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1、科技投资项目计划书项目名称双压干熄焦余热锅炉技术领域新能源与节能项目提供方浙江大学联系人熊树生联系电话1.项目概况能源和环境问题是制约当今世界经济发展的两个主要因素，是人类生存和发展必须面对的共同挑战。钢铁工业是我国国民经济中的能耗大户，能源消耗已占钢铁生产成本的30%左右。在能源价格高起的形势下，高能耗严重影响了我国钢铁工业的竞争力。节能降耗成为自“九五”规划以来冶金行业的工作重点。在钢铁联合企业中，炼铁系统（铁、烧、焦）占总能耗的50%以上，也是污染最严重的环节。因此，炼铁系统节能一直是冶金企业节能和环保的重点。在炼铁系统中，熄焦工艺具有很大的节能和环保潜力。目前国内干熄焦余热锅炉绝大多数
2、为单压式，与双压式余热锅炉相比，余热利用低、占地大、发电成本高，随着国家节能减排形势发展以及焦化企业对余热锅炉要求的提高，传统单压焦余热锅炉已经不能适应不断增长的节能需求量和市场竞争力，双压发展干熄焦余热锅炉成为必然趋势。与单压相比，双压干熄焦余热锅炉有明显技术优势，余热利用效率更高，发电成本低，能够进行自除氧，取消了单压系统中的除氧器，占地少，技术先进，代表先进的干熄焦余热锅炉技术发展方向。本项目产品采用具有自主知识产权的双压干熄焦余热锅炉，通过优化设计和系统配置，设计制造了超大容量的干熄焦余热锅炉，实现了自除氧，提高了余热利用效率。双压干熄焦余热锅炉能够产生两种不同压力的蒸汽，其中高压蒸汽
3、用于发电；低压蒸汽作为除氧器热源，充分利用了烟气中的显热。双压余热锅炉由烟气系统、高压锅筒、高压蒸发器、高压省煤器、过热器及水冷壁组成。在原有烟气系统的高压省煤器烟气出口下游处设置低压自除氧系统，进一步降低烟气温度，提高系统的热效率，并使焦炭冷却时间缩短，熄焦能耗降低，焦炭质量提高。同时，双压干熄焦余热锅炉采用了预置蒸发器，由前墙水冷壁从锅炉烟气出口处向后墙延伸并拉稀的前后两排管束构成。预置蒸发器增加了前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的吸热量，增加水循环的安全性，并起到更好的防偏流和烟气均流效果。2 .项目技术特点与优势干熄焦余热锅炉是利用吸收红焦显热后的高温循环气体的热能，产生额定参数的
4、蒸汽，用于发电或供热。在干熄炉内，采用惰性气体（一般为氮气）冷却红焦，吸热后的惰性气体经过一次除尘器后，在余热锅炉内产生蒸汽用于发电。经过余热锅炉冷却后的惰性气体，经二次除尘器和循环风机后，返回干熄炉内继续冷却红焦，如此循环往复，从而将红焦显热传递给蒸汽，实现了余热回收利用。双压干熄焦余热锅炉能够产生两种不同压力的蒸汽，其中高压蒸汽用于发电；低压蒸汽作为除氧器热源，充分利用了烟气中的显热。双压余热锅炉由烟气系统、高压锅简、高压蒸发器、高压省煤器、过热器及水冷壁组成。在原有烟气系统的高压省煤器烟气出口下游处设置低压自除氧系统，进一步降低烟气温度，提高系统的热效率，并使焦炭冷却时间缩短，熄焦能耗降
5、低，焦炭质量提高。同时，双压干熄焦余热锅炉采用了预置蒸发器，由前墙水冷壁从锅炉烟气出口处向后墙延伸并拉稀的前后两排管束构成。预置蒸发器增加了前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的吸热量，增加水循环的安全性，并起到更好的防偏流和烟气均流效果。技术方案：(1)、双压蒸汽系统设计干熄焦余热锅炉采用双压蒸汽设计，能够产生两种不同压力和温度的蒸汽，其中高压蒸汽用于发电；低压蒸汽作为除氧器热源，充分利用了烟气中的显热，实现能源的阶梯利用和余热的分级回收，与单压相比,余热利用效率更高，能够进行自除氧，取消了单压系统中的除氧器，占地少，节省了大量外部输入的除氧蒸汽发电成本低。双压余热锅炉由烟气系统、高压锅筒、
6、高压蒸发器、高压省煤器、过热器及水冷壁组成，在原有烟气系统的高压省煤器烟气出口下游处设置低压自除氧系统。烟气流程：热循环气体从干熄炉排出温度约为85095(C,经一次除尘器除尘之后依次通过高压高温过热器、高压低温过热器、高压光管蒸发器、高压鳍片管蒸发器、高压省煤器、低压蒸发器和低压省煤器这一系列装置进行换热，使排出气体温度降至120。C左右，经过二次除尘器除尘，冷却的惰性气体压入干熄炉循环使用。蒸汽流程：汽轮机的凝结水经过冷凝后送至低压省煤器，在此吸热后由除氧器除氧，依次流经低压锅炉、下降管、低压蒸发器、低压上升管，回到低压汽包。此后水由高压给水泵升压后进入高压省煤器加热，然后再依次流经高压锅
7、炉、高压锅简、高压光管蒸发器、高压鳍片管蒸发器。此后，高温的水已经成为水汽混合物，送至高压锅筒进行水汽分离，将分离的水送往高压锅筒再次参与循环；而将蒸汽送往高压低温过热器，经过减温器的调节达到设定温度后再进入高温高压过热器进一步加热，最终达到设定温度，送往推动汽轮机进行发电。双压蒸汽系统流程如下图1所示。图1双压干熄焦余热锅炉蒸汽流程图采用双压蒸汽系统后，能够实现余热的分级回收和梯级利用，排烟温度降低，余热利用效率提高。余热锅炉尾部烟气由于温度降低，体积流量减小，使尾部管道和二次除尘器体积减小，循环风机设计容量可以适当选小，风机能耗降低。同时，由于余热锅炉出口烟气降低，使干熄焦工艺的进口冷却介
8、质的温度降低，干熄焦出口烟气温度进一步降低，缩短了焦碳冷却时间，不但可以降低干熄焦过程的部分能耗，而且可以提高焦碳质量。表1双压干熄焦余热锅炉参数系列表熄焦量t/h入口烟气参数锅炉参数烟气量a103m3/h烟气温度装机容量bMW局压烝汽低压烝汽压力MPa温度压力MPa温度7592108800980-11.6J.813.75400.40.6饱和90UO127.8-13.5110133156.216.312515617919.3140183199.821.5150191.7217-23.017021525025.8190260300-29.124031535036.7260340370-39.8（
9、2）采用自除氧技术干熄焦余热锅炉给水主要由主凝结水及补充水组成，经常含有大量溶解的气体，如氧气、二氧化碳等，它们不仅存在于化学补充水中，而且也存在于主凝结水中，因为主凝结水在凝汽器中或通过在真空条件下工作的低压加热器和管道时，空气会通过不严密处渗入到主凝结水中。水中含有溶解的活性气体，其溶解度随温度升高而下降，温度越高这些气体就越容易直接和金属发生化学反应，使金属表面遭到腐蚀。其中危害最大的是氧气，氧对钢铁构成的热力设备及管道会产生较强的氧腐蚀，而二氧化碳将加剧这种腐蚀。为了延长余热锅炉寿命和提高余热锅炉运行的可靠性，锅炉给水必须进行除氧。下图为一种典型的热力除氧器气源连接方式，除氧器加热蒸汽
10、来自汽轮机抽汽。该方式的最大缺点是蒸汽消耗量大。图2典型除氧器汽源连接方式常规的燃煤或燃气锅炉，需要有空气助燃，通常通过增设空预器降低锅炉排烟温度，而余热锅炉是无需任何化石燃料，无需设置空预器，因此从大多数实际运行的余热发电项目来看，普遍存在余热锅炉排烟温度高的问题，一些余热利用后的余热锅炉排烟温度在160。C以上，这部分余热有较大的利用空间。本项目结合余热锅炉排烟温度高以及除氧器蒸汽消耗量大的问题，采用自除氧技术，即在传统单压余热锅炉的基础上，增加低压蒸汽系统,以吸收低温段烟气余热，从而提高锅炉效率。另一方面，低压蒸汽系统产生的蒸汽通入除氧器，以替代传统的汽轮机抽汽，从而实现自除氧效果。双压
11、干熄焦余热锅炉的特点是在高压省煤器之后设有低压自除氧系统。低压自除氧系统包括低压除氧蒸发器，低压凝结水加热器（低压省煤器）、低压汽包（除氧器）。低压除氧蒸发器的进口与出口分别通过低压除氧蒸发器下降管与上升管连接低压汽包。低压除氧蒸发器之后设有低压凝结水加热器，其进口连接锅炉给水管，出口通过出水管与低压汽包相连。低压汽包上设有除氧头及高压送水管。该系统通过低压除氧蒸发器产生的蒸汽，加热除氧器，从而达到自除氧的目的。另外，高压汽包通过热源补给管道与低压汽包（除氧器）相连，当低压除氧蒸发器吸收余热量不足时，通过低压汽包（除氧器）给水温度监测，对高压汽包与低压汽包（除氧器）之间的调节阀进行调节控制，将
12、高压汽包的蒸汽引入低压汽包，从而使除氧效果满足要求。下图3为双压干熄焦自除氧系统。图3双压干熄焦余热锅炉自除氧系统图相对于单压干熄焦余热锅炉需外来低压蒸汽用于除氧器除氧，双压系统不再使用低压辅助蒸汽，从而节约大量的低压辅助蒸汽，从而降低了发电成本，达到节能目的。（3）汽水分离技术进入干熄焦余热锅炉汽包内的工质水含有钠盐、硅酸等杂质，随着工质水不断被加热、蒸发，其中的杂质大部分转移到汽包内的锅水中，而饱和蒸汽从汽包引出时，会携带含有杂质浓度较大的锅水液滴，这种携带杂质的方式称为机械性携带。随着饱和蒸汽的流通，杂质会析出并沉积于换热器、管道阀门等位置形成盐垢，会造成爆管、堵塞、阀门失灵等后果，严重
13、影响余热锅炉运行的安全性和经济性。因此为了减少饱和蒸汽的机械性携带，汽包内通常设置汽水分离装置。考虑到传统的锅内旋风分离器的汽水阻力较大，本项目采用先进双钩波形板和细密铁丝网构成的汽水分离装置代替旋风分离器，汽水分离装置体积较少，因此汽包内的检修和安装空间较大。另外，双钩波形板具有分离效率高、阻力小、结构简单等优点。分离器结构如下图所示。图4紧凑的汽水分离装置图5双钩波形板示意图下图6为采用计算流体力学软件F1.UENT计算后得到的双钩波形板流道内流体流线图，从图中可以看出，由于该波形板为双钩结构，双钩的开口处存在漩涡，漩涡的存在使液滴由于受到离心力的作用，使液滴从蒸汽中分离出来，在壁面上形成
14、液膜而流下。另外，由于在波形板出口处安装有挡板，而挡板的背风面会造成蒸汽的回流，回流的存在进一步降低了出口蒸汽水分的携带量。图6双钩波形板流道内流线图本项目对双钩波形板在冷态试验条件下进行了性能测试，建立的实验台架如下图7所示。图7汽水分离器实验台架图图8汽水分离器实验台架照片双钩波形板分离效率如下图9所示。从图中可以看出，当波形板入口气流速度变化时，均有较高的分离效率，其分离效率接近99%。如果搭配细密铁丝网使用，其分离效率可达99.95沆阻力特性也是波形板分离器性能评价的重要方面，在波形板分离器运行使用过程中，一般要求保证较高分离效率的同时，还具有较低的压力损失。从上图看出，该波形板阻力不
15、高。图10双钩波形板阻力与速度的关系(4)预置蒸发器技术目前干熄焦余热锅炉运行过程中比较突出的问题有：高温烟气在进入锅炉进口转向室后分布不均匀，对过热器均匀受热和安全运行造成威胁；由于高温烟气进口开在前墙，前墙水冷壁受热面积少于后墙水冷壁而导致前墙水冷壁吸热不足，对水循环安全不利；高温烟气中含有大量的焦炭颗粒，对暴露于高温烟气中的过热器提出了较高的耐磨要求，增加了制造成本。本项目针对干熄焦余热锅炉进口转向后高温烟气分布不均，前后墙水冷壁受热面积不匹配而影响水循环安全，以及烟气中焦炭颗粒对受热面磨损等问题，提出了一种干熄焦余热锅炉预置蒸发器，该预置蒸发器由前墙水冷壁的管子从余热锅炉烟气进口处开始
16、向后墙延伸并拉稀形成，用以增加前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的吸热量，增加水循环的安全性。下图11为干熄焦余热锅炉结构示意图。1为预置蒸发器，其A向视图如下图所示。该预置蒸发器共两排管子，为顺列布置。由前墙水冷壁的管子从干熄焦余热锅炉烟气进口处开始，向后墙延伸并拉稀形成。预置蒸发器的水平倾角为14度，防止转向后的烟气偏流并均流烟气，使过热器受热均匀。图1干熄焦余热锅炉结构示意图预置蒸发器；2-前墙水冷壁；3-一级过热器；4-上级蒸发器；5-下级蒸发器；6-省煤器；7-后墙；8-二级过热器；9-汽包；10-防磨盖板；B-烟气进口；D-蒸汽出口；C-给水进口图13预置蒸发器防磨盖板结构示意图
17、（a）防磨盖板结构示意图；（b）S向视图；（C）W向视图为了减小烟气中焦炭颗粒对受热面的磨损，在预置蒸发器的第一排管子上覆盖防磨盖板，如上图所示。防磨盖板一端焊接在预置蒸发器的管子上，另一端搭接在另一片防磨盖板上。这种结构构造简单，方便制造和安装，采用低廉可靠的防磨盖板减小焦炭颗粒对受热面的磨损，同时可以自由热膨胀，可靠地实现了防磨的要求。本项目的预置蒸发器具有以下特点：（I）预置蒸发器可增加前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的吸热量，增加水循环的安全性；（2）与布置在锅炉进口处的凝渣管技术（拉稀成3-5排）相比，预置蒸发器布置在锅炉进口转向处而且只拉稀成2排，对转向后的紊乱烟气可起到更好的
18、防偏流和烟气均流效果，使其后的过热器受热均匀，更有利于保障过热器的安全运行；（3）预置蒸发器布置在过热器之前并在第一排管子上覆盖防磨盖板，通过与进口烟气中焦炭颗粒的碰撞削减其动能，减小对后部受热面的磨损，降低采用高温耐磨材料带来的高成本。（5）防磨损技术进入干熄焦余热锅炉的循环气体虽然经过一次除尘器除尘，但仍含有一定量的灰尘颗粒，浓度为814gNm3,含量虽然不算高，但粒径大，硬度高，对余热锅炉内换热管束的磨损问题比较突出。循环气体含尘浓度、组分、物理特性（硬度、强度）、粒径等都直接影响气体对管束的磨损。含尘量越高，尘粒硬度越高，强度越大，粒径越大，磨损就越严重。解决换热管束磨损是干熄焦锅炉设
19、计过程中需重点考虑的一个问题。干熄焦余热锅炉内磨损问题比较突出的部位主要在烟气入口转向室及前三级受热面。本项目针对上述重点磨损部位，相应采取了一系列防磨损措施：烟气入口转向室区域：（1）在烟气入口转向室区域四周水冷壁表面敷设了耐火浇注料进行防磨，见上图；（2）受热面吊挂管在采用双层套管的基础上还进行了热喷涂，热喷涂采用新日铁技术，能有效减缓换热管束的磨损，在局部磨损比较严重的区域，使用三层套管，见下图；（3）预置蒸发器前排管束覆盖防磨盖板。图152层套管（左图）和3层套管（右图）前三级受热面：（1）前三级受热面均采用顺列布置，该布置形式能有效减少磨损；（2）各受热面第一排管束上布置有防磨盖板，
20、见下图。TtYTrh“TK二-II-I1-rj1.jV1.川二手号图16过热器及光管蒸发器上的防磨盖板布置另外，在干熄焦余热锅炉的各受热面和水冷壁之间的间隙部分安装烟气挡板，有效防止烟气走廊的形成。本项目在设计整个干熄焦余热锅炉时，通过调研、现场实验和细致的流场计算，对不同的对流受热面确定合理的烟气速度范围，从而减小烟气冲刷对受热面的磨损。（6）水循环系统为确保水循环的安全可靠，干熄焦锅炉蒸发器系统水循环使用专业软件KED进行计算并作相应优化。KEDBoi1.erDynamic是从德国引进的锅炉动态模拟计算软件，能够用于各种锅炉的热力计算、水动力计算以及结构计算，其特点是能够进行锅炉的仿真和模
21、拟锅炉启动、停炉曲线,功能强大，十分适合工程设计和优化，其软件界面如下图所示。除计算外，在系统结构上也采取了巧妙的设计以保证水循环的安全可靠，包括:蒸发器回路与水冷壁回路相互独立，蒸发器上部两排受热面采用倾角布置等。tN2044Produc20423kW图17Boi1.erDynamiC锅炉动态模拟及性能计算软件界面(1)m/s图18Boi1.erDynanIiC锅炉动态模拟及性能计算软件界面(2)水循环特性计算校核步骤如下:a）首先假设循环回路上升管内的循环速度值，并求出相应的循环流量值。计算出相应的下降管中的水速和流动阻力；b）再假设锅炉的循环倍率，计算出锅筒中锅水的欠崎、开始沸腾高度、加
22、热水区段高度和含汽区段高度；c）计算出上升管个区段末端的蒸汽流量、各区段中的平均蒸汽折算速度、平均混合物速度和平均的蒸汽容积含汽率，从而确定各区段中的平均截面含汽率；d）根据各区段中平均蒸汽量和循环流量，求出各区段中的平均蒸汽折算速度、平均混合物速度、平均质量含汽率、平均的蒸汽容积含汽率、混合物平均密度以及平均截面含汽率等；e）计算上升管总压降；f）求解整个循环回路稳定工作点，合并各个循环回路所产生的蒸汽量和工作点的循环流量，求出锅炉的循环倍率；g）按求得的循环倍率重新计算锅水的欠焰，并校验它与根据选取的循环倍率所求得的欠焰之间的差值是否在允许范围内，直至合格为止。表2双压干熄焦余热锅炉水循环
23、计算汇总名称符号单位光管蒸发器鳍片管蒸发器吸热量Qkca1./S20423153流量Gkg/s71.575.8循环倍率K/10.87.4下降管管径dwsmm3252532525下降管循环流速0m/s3.243.24蒸发器管子规格dwsmm425425蒸发器循环流速m/s1.331.64上升管管径dwsmm2732027320上升管循环流速Om/s2.413.12上表为某双压干熄焦余热锅炉水循环特性计算汇总，结果表明，该锅炉的光管蒸发器以及鳍片管蒸发器具有较高的循环倍率和循环流速，保证了水循环的可靠性。创新点（1）干熄焦余热锅炉首次采用双压蒸汽系统，在单压余热锅炉基础上，增加了低压省煤器和低压蒸
24、发器，实现了热能阶梯利用。与单压干熄焦锅炉相比，排烟温度由170。C降低至119P,大大提高了余热利用效率，减小循环风机电耗，并提高焦炭品质。（2）首次采用自除氧技术，利用锅炉本体产生的低压蒸汽作为除氧器热源，可以取消原来单压系统中除氧器，也不需要外部蒸汽热源，因此可以大幅降低余热锅炉运行成本，节省设备占地面积。（3）双压干熄焦余热锅炉采用预置蒸发器，由前墙水冷壁从锅炉烟气出口处向后墙延伸并拉稀的前后两排管束构成。预置蒸发器增加了前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的吸热量，增加水循环的安全性,并起到更好的防偏流和烟气均流效果。3 .项目应用范围和市场前景本项目发明的双压干熄焦余热锅炉，是在长
25、期单压干熄焦余热锅炉设计及运行经验的基础上研发得到的，与同类的单压干熄焦余热锅炉相比，具有明显的技术进步，具体表现如下：（1）采用更先进的双压蒸汽系统，余热锅炉具有高压和低压两套蒸汽发生装置，产生的高压蒸汽用于发电，低压蒸汽用于自除氧器的热源。采用双压蒸汽系统后，能够实现余热的分级回收和梯级利用，排烟温度降低，余热利用效率提高。对于同样熄焦量的余热锅炉，采用双压蒸汽系统后，余热锅炉尾部烟气由于温度降低，体积流量减小，使尾部管道和二次除尘器体积减小，循环风机设计容量可以适当选小，风机能耗降低10%o同时，由于余热锅炉出口烟气降低，使干熄焦工艺的进口冷却介质的温度降低，干熄焦出口烟气温度进一步降低
26、，缩短了焦碳冷却时间，不但可以降低干熄焦过程的部分能耗，且焦碳的质量进一步得到提高。（2）双压干熄焦余热锅炉采用自除氧技术，利用锅炉本体产生的低压蒸汽作为除氧器热源，可以取消原来单压系统中的除氧器，也省去了除氧厂房等基础设施，锅炉给水泵、加药装置、取样装置等辅助设备可统一布置在锅炉底部，节省了大量的空间。采用自除氧技术后，不需要外部蒸汽热源，相当于节约了能源，与单压干熄焦余热锅炉相比，降低余热锅炉运行成本。（3）与传统的单压干熄焦余热锅炉不同，双压干熄焦余热锅炉采用预置蒸发器，由前墙水冷壁从锅炉烟气出口处向后墙延伸并拉稀的前后两排管束构成。预置蒸发器增加了前墙水冷壁的换热量，平均分配各水冷壁的
27、吸热量，增加水循环的安全性，起到更好的防偏流和烟气均流效果。4 .投产条件1有一系列工艺精良、技术先进的加工、检测专用设备和生产流水线，具备各种大容量、高标准的锅炉和压力容器设备制造能力。5 .效益评估本项目创造的经济效益非常显著，技术研发推广后，预计可实现销售收入3000万元，利润总额450万元，税收300万元。双压干熄焦余热锅炉是世界上最早采用双压技术的干熄焦余热锅炉，公司掌握具有自主知识产权的双压干熄焦余热锅炉设计方法和制造加工工艺，填补了国内乃至世界的双压干熄焦的空白。同时，干熄焦技术是炼铁系统中最大的节能和环保技术措施，可以降低冶金企业能耗和污染，确保国家节能减排长远战略目标的实现。根据计算，一台典型的140t/h双压干熄焦余热锅炉，采用自除氧技术后，可以节约低压蒸汽6t/h,每年可以节约节约低压蒸汽49680t/h,节约蒸汽费用为497万元，节能效果显著。发电功率为19400kw,按每年运行345天计，可以发电1.6亿千瓦时/年。以每年推广10台计,相当于每年可节煤61000吨，减排Co吨、NOx640吨、S（M460吨以及烟尘8000吨。如果在行业内大范围推广，则节能减排作用更显著。6 .融资计划计划引入投资IoOO万元，用于产业线建设、市场开拓等。
