钢铁生产过程余热资源回收与利用技术

钢铁生产过程余热资源回收与利用技术钢铁行业是高消耗、高排放行业:工业消耗能源量约占全国的17%；水资源消耗约占我国工业耗水的10%；二氧化碳排放量约占全国11%。钢铁是我国生态环境建设和低碳经济发展的重点领域。钢铁生产流程实质上是复杂的“煤—铁化工”过程，以煤为主的过剩能量流在推动“矿石—铁—钢—材”这一过程（即物质流）完成的同时，产生了大量的余热余能。物质流（主要是铁素流）在能量流（主要是碳素流）的驱动下，工序串联作业，流程协同（集成）运行，实现化学、物理转换的过程。在此过程中，碳素能量流没有全部转换到铁素物质流中去。国际顶级的高炉-转炉-热连轧生产流程，仍有38%左右的二次能源未被铁素物质流有效利用，因此有必要协同优化“物耗、能耗”综合成本地系统节能降本。随着钢铁工业生产流程的不断优化和工序能耗的逐步降低，回收利用各生产工序产生的余热余能资源是钢铁企业节能减排的方向、途径及潜力所在。企业能耗工序能耗=∑（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j降低工序能耗必须从两方面入手：（1）降低各工序生产单位产品所直接消耗的燃料量和各种动力；（2）高效回收各工序产生的各种余热和余能。随着钢铁工业生产流程的逐步优化和工序能耗的不断下降，降低单位产品能源实物消耗量的节能难度越来越大，回收与利用余热余能的效果会更加明显。点题——余热资源的高效回收与利用是进一步降低大型钢铁联合企业吨钢能耗的主要措施之一。主要内容主要内容1我国钢铁生产过程余热资源的回收与利用现状2余热资源回收与利用的热力学分析3钢铁生产过程典型余热资源的回收与利用——关于烧结过程余热资源高效回收与利用1利用现状余热资源属于二次资源。广义而言，凡是具有一定温度的排气、排液和高温待冷却物料所包含的热能均属于余热。余热资源包括：•燃料燃烧产物经利用后的烟气显热；•高温产品的显热；•高温废液的显热；•冷却水带走的显热。在不同的工序余热有着不同的种类和形态，其温度水平（即品质）和数量也存在着较大的区别。1.1余热资源的组成典型余热就我国钢铁工业而言（以长流程为例），其比较典型的余热资源有：焦化工序：红焦显热、焦炉荒煤气显热；烧结工序：烧结矿显热、烧结烟气显热；炼铁工序：铁水显热、高炉炉顶余热、融渣显热、高炉冷却水显热；炼钢工序：钢水显热、转炉烟气显热、融渣显热；轧钢工序：加热炉冷却水显热。余热总量2005年，我国大中型钢铁企业生产1吨钢所产生的余热资源总量为8.44GJ/t钢，大约占吨钢可比能耗的37%。渣显热9%废烟气显热37%冷却水显热15%产品显热39%图5我国钢铁工业余热资源构成**2005年，我国20余家大中型钢铁企业统计数据以1吨钢为基准，统计各种余热的回收与利用数据。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/球团显热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2.411.490.940.283.351.68渣显热高炉渣显热0.590.010.590.01钢渣显热0.1500.150小计0.740.010.740.01表我国大中型钢铁企业余热资源回收利用的情况GJ/t-s1.2余热资源的回收利用水平续表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废烟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转炉渣显热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表我国大中型钢铁企业余热资源回收利用的情况（续）GJ/t-s冷却水显热高炉冷却水显热0.950.95加热炉冷却水显热0.290.020.290.02小计1.240.021.240.02合计3.361.492.190.662.890.028.442.17利用分析我国钢铁工业余热资源利用回收现状：2005年我国钢铁工业余热资源的平均回收利用率25.8%。回收利用率：高温余热资源44.4%→中温～30.2%→低温～1%。若按携带余热物质种类和形态：产品显热50.04%→烟气～14.92%→冷却水～1.90%→熔渣～1.59%。我国大中型钢铁企业余热资源回收利用率30%~50%，全国平均值则更低；而国外先进钢铁企业余热余能的回收利用率平均为80%，有的在90%以上，如日本新日铁高达92%。工序余热资源总火用量回收火用节能技术节能量钢比系数GJ/t产品GJ/t钢GJ/t产品GJ/t钢焦化工序焦炭显热焦炉煤气显热焦炉烟气显热0.730.20.110.3140.0860.0470.088000.03800CDQ；煤调湿－配型煤快速炼焦技术55kgce/t焦23.7kgce/t钢0.43烧结工序烧结矿余热烧结废风余热0.320.0450.4160.0590000综合梯级利用16.6kgce/t矿21.6kgce/t钢1.3炼铁工序高炉煤气余热和余压高炉煤气化学热高炉渣显热热风炉烟气余热0.3465.40.380.30.3635.670.40.3150.235.2000.245.4600热风炉余热回收技术；TRT技术；23.7kgce/t铁24.9kgce/t钢1.05炼钢工序转炉煤气余热转炉煤气化学热钢坯余热钢渣余热0.1470.880.330.120.1470.880.330.120.050.430.0100.050.430.010“负能”炼钢；优化铁钢界面20kgce/t钢1合计（GJ/t钢）9.1476.22890.2kgce/t钢回收率68.1%合计（GJ/t钢）不计化学热2.8670.33811.8%表某大型钢铁公司余热资源回收利用情况统计表——蔡九菊，中国冶金报，2009.6.11回收利用钢铁生产过程产生的余热余能资源，烧结工序最具代表性。我国烧结工序能耗比国外先进指标高出20％以上，主要原因是烧结工序余热资源的回收与利用水平低。烧结余热资源包括烧结过程的废气显热和产品显热，分别占烧结工序总热量收入的20-45%。据报道，烧结工序的燃料消耗约44kgce/t，余热资源的回收利用量多达14kgce/t，与每吨烧结矿的电力消耗大体相当。烧结过程余热资源“数量”的多少和“品质”的高低，不仅与烧结工艺有关而且还与余热回收方式及装备水平有关。充分利用烧结过程不同温度水平的余热资源，不只是节能的需要也是减排的需要，更是改善烧结工艺和提高烧结矿质量的需要，一举多得。（1）烧结余热资源回收与利用技术我国烧结工序的余热回收利用工作先后经历了引进国外先进技术、自主研发和引进消化后再创新等几个阶段，余热的回收利用方式也从最初的简单热回收到生产余热蒸汽，最后发展到回收电力等。2000年，首钢烧结厂4台烧结机的余热回收工程投入运行，在国内首次实现了烧结生产用汽的自给自足。2004年马钢继宝钢之后，再一次引进川崎一整套烧结冷却机余热发电系统，2005年9月建成并投产。•2台300m2烧结机，年产约660万吨。•每台烧结带冷机各配备一套额定蒸发量37.4t/h余热锅炉（卧式自然循环），生产375℃、1.95MPa的过热蒸汽；•2台余热锅炉配备一套17.5MW凝汽式汽轮发电机组。•汽轮发电机系统中配置低压蒸汽发电系统（闪蒸器），在额定负荷下可增加发电功率6KW。•年发电0.7亿kWh，节约能源3万tce。11.5以来“十一五”以来，我国在消耗吸收国外先进技术与装备的基础上，自主研究。济钢在引进消化吸收国外先进技术的基础上，依靠国产化设备，在1台300m2烧结机上建成了国内第二套烧结余热发电系统（2007年1月投产）。吨矿发电约15kWh。2007年以来，鞍钢、邯钢、安钢、玉溪新兴等公司都先后签订了烧结余热发电合同，烧结余热发电势头强劲。整体概况据不完全统计，截至2008年，我国钢铁行业有烧结机450余台，总烧结面积为38000m2（折合360m2烧结机约105台），年产烧结矿4.3亿t，其中配备余热回收装置已由2005年的不足10%增加到15％左右，热回收利用率也由2005年的10%增加到13％左右，相关的技术指标是：吨烧结矿蒸汽回收量约30～40kg，工序能耗46~60kgce。（2）CDQ（2）干熄焦（CDQ）技术干熄炉二次除尘锅炉循环风机除氧器红焦二次空气冷焦纯水一次除尘器蒸汽并网发电低压蒸汽纯水预热器工艺流程工艺流程：首先，将炼焦炉推出的大约为1050℃的赤热焦炭置于熄焦室中，在熄焦室中被逆向流动的冷惰性气体(主要成分为氮气，温度170~190℃)熄灭，同时惰性气体被加热到700~800℃，然后经除尘后进入余热锅炉，最后将产生的余热蒸汽再送往汽轮机发电。优点：采用干熄焦装置可回收红焦显热，节约工业水消耗，降低焦化工序能耗；减少环境污染，改善环境质量；同时，还可改善焦炭质量，降低高炉焦比，提高产量。技术概括我国干熄焦装置从2005年的36套增加到2010年的112套，在建的干熄焦装置还有近50套。干熄焦产能相应地从3800万吨/年增加到10895万吨，约占我国炼焦产能的24%。重点钢铁企业的干熄焦普及率从2005年的26%提高到2010年的85%，我国干熄焦装置和熄焦能力均居世界第一。2005年后，处理能力从2005年的65t/h~150t/h扩展到最大260t/h的不同系列的干熄焦设备均可由国内供应。国家产业政策要求，钢铁企业新建焦炉必须配套建设干熄焦装置和地面除尘装置。“十二五”期间要求钢铁企业焦炉100％都要采用干熄焦技术。至2011年7月末，我国已投产和在建的干熄焦装置115套，占83%，据世界第一。（3）高炉炉顶煤气余热发电（TRT）技术ＭＢＬ至高炉煤气管网鼓风机DCVSVS汽轮机发电机热风炉高炉高炉煤气ＴＲＴ高炉炉顶压力高达0.15MPa~0.25MPa，炉顶煤气中存有大量的压力能。TRT是利用高炉炉顶煤气的压力能和热能经透平机膨胀做功，从而驱动发电机发电。继续分析高炉的稳定运行和炉顶煤气温度的降低，为TRT发电和高炉煤气干法除尘创造了条件，全干法+TRT技术可使发电效率提高30%，吨铁发电量达35-45kWh。高炉重力除尘器氮气减压阀组TRT机组0.21Mpa135℃煤气透平~≤20mg/m3≤5mg/m3至煤气管网布袋除尘器0.22Mpa整体概况我国TRT技术在1000m3以上大型高炉的普及率还不到40%，尤其是干式TRT的使用率更低，吨铁发电量、吨铁节水量等技术指标与国外先进产钢国家还有较大的差距，配套设备的国产化率也比较低。因此，引进、消化吸收国外先进技术，特别是消化吸收后的集成创新，研发具有自主知识产权的干式TRT技术与装备，是我国未来TRT技术的发展方向。(4)蓄热TRT技术在国外较为普及，如日本TRT技术的普及率已达到90%。我国也在逐步推广，截止“十一五”末期，我国总计有超过600座高炉配备了597套高炉炉顶余压发电设备（TRT），比2005年增加了357套，产生了巨大的效益。2010年全年回收电量约12亿kWh，年减少CO2排放量1000万吨。重点钢铁企业中大于1000m3高炉的TRT普及率比2005年提高了27个百分点，达到98%，2010年吨铁发电量达到32kWh，比2005年提高了7kWh。采用干法除尘的TRT发电量将增加25%~30%左右。首钢京唐的两座5500m3高炉均采用干法除尘，TRT吨铁发电量达到56kWh。目前。配备干式TRT的大型高炉已超过100座，例如首钢京唐、宝钢、莱钢、济钢、包钢、鞍钢、唐钢、韶钢、首秦等。（4）高温蓄热燃烧技术燃料燃料燃烧器B空气切换阀排气150℃炉温1350℃钢板1250℃空气排气预热空气1000℃炉温1350℃钢板1250℃蓄热室B燃料燃烧器A燃料燃烧器B切换阀蓄热室A观点高温空气燃烧技术,