一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热深度回收利用系统的制作方法与工艺

本发明涉及锅炉余热利用领域，尤其涉及一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热深度回收利用系统。

背景技术：
钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的副产煤气，在各种副产煤气中，高炉煤气热值最低，但产量最大。在我国钢铁企业现有技术水平下，除去高炉热风炉、加热炉等钢铁工艺的自身消耗，高炉煤气仍有大量剩余。钢铁厂以往的做法是将剩余煤气对空放散，不仅浪费了宝贵的能源，而且高炉煤气中所含的CO等气体还会对环境造成极大的污染。近年来，随着全烧高炉煤气锅炉发电技术的日益进步和推广，全烧高炉煤气锅炉发电机组在钢铁企业得到了大量应用，各钢铁厂相继建设煤气电站，这样不仅有效利用了高炉煤气资源，而且煤气锅炉还作为缓冲用户稳定了厂区煤气管网的大幅波动。目前，全国范围内大大小小的高炉煤气锅炉，排烟温度平均值在160℃左右，部分锅炉排烟温度甚至高达200℃，如此高温的烟气直接排入大气，烟气中的大部分余热没有得到回收利用，造成了能源的极大浪费。而另一方面，高炉煤气的含硫量很低，几乎可以忽略不计，因此全烧高炉煤气的锅炉基本上不存在低温腐蚀的问题，这就使得锅炉的排烟温度还有很大的下降空间。由此可见，高炉煤气锅炉排烟是一项潜力巨大的余热资源，若能对其进行合理利用，将能收获很好的经济效益。近些年来，在国家大力倡导“节能减排”政策的大环境下，国内一些钢铁厂开始积极尝试对煤气锅炉的烟气余热进行回收，目前普遍采用的方法是采用烟气余热来预热入炉冷煤气，如图1所示，在空气预热器2的出口烟道中安装煤气预热器3，锅炉烟气经煤气预热器3吸热降温后，通过引风机4抽至烟囱5，最后排入大气。该方案一方面降低了锅炉排烟温度，减小了排烟热损失，从而提高了锅炉热效率；另一方面，提高了入炉煤气温度，改善了低热值高炉煤气的着火和燃烧状况，不仅能够提高煤气燃尽程度，减小化学不完全燃烧损失，进而提高锅炉热效率，而且有利于解决全烧高炉煤气锅炉着火难、炉膛温度低、燃烧不稳定等问题。但是，采用该回收方案存在如下不足：1）锅炉尾部烟气余热虽然能得到一定量的回收利用，但是烟气出口的烟气温度仍然达到130℃～150℃，还存在很大的降低空间；2）在空气预热器的冷端，冷空气温度为环境温度（不考虑送风机带来的温升），通常为25℃左右甚至更低，而烟气通常为180℃左右甚至更高，二者温差可达150℃以上，由基于热力学第二定律的分析理论可知，在热量传递过程中，由于不等温传热和摩擦损失等不可逆过程的存在，热量从高温物体传向低温物体时存在着较大的换热（可用能）损，且传热温差越大，换热损越大，因此烟气与空气之间如此大的传热温差必将导致空气预热器换热损失较大，造成烟气可用能的利用不够充分；3）同理，在煤气预热器的冷端，冷煤气温度较低，通常为35℃左右甚至更低，而烟气通常为140℃左右甚至更高，二者温差可达100℃以上，如此大的传热温差必将导致煤气预热器换热损失较大，造成烟气可用能的利用不够充分。

技术实现要素：
1．所要解决的技术问题深度回收利用高炉煤气锅炉烟气余热，进一步降低排烟温度，并通过能量的梯级利用降低换热器传热温差，减小换热损，提高烟气能量的有效利用率。2．技术方案是现有技术中，锅炉尾部烟气余热虽然能得到一定量的回收利用，但是烟气出口的烟气温度仍然达到130℃～150℃，还存在很大的降低空间。在空气预热器的冷端，冷空气温度为环境温度（不考虑送风机带来的温升），通常为25℃左右甚至更低，而烟气通常为180℃左右甚至更高，二者温差可达150℃以上；在煤气预热器的冷端，冷煤气温度较低，通常为35℃左右甚至更低，而烟气通常为140℃左右甚至更高，二者温差可达100℃以上。由基于热力学第二定律的分析理论可知，在热量传递过程中，由于不等温传热和摩擦损失等不可逆过程的存在，热量从高温物体传向低温物体时存在着较大的换热损，且传热温差越大，换热损也越大，因此烟气与空气、煤气与烟气之间如此大的传热温差必将导致换热器换热损失较大，造成烟气可用能的利用不够充分。为了提高烟气余热的利用率，需要降低换热器的传热温差，降低换热损。依据基于热力学第二定律的分析理论和能量梯级利用原理，采用不同温度等级的烟气加热不同温度等级的空气与煤气，将烟气–空气换热系统和烟气–煤气换热系统均分高温和低温两级布置，两级空气换热器和煤气换热器均为串联流动。冷空气经过前置的低温空气预热器加热到一定温度后进入常规的空气预热器；冷煤气经过前置的低温空气预热器加热到一定温度后进入常规的煤气预热器，完成空气和煤气的全程加热。设置的前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器会使处于高温烟气段的常规空气预热器的入口空气温度和常规煤气预热器的入口煤气温度升高，从而使常规煤气预热器的出口烟气温度升高，为了利用这部分相对高品位的烟气余热，在前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器之前布置一级低压省煤器，先利用温度较高的烟气来加热汽轮机凝结水，由于凝结水温度的上升排挤了低压加热器中的回热抽汽，被排挤的抽汽在汽轮机内膨胀做功，增加了机组的发电量。经过低压省煤器吸热后降温的烟气再进入前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器预热冷空气和冷煤气，减小了前置式换热器中烟气与空气以及烟气与煤气之间的传热温差，而预热后的空气和煤气分别进入常规空气预热器和常规煤气预热器又使得常规空气预热器和常规煤气预热器的传热温差减小，从而通过空气与煤气的分级加热减少了烟气-空气换热系统和烟气-煤气换热系统的换热损，提高了烟气余热的有效利用率。为了克服现有技术的不足，并实现上述烟气余热的深度回收利用技术，本发明提供了一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热深度回收利用系统，实现能量的梯级利用，减小换热损，并进一步降低锅炉排烟温度，增加煤气发电机组的发电量，深度回收利用高炉煤气锅炉的烟气余热。本发明的技术方案是，一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热深度回收利用系统，包括常规空气预热器、常规煤气预热器、低压省煤器，还包括前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器；其中：常规空气预热器、常规煤气预热器以及低压省煤器在烟气侧顺次连通，低压省煤器的烟气出口端分为两路分别与前置式低温空气预热器的烟气进口端和前置式低温煤气预热器的烟气进口端相连；常规空气预热器的空气进口端与前置式低温空气预热器的空气出口端相连；常规煤气预热器的煤气进口端与前置式低温煤气预热器的煤气出口端相连。本发明实现了空气的分级加热，进入锅炉系统的冷空气先进入前置式低温空气预热器被较低温度的烟气预热，预热后的空气再进入常规的空气预热器内进行热交换，使烟气与空气之间的传热温差减小，从而使烟气-空气换热系统的换热损减少，在同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级合理利用；又实现了煤气的分级加热，进入锅炉系统的冷煤气先进入前置式低温煤气预热器被较低温度的烟气预热，预热后的煤气再进入常规的煤气预热器内进行热交换，使烟气与煤气之间的传热温差减小，从而使烟气-煤气换热系统的换热损减少，在同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级合理利用；进一步提高了烟气余热利用率，常规煤气预热器排出的烟气先流入低压省煤器用于加热汽轮机回热系统中的凝结水，凝结水升温后返回汽轮机热力系统，减少了汽轮机低压加热器中的回热抽汽量，而节省的抽汽可以在汽轮机中继续做功，使得机组在入炉煤气量不变的情况下可增加汽轮发电机的发电量，同理，在汽轮发电机发电量不变的情况下则可节省煤气发电机组消耗的高炉煤气量；此外，设置低压省煤器又降低了前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器烟气侧的进口烟气温度，为烟气-空气换热系统和烟气-煤气换热系统的分级换热创造了有利条件，降低了其换热温差，减小了其换热损。本发明的技术方案还可以作进一步完善：优选地，所述的低压省煤器的水侧进口接受来自汽轮机回热系统中低压加热器入口处的凝结水，水侧出口将加热后的凝结水汇入低压加热器的出口凝结水母管，并流入下一级回热加热器。优选地，所述低压省煤器的水侧进口管路上设置有凝结水升压泵，用于克服管路及换热器带来的阻力。优选地，所述的常规煤气预热器、前置式低温煤气预热器均采用热管式换热器。优选地，所述的常规空气预热器采用管箱式预热器。优选地，所述的前置式低温空气预热器采用热管式换热器。优选地，所述的低压省煤器采用表面式换热器，或采用热管式换热器，最优地采用表面式换热器。优选地，所述前置式低温空气预热器和所述前置式低温煤气预热器排出的烟气混合后经由引风机升压并抽至烟囱排入大气。本发明实现了能量的梯级利用，减少了烟气-空气换热系统、烟气-煤气换热系统的换热损，提高了烟气余热的有效利用率；增加了汽轮机出力，提高了煤气发电机组的发电量；进一步降低了排烟温度，更大程度地回收了锅炉烟气余热，具有较好的经济效益。3．有益效果与现有技术相比，采用本发明具有以下优点：1）实现了空气的分级加热，进入锅炉系统的冷空气先进入前置式低温空气预热器被较低温度的烟气预热，然后再进入常规的空气预热器内进行热交换，使烟气与空气之间的传热温差减小，从而使烟气-空气换热系统的换热损减少，使得同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级利用。2）实现了煤气的分级加热，进入锅炉系统的冷煤气先进入前置式低温煤气预热器被较低温度的烟气预热，然后再进入常规的煤气预热器内进行热交换，使烟气与煤气之间的传热温差减小，从而使烟气-煤气换热系统的换热损减少，使得同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级利用。3）常规煤气预热器排出的烟气流入低压省煤器用于加热汽轮机回热系统中的凝结水，凝结水升温后返回汽轮机热力系统，减少了汽轮机低压加热器中的回热抽汽量，而节省的抽汽可以在汽轮机中继续做功，使得机组在入炉煤气量不变的情况下可增加汽轮发电机的发电量，同理，在汽轮发电机发电量不变的情况下则可节省煤气发电机组消耗的高炉煤气量；此外，设置低压省煤器又降低了前置式低温空气预热器和前置式低温煤气预热器烟气侧的进口烟气温度，为烟气-空气换热系统和烟气-煤气换热系统的分级换热创造了有利条件，降低了其换热温差，减小了其换热损。综上所述，本发明实现了能量的梯级利用，减少了烟气-空气换热系统、烟气-煤气换热系统的换热损，提高了烟气余热的有效利用率；增加了汽轮机出力，提高了煤气发电机组的发电量；进一步降低了排烟温度，更大程度地回收了锅炉烟气余热，具有较好的经济效益。4．附图说明图1为现有技术的结构示意图。图2为本发明所提供的一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热回收利用系统的结构示意图。其中：1、锅炉，2、常规空气预热器，3、常规煤气预热器，4、引风机，5、烟囱，6、低压省煤器，7、前置式低温空气预热器，8、前置式低温煤气预热器，9、低压加热器，10、凝结水升压泵。5．具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：如图2所示，一种全烧高炉煤气锅炉烟气余热深度回收利用系统，包括常规空气预热器2、常规煤气预热器3、低压省煤器6、前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8，其中：常规空气预热器2、常规煤气预热器3以及低压省煤器6在烟气侧顺次连通，低压省煤器6的烟气出口端分为两路分别与前置式低温空气预热器7的烟气进口端和前置式低温煤气预热器8的烟气进口端相连；常规空气预热器2的空气进口端与前置式低温空气预热器7的空气出口端相连；常规煤气预热器3的煤气进口端与前置式低温煤气预热器8的煤气出口端相连。本发明实现了空气的分级加热，进入锅炉系统的冷空气先进入前置式低温空气预热器7被较低温度的烟气预热，然后再进入常规的空气预热器2内进行热交换，使烟气与空气之间的传热温差减小，从而使烟气-空气换热系统的换热损失减少，使得同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级利用；又实现了煤气的分级加热，进入锅炉系统的冷煤气先进入前置式低温煤气预热器8被较低温度的烟气预热，然后再进入常规的煤气预热器3内进行热交换，使烟气与煤气之间的传热温差减小，从而使烟气-煤气换热系统的换热损减少，使得同等换热量下能够收获更多的有效能，实现烟气能量品位的梯级利用；进一步提高了余热利用率，常规煤气预热器3排出烟气流入低压省煤器6用于加热汽轮机回热系统中的凝结水，凝结水升温后返回汽轮机热力系统，减少了汽轮机低压加热器中的回热抽汽量，而节省的抽汽可以在汽轮机中继续做功，使得机组在入炉煤气量不变的情况下可增加汽轮发电机的发电量，同理，在汽轮发电机发电量不变的情况下则可节省煤气发电机组消耗的高炉煤气量；此外，设置低压省煤器6又降低了前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8烟气侧的进口烟气温度，为烟气-空气换热系统和烟气-煤气换热系统的分级换热创造了有利条件，降低了其换热温差，减小了其换热损。本发明的技术方案还可以作进一步完善：优选地，所述常规煤气预热器3和前置式低温煤气预热器8均采用热管式换热器，热管式换热器具有烟气通道和煤气通道，通过中间密封隔板分开，烟气和煤气分别经过烟气通道和空气通道，在流通的过程中利用热管完成热量的交换，采用热管式换热器的好处在于，一方面，高炉煤气具有易燃、易爆、有毒等特点，如果采用表面式换热器，一旦换热器管道发生泄漏，容易引发重大安全事故，而采用热管式换热器能很好地消除了这种隐患，确保了系统的安全可靠运行；另一方面，热管的传热系数高，热管式换热器具有体积小，重量轻，结构紧凑，占地面积小等优点，非常适用于换热空间有限的情况。优选地，所述前置式低温空气预热器7采用热管式换热器，其好处在于，与传统的管箱式结构相比，热管式换热器可以节省换热系统所占烟道面积，而且由于前置式低温空气预热器7所处烟道中的烟气处于较低温度水平，采用热管式换热器更加能够确保换热效果。所述常规空气预热器2可以采用传统的管箱式预热器，也可以采用热管式预热器，本实例优选地管箱式预热器。所述低压省煤器6可以采用常规的表面式换热器，也可以采用热管式换热器，本实例优选地表面式换热器。所述低压省煤器6的水侧进口接受来自汽轮机回热系统中低压加热器9入口处的凝结水，水侧出口将加热后的凝结水汇入低压加热器9的出口凝结水母管，并流入下一级回热加热器。所述低压省煤器6的水侧进口管路上设置有凝结水升压泵10，用于克服管路及换热器带来的阻力。所述前置式低温空气预热器7和所述前置式低温煤气预热器8排出的烟气先进行混合，混合后的烟气由引风机4升压后送入烟囱5，最后排入大气。本发明的工艺原理如下：来自锅炉的高温烟气经过常规空气预热器2和常规煤气预热器3吸热降温后，先进入低压省煤器6进行热交换，然后在低压省煤器6出口分为两路，一路进入前置式低温空气预热器7，一路进入前置式低温煤气预热器8，前置式低温空气预热器7和低温煤气预热器8的出口烟气混合后一起排入大气；来自经锅炉送风机加压后的冷空气先进入前置式低温空气预热器7进行预热，预热后的热空气进入处于高温烟气段的常规空气预热器2进行二次加热，然后再被热风管道送至锅炉炉膛；来自高炉煤气柜的冷煤气先进入前置式低温煤气预热器8进行预热，预热后的热煤气进入处于高温烟气段的常规煤气预热器3进行二次加热，然后再被热煤气管道送至锅炉炉膛；来自汽轮机回热系统的凝结水分流出一部分进入所述低压省煤器6，凝结水在低压省煤器6中被烟气加热后汇入低压加热器9的出口凝结水母管，并流入下一级回热加热器。由于设置了前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8，常规空气预热器2的入口空气温度和常规煤气预热器3的入口煤气温度均有一定提升，会使常规空气预热器2和常规煤气预热器3的换热温差和换热量减小，导致常规煤气预热器2的出口烟气温度（即低压省煤器的进口烟气温度）升高，设计时可将其温度控制在160℃～180℃，该烟气进入低压省煤器6加热汽轮机回热系统的凝结水，低压省煤器6出口烟气温度大约控制在120℃～140℃，（否则如果前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8的进口烟气温度太低，会造成换热量不足或者换热面积要增大），以确保下游前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8具备一定的换热温差，使烟气在不违反传热学规律又考虑到热力学第二定律（分析法）的温度条件下进入前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8预热空气和煤气，而最终排出的烟气温度则受前置式低温空气预热器7和前置式低温煤气预热器8的换热面积的限制（根据现场布置条件而定，要综合考虑烟道可利用空间和换热器耗材成本等因素），设计时可控制在80℃～90℃。低压加热器9应依据低压省煤器烟气侧的温度水平来选取，在保证烟气与凝结水之间具有一定传热温差的基础上，优先选取更高一级的低压加热器，这样的话被加热的凝结水返回汽轮机回热系统时就能排挤更高压力等级的汽轮机抽汽，而更高品质的蒸汽具备更好的做功能力，因此能够获得更佳的发电效益。本发明提供的烟气余热深度回收利用系统会对锅炉引风机的运行产生影响：一方面，烟气余热深度回收利用系统降低了进入引风机的烟气温度，导致引风机的工作流量减小；另一方面，烟气余热深度回收利用系统增加了烟气管路的总阻力，导致引风机的工作压头提高。对于新建工程，在引风机选型时已考虑前置式低温煤气预热器和所述低压省煤器带来的影响，所以不存在引风机不匹配的问题；而对于改造工程，由于之前的引风机选型并未计入前置式低温煤气预热器和所述低压省煤器带来的引风机体积流量和管路阻力变化，所以需要核算引风机的出力是否能够满足改造后系统的运行要求，以及引风机是否仍然处于高效区运行，以确定是否需要进行引风机改造或者在烟道中增设增压风机等。本发明实现了能量的梯级利用，减少了烟气-空气换热系统、烟气-煤气换热系统的换热损，提高了烟气余热的有效利用率；增加了汽轮机出力，提高了煤气发电机组的发电量；进一步降低了排烟温度，更大程度地回收了锅炉烟气余热，具有较好的经济效益。