钢铁厂节能减排余热回收若干关键技术研究与发展

1钢铁厂节能减排及余热回收利用若干关键技术研究与发展中国金属学会能源与热工学会蔡九菊二〇〇八年十一月于贵阳市2一前言钢铁工业是典型的流程工业，上靠天然资源（矿产、能源、水）下系周边环境（固、液、气体废弃物），对资源、能源、环境的影响举足轻重；资源紧缺与环境脆弱，成为钢铁工业高速发展的瓶颈约束。“节能减排”是缓解资源和环境问题的重要举措，是企业生产与经营方式的根本转变，是管理者及科技工作者履行社会、经经、环境责任的庄严承诺。“减量化”是节能减排的切入点，节能与减排，节能优先，节能需要理论和技术的双重支撑，既要节约用能，更要科学用能。1.1节能减排的重要性31.2钢铁企业的能耗水平及其影响因素分析工序能耗=∑（能源j实物耗量）×（能源j折标系数）－（能源回收利用量）统计期内工序的实物产量吨钢能耗=∑(第i工序实物产量)×(第i工序能耗）企业的合格钢产量hixiiiiiieepepE第i工序的钢比系数，实物产量与钢产量之比，t/t第i工序的工序能耗，kgce/thixiieee第i工序能耗中余热余能的回收利用量kgce/t产品第i工序能耗中能源的直接消耗量，kgce/t产品的分解：ie吨钢能耗e-p式：4iiiiiiiieepppeE（1）降低吨钢能耗e–p分析法能源介质的实物消耗量gj余热余能的回收利用量bi能源转换过程所消耗的能量cj（能源介质的能值或折算系数）工艺流程生产及产品结构废弃物的回收利用（再使用、再资源化）直接影响因素在研究钢铁企业能源消耗时，同时分析钢比系数和工序能耗这两类因素的方法，称作e-p分析法。主张能源按工序进行横向管理，注重每道工序的能源消耗与回收，强化余热余能的回收利用，以及各工序之间的热衔接间接影响因素535.339.245.451.248.160.854.651.948.864.7010203040506070809010080-8586-9091-9595-0000-05年份间接（直接）节能比例间接节能直接节能图1我国钢铁工业1980-2005直接与间接节能效果分析图1980~1995年主要依靠降低各工序能耗，直接节能占62.5％，间接节能占37.5%；1996~2005年主要依靠钢铁工业的结构调整和流程优化，间接节能上升到51.9％，直接节能下降为48.1％。6工序名称工序能耗ej（kgce/t产品）钢比系数pj（t/t）吨钢能耗差距（kgce/t钢）②×④-①×③发达国家①中国②差距②-①发达国家③中国④差距④-③烧结/球团57.065.0＋8.01.0401.334＋0.294＋27.4高炉炼铁464.0457.0－7.00.7310.861＋0.130＋54.3转炉炼钢17.936.0＋18.10.7000.842＋0.142＋17.8电炉炼钢198.6201.0＋2.40.3000.158－0.142－27.9轧钢*152.289.0－63.20.8530.920＋0.067－48.0“其它”49.690.0＋40.4＋40.4﹡吨钢能耗差距：不考虑国内外轧钢工序的差别，714-650=64＋64.0﹡吨钢能耗差距：考虑国内外的差异取国内轧钢工序与国外相同，714-650+48=112＋112.02005年我国大中型钢铁企业吨钢可比能耗与先进产钢国对照表7（2）降低吨钢能耗c–g分析法能源的分配、缓冲及使用能源介质的回收量能源介质的放散量能源介质的消耗量能源的种类与品质动力介质的生产及能量消耗能源转换设备及效率能源管网设施与能量输送fjhjgjjjjjjgggcgcE在研究钢铁企业能耗时，同时分析能源介质的转换效率及其吨钢消耗量这两类因素的方法，称作c-g分析法。提倡能源按介质进行纵向管理，注重提高能源介质的转换效率，合理分配、缓冲和使用，节约能源，避免放散，发挥能源中心的离线优化和在线调控作用。吨钢能耗c–g式：生产每吨钢消耗j种能源介质的数量，单位/t钢第j种能源介质的折算标准煤系数，kgce/单位影响因素:jgjcfjhjgjjgggg固定用户消耗第j种能源的数量，单位/t钢的分解：jg缓冲用户消耗第j种能源的数量，单位/t钢生产每吨钢第j种能源的放散量，单位/t钢以一吨钢为计算基准8①降低主生产流程各工序的燃料、电力、氧气、蒸汽、压缩空气和工业水等能源、动力的消耗量；③提高能源加工、改质等环节的转换效率，即降低生产1t焦炭、1kWh电、1m3氧气等所消耗的能源量（减小能源介质的折标煤系数）；④回收利用生产过程中散失的各种余热余能余热：产品显热、渣显热、烟气显热、冷却水显热余能：转炉煤气、高炉炉顶余压、冷却水余压1.3节能方向与途径②减少焦炉、高炉、转炉煤气，氧气，蒸汽和高炉鼓风等能源、动力介质的放散量；9二我国钢铁厂余热余能资源的现状冷却水显热,1.24,15%废（烟）气显热,3.1,37%渣显热,0.74,9%产品显热,3.35,39%余热按品种分类余热按品质分类高温余热(900℃)40%中温余热(400℃～900℃)26%低温余热(400℃)34%3.362.192.8900.511.522.533.5高温中温低温（单位：GJ）产品显热3.35GJ39%废气显热3.10GJ37%冷却水显热1.24GJ15%熔渣显热0.74GJ9%10（1）产品显热及其回收利用情况红焦、钢坯、铁水显热为高温余热回收率58％0.590.060.60.241.221.10.790.2800.20.40.60.811.21.4红焦显热钢坯显热铁水显热烧结矿显热20%10%40%90%2.1钢铁厂余热资源的种类产品显热共计3.35GJ/t钢，回收率50％烧结矿显热为中温余热回收率20％（单位：GJ）11转炉钢渣、高炉渣1500～1600℃，0.74GJ/t钢。0.1500.590.0100.10.20.30.40.50.6钢渣显热高炉渣显热转炉钢渣显热没回收高炉水冲渣余热水用于冬季取暖（2）熔渣显热及其回收利用情况12（3）废气显热及其回收利用情况废气显热共3.11GJ/t钢，回收利用率15％0.210.080.170.020.360.110.720.2500.10.20.30.40.50.60.70.8LDG显热COG显热热风炉烟气加热炉烟气40％10％30％35％高温余热有LDG显热，回收率可达40％中温余热有COG显热、热风炉烟气、加热炉烟气显热，回收率30％低温余热有烧结废烟气显热、焦炉烟气显热、BFG显热，基本无回收13我国余热回收率平均约30%，国内先进40%，国外先进50%采取目前先进回收技术理论上可回收68%。我国与国际先进水平还有很大差距，余热回收潜力很大3.361.492.190.662.890.0200.511.522.533.5高温中温低温44％30％2.2钢铁厂余热资源的品质（1）余热资源总量：3.36+2.19+2.89=8.44GJ/t钢14（2）余热资源及回收利用情况统计表余热资源高温中温低温合计资源量回收量资源量回收量资源量回收量资源量回收量产品显热烧结矿/球团矿显热0.940.280.940.28焦炭显热0.590.060.590.06铁水显热1.221.101.221.10钢坯显热0.600.240.600.24小计2.411.400.940.283.351.68渣显热高炉渣显热0.590.010.590.01钢渣显热0.150.00.15小计0.740.010.740.01废气显热焦炉烟气显热0.190.19焦炉煤气显热0.170.020.170.02烧结烟气显热0.690.69高炉煤气显热0.770.77热风炉烟气显热0.360.110.360.11转炉煤气显热0.210.080.210.08加热炉烟气显热0.720.250.720.25小计0.210.081.250.381.653.110.46冷却水显热高炉冷却水余热0.950.95加热炉冷却水余热0.290.020.290.02小计1.240.021.240.02合计3.361.492.190.662.890.028.442.17单位：GJ/t15余能资源及回收利用情况统计表单位：GJ余能资源技术参数余能资源量GJ/t产品平均回收量GJ/t铁回收率%高炉炉顶余压0.15~0.25MPa0.300.2583.3转炉煤气8360kJ/m30.840.5869.0余热资源高、中、低温8.442.1725.7合计9.583.0031.32.3钢铁厂的余压资源及转炉煤气回收2005年我国共有高炉约1232座，其中1000m3以上高炉108座，TRT普及率100%，干法除尘比例达30%；1000m3以下20多座高炉配备TRT，全部为干法除尘。在正常生产条件下，吨铁回收电力20~40kWh，可满足高炉鼓风用电的30%。TRT配有干法除尘装置，则吨铁回收电力比湿法多30~40%，最高可回收电力约54kWh。统计表明，高炉顶压上升1kPa，吨铁发电量可提高0.135kWh。高炉炉顶压力在0.12MPa以上时，采用TRT技术经济上是合理的。16①各生产工序不能及时地足量地回收本工序所产生的各种余热和余能，余热回收率低，且数量不足；②对业已回收的各种热量得不到最有效地利用，受热源温度低、供应量不稳定或季节变化等因素影响，造成回收后的热风、蒸汽、热水等能量的部分放散，能量利用率低；③余热回收利用的理论研究滞后，关键技术和设备依赖进口，缺乏集成创新和引进消化吸收后的再创新。回收的热能要么贬值严重，要么不稳定，难于满足用户需求，造成大量的低温余热派不上用场；④部分企业规模小、产能低、装备落后，余热回收技术和设备投资大，不经济，回收的热量少，得不偿失，影响了部分企业回收余热的积极性。2.4影响余热余能资源回收利用的主要因素17我国烧结工序能耗约占企业总能耗15％，仅次于炼铁工序，比国外先进指标高出20％以上。主要原因之一是余热资源回收与利用水平低。烧结余热回收做得好的国家是日本，住友和歌山钢厂的4号烧结机生产每吨烧结矿可回收蒸汽量110～120kg，其中低压蒸气为175℃（0.78MPa），中压蒸汽375℃（2.55MPa），吨矿回收电力20kWh，工序能耗40kgce/t。我国马钢引进日本川崎余热发电技术，2台328m2烧结机余热发电，2005年9月投产，装机容量17.5MW，吨矿发电10kWh，年发电0.7亿kWh，经济效益4000万元以上，年节约3万tce；济钢1台320m2烧结机国产化余热发电系统，2007年1月投产，装机容量10MW，吨矿发电17kWh，年发电0.7亿kWh。三烧结过程节能及余热回收利用技术18烧结机环冷机冷却废气350oC30万300oC30万250oC30万180oC30万【230oC,150万m3/h】烧结废气250oC20万m3/h【170oC,60万m3/h】3.1烧结过程余热资源的组成及特点烧结废气显热—从烧结机下部抽出的烧结废气所携带；烧结产品显热—从冷却机上部排出的冷却废气所携带；却废气温度低且变化频繁，属典型中低温余热资源；废气流量大且漏风严重（烧结机吸冷风、环冷机漏热风）；高温高效回收烧结余热资源的前提是烧结、冷却废气的减量化。组成特点19热收入，MJ/t烧结矿热支出，MJ/t烧结矿固体燃料1096.984.7%烧结矿显热597.046.1%余热回收30.1%废气带走10.1%产品显热5.9%点火燃料27.22.1%原料水分蒸发195.515.1%原料中碳107.58.3%石灰石分解热209.816.2%台车底铺料10.40.8%台车底铺料10.40.8%其他53.04.1%烧结废气显热239.618.5%其他热损失42.73.3%合计1295100%1295100%360m2烧结机热平衡表（以生产1000kg烧结矿为基准，不含电力消耗）日本住友金属工业和歌山制铁所No.４烧结机※烧结过程的燃料消耗=1