(中冶华天工程技术有限公司 南京 210019)
摘要：针对炼钢烧结余热发电系统的设计问题，由于在系统布置及热力参数上存在多样化的选择，同时设计工作还受到烟气热能品质、烟气露点温度、换热器受热面钢耗等多种工程技术条件的制约，使得工程设计单位面临着如何使能量分配达到最优。能源动力系统的数学模型是由多个表示系统能源动力转化过程的线性和非线性的方程组构成。本文将化工过程系统建模与优化中的超结构方法运用于能源动力系统，实现针对能源动力系统结构的通用数学描述，进而基于能量梯级利用原理开展针对烧结余热发电系统的优化设计研究。
关键词：烧结余热；余热回收；超结构；系统分析
1. 引言
在我国钢铁企业中，烧结工序的能耗在吨钢综合能耗中约占15%，仅次于高炉炼铁工序[1]。烧结工序的余热资源包括由环冷机废气携带的烧结矿显热和烧结机烟气携带的燃烧废气显热两部分，其中，环冷机废气显热占烧结工序热量的40~45%，烧结机烟气显热占到15~20% [2]。环冷机废气温度根据冷却部位一般在100~450℃之间变化；烧结机烟气的量比较大，温度一般不超过150℃，在烧结机尾风箱排出的烟气温度为350℃左右。两种余热资源在300~450℃温度之间的废热烟气热量占总余热资源量的30~40%，而在300℃以下的低温废热烟气热量占到总余热资源量60%以上。
1. 烧结余热回收利用技术及存在问题
自20世纪60年代开始，国外已经开始进行烧结余热的回收利用研究，与国外相比，目前我国对烧结余热资源的回收利用主要有烧结余热发电、热风烧结和点火助燃、混合料预热干燥等。近年来，尽管我国在烧结余热回收利用的理论研究和关键技术上均取得了很大的进展，然而相对于工程应用的快速发展，烧结余热回收利用研究依然存在着很多问题。
（1）低温余热回收的困难
针对烧结工序，目前我国大多数钢铁企业主要是利用300℃以上的高温烧结显热，对低于300 ℃的低温环冷废气显热和烧结废热烟气并未进行合理的回收利用。究其原因，一方面由于理论研究不够成熟，技术开发不够先进，对低温废热烟气利用的经济性无法得到充分的证实；另一方面，受到诸如酸露点温度、换热器受热面等实际条件的制约，很多企业只能在考虑保证脱硫脱硝效率、减少换热器设备投资成本的前提下，忽略对低温废热烟气的余热回收利用。
（2）高温烧结余热回收的问题
高温烧结废气显热主要以余热发电的动力回收形式加以利用。由于我国关于余热资源的回收利用起步较晚，相关的理论研究薄弱，因此还需要依靠大量的引进技术，独立自主研发能力有待提高；此外，烧结余热发电对废气不仅是量和质的要求，温度的稳定性更是一个重要的影响因素[3]，由于实际的生产工况条件及需求负荷量的变化，会直接导致运行工况与设计工况的差距，给整个余热发电系统带来较大的影响。因而，应当考虑实际生产条件，合理进行系统布置，实现余热资源回收利益最大化[4]。
2. 烧结余热发电系统的超结构模型
2.1 烧结余热发电系统的数学模型描述
在工程实践过程中，余热锅炉多针对单一热源实现余热回收利用，由于烧结余热具有烧结烟气和环冷废气双热源，各热源的品位也不同，因此余热锅炉可实现不同热源的集成回收，提高装置的热回收效率[5]；如对于烧结机热烟气余热和冷却机热废气余热，均可依据其温度高低将其划分成多个合理的不同品位回收段，再分别通过各自的废热烟气管道，进入多进口的余热锅炉，并依次流经余热锅炉各受热面，与锅炉内工质进行热交换后，从烟道排出或进行再利用，从而实现烧结矿显热的梯级回收利用。
图2.1 J台多压余热锅炉的烧结发电系统连接流程图
假设某烧结余热发电系统为带补燃装置的双热源系统，并配合拥有多台烧结余热锅炉，而各台烧结余热锅炉压力等级不同，可以为单压、双压甚至多压，因而每台余热锅炉将产生多种不同压力的蒸汽，每台余热锅炉内沿余热烟气流动方向受热面主要包括过热器、蒸发器和省煤器，由于各台余热锅炉的压力等级不同，余热锅炉内受热面种类不同，同时结合整个系统的操作参数进行优化，每台锅炉内受热面布置也有多种可能；从余热锅炉出来的不同压力参数的蒸汽，分别通过管路输送至对应的不同压力等级的蒸汽轮机入口，再通过汽轮机叶轮膨胀做功，将热能转换为机械能；再推动与其连接的发电机高速旋转，从而实现机械能到电能的转化，发出电能送到电网供生产生活需要；从汽轮机出口流出的常压或负压蒸汽经过冷凝器冷却，再经由除氧器除氧后，进入到每台锅炉的省煤器中作为锅炉给水，形成一个完整的循环过程。如图3.3所示为具有多台多压余热锅炉的双热源烧结发电系统的单元逻辑连接流程图。
在烧结余热发电系统的超结构建模中：余热回收部分，烧结环冷机组废热烟气包含若干个不同品位的回收段，各回收段与补燃装置高温烟气及余热锅炉烟气入口位置之间的选择匹配超结构模型；进入余热锅炉后余热烟气的抽离、截断、混合与循环的超结构模型；余热利用部分，余热锅炉出口蒸汽选择匹配，蒸汽轮机发电机组内蒸汽的补汽混合等超结构模型；在整个系统中，余热锅炉起着承上启下的作用，余热锅炉对烟气依次流经的受热面的选择取舍超结构模型，可以描述成从多个方案中选择一个方案的情况。文中首先对以上几种现象的超结构模型进行讨论，最后给出烧结余热发电系统的超结构模型。
2.2 烧结余热发电系统的超结构模型
尽管烧结余热回收系统中烧结烟气和环冷废气余热占总热耗的近一半，但平均温度较低，温度分布也不均匀，所以能有效利用的仅仅是烧结机尾部风箱位置的高温烟气和环冷机最前端给料部分的高温废气[6]；为合理利用数量较大的低温烟气，可以在余热锅炉烟道进口处加装补燃装置，得到的高温烟气与烧结环冷机组中的低温废热烟气进行混合，加热得到满足余热锅炉入口参数的高品位烟气，用以生产蒸汽并供蒸汽轮机发电[7]。
4 结论
本文结合化工过程系统中超结构方法，对能源动力系统中的常见非线性问题进行了统一的数学建模分析。以能源动力系统中典型的钢铁企业烧结余热发电系统为例，详细分析了烧结余热发电系统模型的设计优化过程，对烧结余热发电系统进行超结构模型建立。由于整个烧结余热发电系统，其结构庞大，各子系统之间及子系统内部部件之间的操作参数相互影响和制约，综合比较各种系统建模方法，结合化工过程系统中超结构方法，通过研究烧结余热发电系统内各部分子系统之间的匹配关系，以及子系统中各部件之间的参数优化，建立烧结余热发电系统的超结构模型优化设计方法，进而提高整个钢铁企业的余热有效利用效率。
参考文献：
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论文作者:冯红翠
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：余热论文; 烟气论文; 系统论文; 锅炉论文; 结构论文; 废气论文; 回收利用论文; 《电力设备》2017年第35期论文;