Consteel电炉余热锅炉的热平衡计算方法研究

张培亭

(黑龙江省特种设备检验研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150001)

摘 要 :针对 Consteel 电炉余热锅炉烟气入口参数不稳定的特点 ,得到了余热锅炉的各项热损 失 、锅炉效率 、有效利用热量和蒸发量的计算公式 。对65 t Consteel 电炉炼钢设备余热锅炉进行了 热平衡计算 ,计算表明 ,锅炉的排烟热损失随烟气入口温度的降低而增加 ,而锅炉效率 、有效利用热 量和蒸发量随烟气入口温度的降低而降低 ,锅炉的平均蒸发量为 2311 t/ h 。

关键词 :余热锅炉 ;热平衡 ;计算方法 中图分类号 : TK229192 + 9 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 6339 (2005) 01 - 0025 - 03

Study of Computing Method on Heat Balance with Consteel Electric Heat Recovery Boiler ZHANG Pei - ting ( Heilongjiang Special Equipment Inspection & Research Institute , Harbin 150001 , China)

Abstract :Aiming at the features that the inlet conditions of flue gas are unstable on Consteel electric heat re2 covery boiler ,calculation formulas of heat loss ,boiler efficiency ,efficiently utilizable heat and evaporation ca2 pacity are obtained ,with which a heat balance calculation was applied to a 65 T/ h Consteel electric coupler heat recovery boiler . The results indicates that the heat loss is due to exhaust gas increases as the inlet tempera2 ture of flue gas decreases ,but the boiler efficiency ,efficiently utilizable heat and evaporation capacity decreased as the inlet temperature of flue gas decreases. Average evaporation capacity of the boiler is 23 . 1 T/ h. Key words :heat recovery boiler ; heat balance ;computation method

0 引言

Consteel 电炉炼钢设备的废气温度呈周期性变 〔1～2〕化,最高温度 可 达 1100 ℃, 为 了 更 有 效 地 回 收 利用这部分余热 ,在电炉工艺系统中 ,安装了一台余 热锅炉 ,产生饱和蒸汽供生产使用 ,以达到节能降耗

进行预测 。

1 锅炉的热平衡计算方法

111 各受热面出口烟气量的计算

的目的 。

锅炉的热平衡计算是锅炉各受热面传热计算的 基础 ,余热锅炉的热量平衡和一般锅炉不同 ,特别是 进口烟气温度阶梯变化的锅炉 ,其热平衡计算涉及 到很多特殊问题 。本文将对 Consteel 电炉余热锅炉 的热平衡问题进行研究 ,并对余热锅炉的热力性能

收稿日期 2004 - 10 - 10

修订稿日期 2004 - 11 - 12

对于烟道处于负压状态下运行的余热锅炉 ,由 于设备的不严密性 ,外部空气会漏入烟道 ,因此各受 热面的出口烟气量由入口烟气量和漏风系数确定 :

α) Vy(1) Vy″ = ( 1 +Δ′ 式中

V′V″—— 受 热 面 入 口 和 出 口 烟 气 量 , y 、y —

Nm3/ h ;

112

Δα———受热面漏风系数 , 定义为受热面漏

风量与受热面入口烟气量的比值 。 烟气焓的计算

余热锅炉的烟气为多种气体和固体的混合物 ,

·25 ·

作者简介 :张培亭 (1965～) ,男 ,硕士学位 ,高级工程师 。

烟气焓为混合气体和固体焓值的和 。本余热锅炉的 烟气中含有 H2O 、N2 、O2 、CO2 、空气等气态物质和飞 灰 。其烟气焓包括 H2O 、N2 、O2 、CO2 等气体的焓 、空气 焓和飞灰焓三部分 , 即 :

Iy = Iq + Ik + Ih

α——某一排灰点的 排 灰 量 占 总 灰 量 的 ph —份额 。 锅炉效率为 :

η = 100 - q2 - q5 - q6 锅炉

114 有效利用热量的确定 锅炉

( 9)

( 2)

式中

Iy ———烟气焓 , kJ / h ;

Iq ———H2O 、N2 、O2 、CO2 等 混 合 气 体 的 焓 ,

的有效利用热量为

I′Qyx = ηy / 3600 式中

115

Qyx ———锅炉的有效利用热量 , kW;

I′——余热锅炉入口烟气焓 , kJ / h 。 y —

( 10)

kJ / h ;

Ik ———空气焓 , kJ / h ;

Ih ———烟气中飞灰焓 , kJ / h 。

锅炉蒸发量的计算

H2O 、N2 、O2 、CO2 等混合气体焓的计算公式为 :

Iq

=

αθ) CO CO V y ( c2

2 2

θ) N + αN V y ( c2

2

+

αH O θ) H O 2 θ) O V y ( c+ αO V y ( c2 2 式中

2

2

(3)

2

2

当余热锅炉入口烟气条件稳定时 , 对饱和蒸汽

锅炉 , 锅炉蒸发量的计算公式为 :

rW ρpwDi = Qyx / ( i bq - i gs -

( cθ) CO 、( cθ) N 、( cθ) H O 、( cθ) O ———CO2 、N2 、

H2O 、O2 在 θ℃时的焓值 , kJ / Nm;

3

) + ( i bs - i gs ) ] 100 100

(11)

αααH O α、—— 烟 气 中 CO 、N 、O —2 2 2 2

H2O 、O2 的容积份额 ;

3

CO2 、N2 、

式中 Di ———锅炉蒸发量 , kg/ h ;

i bq 、i bs 、i gs ———饱和蒸汽焓 、饱和水焓 、给水

V y ———余热锅炉入口烟气量 ,Nm/ h 。

空气焓的计算公式为 :

(4) θ) k Ik = ΔV k ( c

θ) k ———空气在 θ℃时的焓值 , kJ / Nm3 ; 式中 ( c

ΔV k ———漏风量 ,Nm/ h 。 ΔV k = ΔαV′

3

焓 , kJ / kg ;

r ———汽化潜热 , kJ / kg ; W ———蒸汽湿度 , % ; ρ——锅炉排污率 , % 。 pw —

Consteel 电加热炉虽然是连续加热 ,但是炉料的添

加是间歇的 。因此 ,供给余热锅炉的入口烟气条件是变

(5) 化的 ,使得不同时间段内锅炉的蒸发量不同 。锅炉的总

蒸发量为不同入口烟气条件下锅炉蒸发量的和 。 α—式中 Δ——漏风系数 。

锅炉的平均蒸发量为 : 烟气中的飞灰焓为 :

τΣ( 6) θ) h Ih = αiDi hV y ( c

(12) D =

τ θ) h —式中 ( c——1kg 灰在 θ℃时的焓值 , kJ / kg ;

式中 τ——入口烟气条件稳定在某一参数下的 i —α——烟气中含尘浓度 , g/ Nm3 。 h —

时间 , min ;

113 锅炉各项热损失和效率的确定

Di ———时间 τ; i 内锅炉蒸发量 , kg/ h

对没有补燃的余热锅炉 , 化学不完全燃烧热损

τ———电炉工作一个周期所用的时间 , min 。

失 ( q3) 及机械不完全热损失 ( q4) 为 0 。只考虑排烟 热损失 ( q2) 、散热损失 ( q5) 及灰渣物理热损失 ( q6) 。 2 算例

余热锅炉的排烟热损失为 :

211 烟气入口条件及技术要求

Ipy - ΔV k I0 ( ) lk

(7) ×100 q2 = 余热锅炉的进口烟气为65 t Consteel 电炉的排 I′ y

气 ,烟气量 、烟气温度 、烟气成分及含尘浓度见表 1 式中 Ipy ——— 排 烟 焓 , 即 余 热 锅 炉 烟 气 出 口 焓 ,

～表 2 。 kJ / h ;

I0 ——进入锅炉的冷空气焓 , kJ / h ; lk —

I′——余热锅炉入口烟气焓 , kJ / h 。 y —

表 1 烟气量和烟气温度

烟气量 ,Nm3/ h

散热损失可根据经验确定 , 或参照锅炉选取 。

灰渣物理热损失为各排灰点灰渣带出热量占余 热锅炉入口烟气焓的百分数 , 公式为 :

αΣαθ) ph phhV y ( c

(8) ×100 q6 =

I′ y

( cθ) ph —式中 ——1kg 灰 在 排 灰 温 度 下 的 焓 值 ,

kJ / kg ;

100 000

烟气温度 , ℃ 1 100～ 1 000～ 800～ 700～ 600～ 400～

1 000 800 700 600 400 200

持续时间 ,min 5 5 10 20 8 3

表 2 烟气成分和含尘浓度

烟气容积成分 , % 烟气含尘浓度 ,g/ Nm3

H2O 215

N2 71

5～15

O2 515

CO2 21

要求锅炉排烟温度低于 200 ℃; 锅炉烟气侧阻

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力损失 < 1 500 Pa ; 锅 炉 给 水 温 度 为 104 ℃; 锅 炉 连 续产汽 (饱和蒸汽) ,锅炉额定工作压力116 MPa 。 212 对锅炉入口烟气温度的处理

在给定的余热锅炉入口烟气条件中 ,某一时间 段内的烟气温度为一个范围 。例如 , 10 ～ 20 min 内 的入口烟气温度为 700～800 ℃。计算中 ,取该时间 段内的入口烟气温度为给定温度范围的算术平均 值 。即认为某一时段内的烟气温度为一恒定数值 。 此时 ,余热锅炉入口烟气温度随时间的变化呈阶梯 形分布 ,见图 1 。

图 3 锅炉效率

图 1 锅炉入口烟气温度 图 4 锅炉有效利用热量

213 热平衡计算结果

对本算例中的余热锅炉 ,热平衡计算的目的是 计算出锅炉的热效率 、有效利用热量和蒸发量 。计 算中 ,由于烟气中的飞灰浓度 ( 见表 2) 和排灰温度 较低 ,故灰渣物理热损失忽略不记 , q6 = 0 ; 散热损 失按20 t/ h锅炉选取 , q5 = 113 % ; 排烟热损失的计 算结果见图 2 ; 计算时 ,漏风系数取为 0105 ,排烟温 度由锅炉热力计算确定 (篇幅所限 ,关于锅炉的热力 计算详细结果 ,将在另文论述) 。锅炉效率 、有效利 用热量和锅炉蒸发量的计算结果见图 3 、图 4 和图 5 。

图 5 余热锅炉蒸发量

3 结论

(1) 烟气入口参数不稳定的余热锅炉 ,各项热损

图 2 锅炉排烟热损失

失 、锅炉效率 、有效利用热量和蒸发量按文中公式计 算 。

(2) 对65 t Consteet 电炉炼钢设备余热锅炉的热 平衡计算表明 ,锅炉的排烟热损失随烟气入口温度 的降低而增加 ,而锅炉效率 、有效利用热量和蒸发量 随烟气入口温度的降低而降低 ,锅炉的平均蒸发量 为2311 t/ h 。

参考文献

〔1〕李进 1Consteel 电 弧 炉 炼 钢 工 艺 节 能 降 耗 特 点 分 析 〔J 〕. 工业加热 ,2003 , (4) :53 - 55.

〔2〕卓秀萍 ,毛乾华 1Consteel 电炉电力系统的特点〔J 〕. 修理与改造 ,2002 , (8) :21 - 23.

〔3〕赵明泉 1 锅炉结构与设计 (第 2 版)〔M〕. 哈尔滨工业 大学出版社 ,1992.

由图 2～图 5 所见 , 随着锅炉入口烟气温度的 降低 ,排烟损失增加 ,这是因为锅炉入口烟气温度降 低时 ,排烟温度和排烟损失的热量变化不大 ,而锅炉 的有效利用热量大大降低 ( 见图 4) ,造成排烟损失 增加 。锅炉效率 、锅炉有效利用热量和锅炉蒸发量 随锅炉入口烟气温度降低 。按式 (12) 计算出锅炉的 平均蒸发量为2311 t/ h 。

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