huán)冷機(jī)或帶式冷卻機(jī)的燒結(jié)系統(tǒng)，包括筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)國(guó)內(nèi)某些大型燒結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行的熱力學(xué)分析。畢德貴等^［5］用火用分析法對(duì)比分析2個(gè)燒結(jié)系統(tǒng)中不同的燒結(jié)余熱回收方式，討論了2 種工藝路線的余熱回收效益; 曹衛(wèi)華等^［6］采用火用分析方法對(duì)某鋼鐵廠燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行研究，以系統(tǒng)火用效率作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量利用率的指標(biāo)，建立了評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行效率的火用效率模型;董輝等^［7］運(yùn)用火用分析的相關(guān)方法對(duì)鞍鋼某360m²燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了全方位的熱工測(cè)試與分析; 劉文超等^［8］以熱效率和火用效率為基本準(zhǔn)則，分析了環(huán)冷機(jī)模式燒結(jié)余熱回收利用過(guò)程中各種形式的余熱在數(shù)量上的守恒與品質(zhì)上的匹配關(guān)系; 孫用軍等^［9］繪制了燒結(jié)－ 冷卻－ 余熱回收系統(tǒng)的物流圖和火用流圖，建立了有關(guān)能量輸出、轉(zhuǎn)換與利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前，罐式回收燒結(jié)礦余熱仍處于技術(shù)攻關(guān)階段，在如前的熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，文章采用熱平衡分析和火用分析的方法對(duì)燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，旨在找到影響燒結(jié)余熱罐式回收與利用的主要影響因素及其影響規(guī)律，為改善工藝用能效率的方法指明方向，進(jìn)一步為該技術(shù)的工程化實(shí)施奠定好基礎(chǔ)。

1   燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用熱力學(xué)分析模型的建立

1. 1   豎罐式回收燒結(jié)礦余熱工藝流程

燒結(jié)余熱罐式回收利用工藝是借鑒干熄焦工藝中干熄爐的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)參考煉鐵高爐結(jié)構(gòu)提出的。燒結(jié)礦余熱空罐式回收利用工藝流程圖見圖1。

(1) 燒結(jié)礦流程: 熾熱的燒結(jié)礦經(jīng)破碎后，從罐體頂部裝入豎罐，在冷卻段被上行的冷卻風(fēng)冷卻，而后經(jīng)排料裝置從豎罐底部排出;

(2) 冷卻風(fēng)流程: 冷卻風(fēng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入，在豎罐底部經(jīng)均勻布風(fēng)后上行吸收燒結(jié)礦攜帶的大量顯熱，然后從豎罐環(huán)形風(fēng)道出口排向一次除塵器，除塵后再進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換。換熱后的氣體再由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新鼓入罐體內(nèi)，氣體在封閉的系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用;

(3) 水/蒸汽流程: 純水與汽輪機(jī)內(nèi)做功后的乏汽經(jīng)除氧式冷凝器除氧后進(jìn)入余熱鍋爐，與鍋爐內(nèi)的熱風(fēng)進(jìn)行熱交換后變成過(guò)熱蒸汽，而后進(jìn)入汽輪機(jī)－ 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電。

1. 2   熱力學(xué)分析模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

在燒結(jié)礦余熱豎罐式回收系統(tǒng)中，燒結(jié)礦在豎罐內(nèi)將其攜帶的顯熱傳遞給冷卻風(fēng)，被加熱后的冷卻風(fēng)再將其攜帶的熱量在余熱鍋爐內(nèi)傳遞給過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)－ 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電。將燒結(jié)－ 豎罐冷卻－ 余熱利用系統(tǒng)視為一個(gè)整體系統(tǒng)，則整體系統(tǒng)的能量輸入是各子系統(tǒng)的能量輸入，而有效的能量輸出為汽輪機(jī)－ 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出的電能。根據(jù)系統(tǒng)中能量輸入、輸出特點(diǎn)，采用系統(tǒng)灰箱串聯(lián)能量分析模型^［10］評(píng)價(jià)系統(tǒng)用能狀況，并建立熱力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用系統(tǒng)的串聯(lián)模型如圖2 所示。圖中，E ⁺_i表示供入子系統(tǒng)i 的能量; E ^－_i表示子系統(tǒng)i 輸出的能量; E_Li表示子系統(tǒng)i 內(nèi)部和外部能量損失之和; E^g_i表示帶入子系統(tǒng)i 的能量; E_Li，j表示從系統(tǒng)i 到系統(tǒng)j 的能量損失。

灰箱串聯(lián)模型中的能量，在進(jìn)行焓分析時(shí)為子系統(tǒng)各環(huán)節(jié)熱量，在火用分析時(shí)，為子系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的火用量。各子系統(tǒng)的能量平衡方程為:

局部能量損失ΔE_i，即輸入子系統(tǒng)i 的能量與系統(tǒng)i 有效輸入子系統(tǒng)i + 1 的能量之差:

局部能量損失系數(shù)ζ_i，即局部能量損失ΔE_i占整個(gè)系統(tǒng)能量損失ΔE_總的百分比:

局部能量利用率ε_i，即子系統(tǒng)i 輸出能量能夠被繼續(xù)利用的那部分能量所占比例:

局部能量轉(zhuǎn)換率η_i，即子系統(tǒng)i 的輸出能量與輸入能量之比:

局部能量利用效率μi，即子系統(tǒng)輸出能量中能夠被繼續(xù)利用的那部分能量占此系統(tǒng)輸入能量的比例:

整個(gè)燒結(jié)罐式余熱回收系統(tǒng)的總體效率μ_總:

如果忽略E^g_i，則上式可簡(jiǎn)化為:

運(yùn)用熱平衡法，以熱效率為基本準(zhǔn)則，分析、評(píng)價(jià)用能設(shè)備和系統(tǒng)能量有效利用狀況，選取局部熱損系數(shù)ζ_熱，i，局部熱轉(zhuǎn)換率η_熱，i，局部熱利用率ε_熱，i，局部熱效率μ_熱，i和罐式回收系統(tǒng)總熱效率μ_熱，總作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

火用，即可用能，是指能量在理論上能夠可逆地轉(zhuǎn)換為功的最大能量。它作為一種評(píng)價(jià)能量?jī)r(jià)值的參數(shù)，從“量”和“質(zhì)”兩個(gè)方面規(guī)定了能量的“價(jià)值”。在采用火用分析方法進(jìn)行分析時(shí)，選取局部火用損系數(shù)ζ_火用，i，局部火用轉(zhuǎn)換率η_{火用，i}，局部火用利用率ε_{火用，i}，局部火用效率μ_{火用，i}和罐式回收系統(tǒng)總火用效率μ_火用，總作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2   實(shí)例分析

選取國(guó)內(nèi)某360m² 大型燒結(jié)機(jī)來(lái)進(jìn)行實(shí)例分析。燒結(jié)機(jī)采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)，利用系數(shù)為1. 32t /( m²h) ，年生產(chǎn)燒結(jié)礦390 萬(wàn)t。利用豎罐( 單罐) 冷卻回收燒結(jié)礦余熱，豎罐進(jìn)口風(fēng)溫60℃，出口風(fēng)溫540℃; 進(jìn)口礦溫700℃，出口礦溫103℃; 冷卻空氣流量為62. 5 萬(wàn)m³ /h^［11］; 此時(shí)對(duì)應(yīng)余熱鍋爐系統(tǒng)高壓蒸汽參數(shù)為: 4. 2MPa，80. 87t /h， 480℃; 低壓蒸汽參數(shù)0. 4MPa，17. 64 t /h， 206℃。鍋爐給水量98. 51t /h，凝結(jié)水進(jìn)口介質(zhì)溫度60℃^［12］。結(jié)合如前所建立的熱力學(xué)分析模型，做如下熱平衡分析和火用流分析。

2. 1   燒結(jié)－ 豎罐冷卻－ 余熱回收系統(tǒng)熱平衡分析

基于能量平衡首先對(duì)燒結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。能量輸入端有混合物料及燃料帶入的物理熱及燒結(jié)過(guò)程的反應(yīng)熱; 能量的輸出端主要有燒結(jié)礦的物理熱及燒結(jié)煙氣顯熱。在自然環(huán)境中進(jìn)行的燒結(jié)過(guò)程存在著熱量散失，因此，由于散熱進(jìn)行的熱量損失也不可忽略。燒結(jié)系統(tǒng)熱平衡表見表1。

豎罐系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為一個(gè)氣固傳熱過(guò)程，即將燒結(jié)礦所含的物理熱通過(guò)氣固傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)闊犸L(fēng)顯熱。能量輸入端主要為燒結(jié)礦帶入的顯熱以及冷卻空氣帶入的一部分熱量，而冷卻空氣又可分為兩部分，一部分為常溫空氣，另一部分為余熱鍋爐輸出端的低溫?zé)犸L(fēng)。而豎罐工藝參數(shù)處所注的70℃進(jìn)口風(fēng)溫即為常溫空氣和余熱鍋爐輸出端低溫?zé)犸L(fēng)的綜合平均值。能量輸出端為冷燒結(jié)礦所含熱量與豎罐出口熱風(fēng)顯熱之和。豎罐系統(tǒng)熱平衡表見表2。

設(shè)計(jì)鍋爐為雙壓無(wú)補(bǔ)燃自然循環(huán)鍋爐，鍋爐的給水( 凝結(jié)水) 經(jīng)各自的給水操作臺(tái)進(jìn)入省煤器加熱后，接近飽和溫度的水進(jìn)入鍋筒; 鍋筒內(nèi)的水經(jīng)下降管進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)受熱后成為汽水混合物又回到鍋筒; 在鍋筒內(nèi)進(jìn)行汽水分離，分離下來(lái)的水回到鍋筒的水空間，飽和蒸汽則通過(guò)飽和蒸汽引出管被送到過(guò)熱器。飽和蒸汽在過(guò)熱器內(nèi)被加熱成過(guò)熱蒸汽，然后經(jīng)減溫器調(diào)溫，達(dá)到規(guī)定的蒸汽溫度后，經(jīng)主汽管送入汽輪機(jī)^［12］。

余熱鍋爐的熱平衡表見表3。余熱鍋爐的輸入與輸出相對(duì)比較簡(jiǎn)單，輸入端主要是豎罐出口熱風(fēng)以及60℃ 水所含有的焓值，輸出端為高溫蒸汽以及熱風(fēng)換熱之后所攜帶的焓值，而這些低溫的熱風(fēng)將再次進(jìn)入豎罐系統(tǒng)。由于余熱鍋爐的密閉性非常良好，因此其散熱損失可以忽略，它只存在能量上的貶值。

對(duì)整個(gè)燒結(jié)礦余熱豎罐式回收系統(tǒng)而言，通過(guò)熱評(píng)價(jià)體系相關(guān)公式計(jì)算可得燒結(jié)系統(tǒng)、豎罐系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)的局部熱轉(zhuǎn)換率η_熱，i，局部熱利用率ε_熱，i，局部熱效率μ_熱，i，局部熱損系數(shù)ζ_熱，i，見表4。

整個(gè)系統(tǒng)的熱效率:

μ_{熱，總}= 41. 77 % × 64. 01% × 79. 09% = 21. 15%

由表可知，余熱鍋爐的熱轉(zhuǎn)換效率最大，高達(dá)94. 07%，即余熱鍋爐輸入熱量有94. 07% 轉(zhuǎn)化為蒸汽和低溫?zé)犸L(fēng)等形式輸出，由于鍋爐散熱等因素引起的熱損失僅占鍋爐輸入熱量的5. 93%; 其次為豎罐系統(tǒng)， 熱轉(zhuǎn)換效率為79. 81%，燒結(jié)礦輸入熱量?jī)H浪費(fèi)掉大約五分之一; 而燒結(jié)機(jī)的熱轉(zhuǎn)換效率最低， 僅為60. 76%，分析原因?yàn)闊Y(jié)機(jī)散熱損失嚴(yán)重，諸如碳酸鹽分解熱，混合料物理水蒸發(fā)熱等散熱損失沒(méi)有得到充分利用。

整個(gè)系統(tǒng)熱效率為21. 15%，意味著整個(gè)罐式回收系統(tǒng)中的輸入熱量有21. 15% 轉(zhuǎn)化為高低壓蒸汽繼續(xù)輸入到汽輪機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)橛酂徨仩t屬于設(shè)計(jì)值，因此可以反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果整個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到21. 15% 的熱效率，那么余熱鍋爐系統(tǒng)的熱效率至少要達(dá)到79. 09%。

2. 2   燒結(jié)－ 豎罐冷卻－ 余熱回收系統(tǒng)火用分析

燒結(jié)系統(tǒng)的火用輸入項(xiàng)主要為固體燃料和點(diǎn)火煤氣燃燒所產(chǎn)生的化學(xué)火用，其余還有混合物料含有的一部分火用。而助燃以及冷卻所通入的常溫常壓空氣，雖然含有一定的熱量，但是從能級(jí)角度上講，它們的能量并沒(méi)有產(chǎn)生價(jià)值，因此這部分的火用量近似為零。燒結(jié)系統(tǒng)的火用輸出項(xiàng)主要為燒結(jié)礦及燒結(jié)煙氣的溫度火用，混合物料的物理蒸發(fā)熱火用及其他一部分火用損失。

燒結(jié)系統(tǒng)具體火用輸入輸出平衡表見表5。

豎罐系統(tǒng)的火用輸入項(xiàng)主要為燒結(jié)礦所帶來(lái)的物理熱火用，以及70℃冷卻空氣所帶來(lái)的一部分火用值; 豎罐系統(tǒng)的火用輸出項(xiàng)主要為出口熱風(fēng)溫度火用以及冷礦所含有的一部分火用值。這里計(jì)算的出口熱風(fēng)以及熱礦的火用值主要是其溫度火用，空氣在被鼓入到出口時(shí)雖然壓力有一定的變化，但變化比較小，因此壓力火用可以忽略。豎罐系統(tǒng)具體火用輸入輸出平衡表見表6。

余熱鍋爐系統(tǒng)的火用輸入項(xiàng)主要為豎罐系統(tǒng)端的出口熱風(fēng)所含有的溫度火用，以及鍋爐所給60℃低溫水所含的部分火用量; 余熱鍋爐系統(tǒng)的火用輸出項(xiàng)主要為高壓蒸汽所攜帶火用值及低壓蒸汽所攜帶的火用值，除此之外低溫?zé)犸L(fēng)也攜帶部分火用量，余熱鍋爐系統(tǒng)火用平衡表如表7 所示。

對(duì)整個(gè)罐式余熱回收系統(tǒng)而言，通過(guò)火用評(píng)價(jià)體系相關(guān)公式，計(jì)算燒結(jié)系統(tǒng)、豎罐系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)中的局部火用損系數(shù)ζ_{火用，i}，局部火用轉(zhuǎn)換率η_{火用，i}，局部火用利用率ε_{火用，i}，局部火用效率μ_火用，i和罐式回收系統(tǒng)總火用效率μ_火用，總，見表8。

整個(gè)系統(tǒng)的火用效率: μ_熱，總= 45. 55 % × 65. 63%× 57. 94% = 17. 32%

火用效率最大項(xiàng)為豎罐系統(tǒng)，高達(dá)65. 63%，即豎罐系統(tǒng)輸入火用量中有65. 63%能夠進(jìn)入下一系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行火用輸入; 其次為鍋爐系統(tǒng)，火用效率為57. 94%，輸入火用量的42. 06% 不能進(jìn)入下一系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行火用輸入; 而燒結(jié)機(jī)的火用效率最低，僅有45. 55%。整個(gè)系統(tǒng)的火用效率為17. 32%，意味著整個(gè)罐式回收系統(tǒng)中的輸入火用量有17. 32%轉(zhuǎn)化為高低壓蒸汽的火用值繼續(xù)輸入到汽輪機(jī)系統(tǒng)。縱向?qū)Ρ雀鱾€(gè)系統(tǒng)火用損系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，火用量損失隨著系統(tǒng)流程的進(jìn)行而逐漸減小，燒結(jié)機(jī)的火用量損失最大，每噸燒結(jié)礦大約有786. 07MJ 的火用損失，火用損系數(shù)達(dá)68. 24%。

文獻(xiàn)［6］對(duì)國(guó)內(nèi)某360m² 燒結(jié)－ 環(huán)冷－ 余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了火用分析，火用效率表見表9。

將此表9 中數(shù)據(jù)與表8 中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ龋啾拳h(huán)冷系統(tǒng)52% 的火用效率，在余熱回收方面豎罐系統(tǒng)65. 63%的火用效率有明顯優(yōu)勢(shì); 罐式余熱回收系統(tǒng)的整體火用效率為17. 32%，也要高于環(huán)冷式余熱回收系統(tǒng)11. 08% 的整體火用效率。同時(shí)，在整體系統(tǒng)輸入火用量相差不大的情況下，罐式余熱回收系統(tǒng)每噸燒結(jié)礦輸出蒸汽火用量為328. 17MJ /t，遠(yuǎn)大于環(huán)冷式余熱回收系統(tǒng)167. 73MJ /t ( 燒結(jié)礦) 的輸出蒸汽火用量。通過(guò)這幾組數(shù)據(jù)的對(duì)比進(jìn)一步證明了罐式余熱回收系統(tǒng)的可行性和高效性。

3   結(jié)論

國(guó)內(nèi)某360m² 燒結(jié)機(jī)對(duì)應(yīng)的燒結(jié)礦余熱豎罐式回收系統(tǒng)，燒結(jié)機(jī)，豎罐，余熱鍋爐的火用效率分別為45. 55%、65. 63%、57. 94%，系統(tǒng)總的火用效率為17. 32%，燒結(jié)機(jī)的火用量損失最大，每噸燒結(jié)礦大約有786. 07MJ 的火用損失，火用損系數(shù)達(dá)68. 24%。罐式余熱回收系統(tǒng)每噸燒結(jié)礦輸出蒸汽火用量為328. 17MJ /t，大于環(huán)冷式余熱回收系統(tǒng)每噸燒結(jié)礦輸出蒸汽火用量。

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