【其他技术】钢铁生产企业各生产工序的余热回收再利用技术

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发布时间:2022-12-03 05:14:40

  自2000年以来,我国钢铁行业高速增长,产量约占世界总产量的40%,其能耗占全国工业能耗的比例超过25%,占全国总能耗的比例超过17%,碳排放量居世界之首,具有“高投入、高耗能、高排放”的“三高”特征。然而,按照占主导地位的长流程生产工艺来测算,我国钢铁流程的能源利用率仅为27%,其余73%主要以余热余能的形式存在。因此,提高钢铁生产流程各工序的余热回收利用率,分析与优化能耗,利用先进的节能技术提高资源利用率,降低生产成本,是实现生产流程的高能效、高品质、低排放甚至是零排放的根本途径。

  所谓余热余能:即为了满足工艺过程、生产某种产品,或为了满足人们生活、工作的需求,需要消耗一定数量的能源。除了为满足这种需求理论上所需消耗的能源以外的、认为无用的、剩余的热与能即为相关过程和需求的余热余能。

  余热余能是相关过程和需求之中被认为无用的热与能,并非全部都不可被再利用,实际上通过一定的方式仍然可以有效地利用这部分热与能。这也是我们讨论、关心这部分能量的目的之一。另外,从能源科技的发展而言,能的合理利用与不断提高的余热余能利用水平有着密切的关系。

  余热余能的利用水平与相关时代的科技水平、生活、工作方式密切相关。随着可现代科技的不断进步,今天的余热余能,明天即可能部分的成为理论上的需求。也就是说能的利用水平的提高是与余热余能的合理利用密切相关的。今天被认为是余热余能,明天即成了有效能或者减少了的余热余能。例如,在炼钢过程中,过去将钢水变成产品,要求先浇铸→冷却→变成钢锭→加热→满足轧钢工艺→产品,这样在冷却过程中会产生余热,在加热过程中又要增加能的消耗。由于发明了连铸技术,则可直接利用钢水进行轧制,不仅减少了加热能的消耗,同时还减少了冷却过程中的余热。再如,过去火力发电系统,由于燃烧与传热㶲损失和其它原因,使发电过程产生了大量烟气余热及冷凝余热,并散失至大气之中,系统效率很低。近代,由于改善了燃烧及传热过程等,减少了㶲损失引起的排烟损失及冷凝损失,使发电系统的发电效率达到了较高水平,低的达到40%左右,高的达到60~70%左右。也就是说随着发电方式的改变,充分利用了以㶲损失表现的高位余能,达到了能的合理利用,获得了系统发电效率的提高。再例如,废热锅炉的利用,大大地改善了工艺系统余热利用,从而将余热变成了人们所需要的热、功、电。一般情况下,余热余能既可能是由高位㶲损失引起,也可能是由低位的热损失引起。余热余能虽然均属于低位能,但是它们的来历却大不相同。有的是由于利用不好,产生了大量的㶲损失而形成的;有的却是正常利用后较少产生㶲损失而形成的。虽然它们在余热余能的形式下属于低位能源,但由于来历不同,我们在考虑它们的回收利用时,即可能产生不同的方法与措施。对于前者,我们可以利用减少㶲损失、改善燃烧传热等方法,可以使余热余能得到较好的利用。后者则可采用多能互补的方法,从而合理利用余热余能。这样我们即对余热余能的产生、性质及其利用有了一个较全面的理解与认识。

  总之,余热余能的概念是相对的,是随时变化的。它的研究、利用与能源的合理利用、发展是密切相关的。余热余能的利用及研究过程,在一定程度上代表了能源的合理利用与发展水平。以往多以直观的热力学第一定律(热平衡)来研究余热余能的利用,也的确取得了很大的成就,使总能利用系统效率有3~6%的提高。但是人们忽略了在余热余能的利用方面,联合热力学第二定律研究问题所取得的成就。火力发电今天能取得40~70%的发电效率,仅仅按照热平衡来研究是难以达到的。所以,我们在考察研究余热余能的潜力及措施时,也务必按此方法及理念来分析问题,并制定相应地措施,才会取得理想的效益。注:未被利用的余热余能仍然属于能,只不过是难以利用的能,其㷻的比例很高,或全为㷻。

  在冶金行业,从广义上讲,工业系统中凡是具有高出环境温度、压力、浓度等排气、排液和高温待冷却的物料所包含的能量,统称为余热余能。余热余能已经成为冶金能源的组成部分,包括:各种烟气(废气)携带的显热(包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等同时携带内能的可燃气体);最终轧制成材或成材前铁水、钢水、坯料具有的显热;烧结矿、球团矿具有的显热;高炉渣和钢渣等熔渣显热;生产中各种冷却水及产生的蒸汽携带的热能;高炉炉顶煤气的余压,少许带有压力的冷却水等等。

  随着社会的发展,人们对能源的依赖程度在加强。人们成倍增加的对能源的需求,造成了地球化石能源的储量在迅速减少,形成了难以持续发展的格局。同时人们大量地利用能源,也造成了严重的环境污染与生态恶化。从理论上讲,可再生能源(太阳能、风能、水能等)的数量几乎取之不尽、用之不竭,即可持续发展、长期利用。但由于其密度低、随时性很强(随时间变化十分明显)的特性,使人们的对其的利用极为困难,往往是投入产出不合算。所以,在没有出现合理的利用方式或可持续发展的新能源、可再生能源或实现经济、安全利用的技术之前,人们依然还要依靠化石能源。在这种现实的情况下,节能减排或余热余能的合理利用则具有重大意义。在化石能源的利用过程中,实践证明只能有效地利用一部分,另一部分则以不同形式变成了余热余能。在能源利用的过程中,人们通常将变成余热余能的过程称为损失的过程,例如摩擦损失、节流损失、散热损失、燃烧损失、传热损失等。实践证明,这部分“损失”在一定条件下它们又变成了余热余能,其能的品位也出现了降低,而这些被降低了品位的余热余能中的一部分又可能变成有效能。余热余能的可用程度往往与时间、地点、相关的技术水平、管理水平有密切的关系,而余热余能的有效利用,又往往能促进能源的合理利用。余热余能的利用不仅包括高位㶲部分,也包括低位㶲的部分。在此我们可以说,余热余能的合理利用,乃是能源合理利用的重要组成部分。不难想象,一个不重视余热余能项目的地区、单位,则不可能出现能源利用的高水平。总之,余热余能的研究及完善程度乃是能源合理利用的不可缺少的极其重要组成部分。余热余能的优化利用,是解决目前能源紧张、环境污染、生态恶化的重要组成部分。余热余能的利用目的在于提高系统能源利用率,千万不能过多的去干涉其范围大小及措施来源。

  余热余能潜力分析的目的主要是为了更好地利用它,并引起人们的重视。由于提高余热余能的利用水平,使更多的、原来无用的余热余能得到了合理利用,变废为宝。为了正确地提高余热余能的利用水平,更好地挖掘其潜力,必须有一个合理的分析方法及原则。过去,人们多以热力学第一定律来考虑能量的平衡与利用,通过建立热平衡关系来分析问题。这样在实际工作中虽然也取得了大量的成绩,但却忽略了很重要的问题:不仅该有的潜力未能发现,也不能在某些情况下正确地选用余热余能的利用措施。例如用天然气锅炉烧蒸汽与美宝炉烘干物料等的高位低用,浪费了大量的㶲,使燃料的高位能白白浪费,变成了相应的低位热。从第一定律的热平衡看,系统已无利用的潜力,但从㶲平衡角度而言,其回收的潜力则很大。所以,目前应同时考虑热力学第一、第二定律,不仅要考虑热平衡,更要考虑㶲平衡。即不仅要考虑能源量的大小,同时还要考虑能源质的差异。为此,要求我们在余热余能的利用过程中,充分地考虑能的梯级利用,实现“温度对口、梯级利用”及“品位对口、梯级利用”。这样不仅可以全面地看到其可利用潜力,还可以为其合理利用指出正确的方法、措施。

  可见,产品显热和废气显热占总余热资源的3/4还多,因此是钢铁行业余热回收利用的重要研究对象。

  中高温余热往往呈现温度较高、热量较集中的特点,回收难度较低,企业投入有限向此类项目倾斜。低温余热比较分散且热源波动频繁,不容易集中回收。

  ——热不经或少经转换,直接用于生产工艺过程本身,产品显热直接输送到下道工序,如高温铁水供转炉炼钢(一罐到底)、热钢坯送进加热炉(热送热装);烟气显热预热煤气、助燃空气、干燥物料等,电炉废钢的预热、高炉鼓风脱湿、炼焦入炉煤调湿等。

  ——热经转换后,在进行余热利用、动力利用或热电联合利用,如烟气显热经余热锅炉产生蒸汽或热水,红焦经换热生产蒸汽并发电(CDQ),高炉炉顶余热发电(TRT),高压蒸汽驱动高炉鼓风机,煤气透平与电动机同轴驱动高炉鼓风机组(BPRT),用烧结余热汽轮机驱动烧结主抽风机(SHRT)。

  在分析余热余能的利用问题期间,必须明确以下的认识与原理:余热余能与生产工艺、能源利用过程的关系十分密切,它们伴生于生产工艺、能源利用过程之中。因而,它们的来源品位有高低之分,不能简单地认为只包括低位余热余能。它们的产生是由工艺及能源转换过程进行的不完善而产生的各种损失(这里包括燃烧损失、传热损失、传递损失、化学不完善损失、散热损伤、摩擦损失、漏失损失等)所造成。所以为了合理利用这部分余热余能,则要与上述原因相结合的系统及过程特点相联系。

  环保的恶化与工艺与能源转换过程相关,它是影响人们身体健康、生态变化的重要因素。过去是先污染后治理,效果并不尽如人意,不仅给社会带来了巨大的投入与压力,还给人们带来的是一种难以回避的灾难。为此,人们在长期探索与研究中找到了一种最有效的治理方法,即:工艺、能源、环境治理一体化的原则,即在工艺及能源转换利用过程中一体化地统一解决。

  余热余能的利用与治理,也与工艺、能源转化过程密切相关。它们利用的好坏直接影响着、标志着能源利用的好坏。如果对已经表现出的余热余能仅采用简单的方法来治理、利用,对能源合理利用的收益并不大。只有按照相关系统㶲损失的特点,去系统地考虑其利用的方法及措施,方能取得喜人的成就。例如,用天然气来烧热水或蒸汽,仅仅利用了转换过程的余热,仅能回收的热效率为10%左右,㶲效率仅1~2%。在这个过程中,出现了能量的高位低用,系统㶲损失很大。如果采用天然气蒸汽联合电热系统,系统的㶲效率即可提高30%以上。余热余能利用的目的在于提高总系统的能源利用率,所以这种比较一目了然!对于煤烧热水或蒸汽的系统,则要考虑利用IGCC系统进行回收。这里也要注意,在考虑余热余能的利用时,不仅要考虑系统能源利用的优劣程度,同时也要考虑投入产出的合理性以及难易程度。对不同条件及大小的项目可以采用不同的方法处理,不能一概而论。

  在考虑余热余能利用时,不能仅以热效率来分析,解决问题,更要以㶲效率来分析、解决问题。因为,在㶲效率与热效率相同的条件下,根据热泵工作的原理:COP可以大于1,一般情况多在3~4之间,这样即可证明用㶲效率来分析解决问题,可能取得较好的结果。当然,这也要视条件而定:如果用量不多,仅仅需要热水或低压蒸汽,直接燃烧产生也是可以的。例如,家庭利用的天然气热水器,虽然效率很低,相对余热也很大,但在此条件下也只能如此。

  余热余能是来自于工艺及能源转换过程,其利用与回收也只能以系统分析的方法来处理。余热余能利用的创新主要体现在系统集成方面的创新,即结合特定条件,经过创新提供最佳的集成系统结构,体现热力学基本定理的梯级利用、综合利用的原理。

  根据热转换过程,热不经或少经转换,直接用于工艺过程本身是利用率最高的方法。因此,在余热利用时,应尽可能地经工序富余资源及时有效、因地制宜、最大限度地用于工艺过程本身,如果不能或有剩余再考虑其他方式。

  我国钢铁企业90%是以高炉——转炉为主的长流程企业。完整的制造流程包括焦化、烧结或球团、高炉炼铁、转炉炼钢、轧制。图1是一个典型的钢铁企业的制造全流程的余热余能技术应用点。

  1、中国钢铁业是多层次、多水平共存的行业。先进与落后、领先与淘汰、最大与最小、清洁与污染共存,世界最先进钢铁生产工艺和装备在中国,最落后的也在中国。与之对应,钢铁企业的余热回收水平也参差不齐。

  2、高温余热资源存在三大世界性难题——荒煤气利用、熔渣显热回收和转炉煤气余热回收;此外,我国钢铁业未利用的余热资源量大,多集中在低温余热领域,需加大投入。

  3、所有余热余能资源中,副产煤气所占比例最大,约74.6%,其中焦炉煤气22.29%,高炉煤气43.66%,转炉煤气9.02%。煤气收集至煤气管网,供应各工序或燃烧转化成电能,技术成熟,回收利用充分。

  4、高炉炉顶余热发电(TRT)、干熄焦、热风炉烟气预热以及铸坯热装送技术已经成熟和普及;煤调湿技术在重点开发和积极推广中。

  6、目前,高炉渣、钢渣尚无有效回收利用途径;高炉煤气显热、烧结和焦化烟气显热由于工艺操作原因,尚未很好的回收利用。

  在焦化工序,焦炉煤气潜热的利用即煤气利用技术已经普及;对焦炉煤气显热还未进行回收,目前正在研究中的方法有利用玄幻氨水回收、利用初冷器回收、利用上升管汽化冷却器回收、利用上升管热管回收和直接热裂解或重整;焦炭显热是利用干熄焦技术回收,目前这项技术已经已经成熟和普及,多数钢厂已经应用;对于焦炉烟气显热,国内钢铁企业主要是重点开发和推广煤高湿技术,此外热管生产蒸汽技术目前也快速发展,未来的研究方向是根据工艺流程进一步完善和改进煤调湿技术,更新换代。

  在烧结工序,对烧结矿的显热多数钢厂已经通过直接利用(热风烧结、热风点火助燃和烧结混合料干燥)或余热发电进行了回收。目前正在研究的方向是烧结矿余热罐式回收发电工艺和烧结烟气显热绝大部分钢厂并未进行回收,其回收方法主要是烧结烟气循环技术,目前该技术处于研究阶段。

  在炼铁工序,高炉煤气的潜热即煤气利用技术已经普及;高炉煤气的显热除小部分经TRT转化回收外,基本未进行回收,高炉煤气的显热回收技术还有待开发;多高炉炉渣显热的回收通过冲渣水采暖实现,部分北方企业已经应用于生产实践,目前研究的重点是干式粒化回收法、风淬法、离心法等回收方法;高炉炉顶余压可以利用TRT技术回收,国内全部1000m3以上高炉及部分小高炉都已实现,目前正在研究的方法是干式TRT回收法;对于热风炉烟气显热的回收利用,国内钢厂通过煤气、空气双预热来实现,目前研究的重点是开发耐高温、耐腐蚀性能、气密性好的高性能换热器。

  在炼钢工序,煤气潜热的利用即煤气利用已经普及;转炉烟气显热是经汽化冷却进行蒸汽回收利用,正在进行的研究重点是蒸汽发电以及导热相变材料回收储热等;电炉烟气显热未回收,电炉烟气汽化冷却系统正在研究中心;炉渣显热也未回收,技术有待开发;钢坯显热部分通过连铸坯热装热送实现回收,该项技术已经成熟和普及,目前研究的重点是对于钢水过热和凝固潜热以及连铸坯物理显热的回收利用。

  在轧钢工序,加热炉烟气的显热回收利用方式有:在烟道内设置换热器,用烟气加热助燃空气或煤气;设置预热段用烟气加热炉料;设置蒸汽过热器;设置余热锅炉用烟气热量生产蒸汽;蓄热式燃烧;炉内水梁汽化冷却,下一步研究方向是低湿余热发电。

  冶金能源节约可分为3个方面:源头治理、过程治理和末端治理。源头治理是在工艺设计方面采用能源消耗少的设计;过程治理是在生产过程中的管理和操作中节能;末端治理是在能源消耗了之后通过回收利用达到降低能源消耗总量的效果。余热余能的回收利用属于末端治理,是节能的重要途径之一,与此同时,源头治理与过程治理也是钢铁企业实现资源循环利用和可持续发展所不可忽视的重要方面。




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