钢铁生产过程中余热利用

1余能再利用技术在钢铁企业中远期规划中的应用宗燕兵苍大强白皓金翼刘治国刘建（北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室，北京100083）钢铁生产过程中余热余压能的回收利用对降低生产的总能耗有十分重要的意义。钢铁生产过程的发展，一方面要采用先进技术降低余热余能的产生量，例如连铸坯的直接轧制就基本上消除了钢坯余热损失。另一方面则要通过综合优化充分回收利用已产生的余热余能。余热余能资源属于二次能源，确切来讲余能资源主要包括余热能和余压能（高炉余压），大部分以热能形式存在。在钢铁生产过程中的余热资源包括烟气余热、蒸汽余热、冷却水余热及固体显热（如烧结矿显热、焦炭显热），余压能主要指高炉余压。作者所在的生态与循环冶金教育部重点实验室针对我国北方某钢铁集团公司进行了循环经济的发展规划，本文将就其中的烟气余热以及蒸汽余热等余热余能的回收利用规划情况作一介绍。1烟气余热回收规划余热利用的原则是，根据余热资源的数量和品位及用户的需求，尽量做到能级的匹配，在符合技术经济原则的条件下，选择适宜的系统和设备，使余热发挥最大的效果。简单来讲可使用如下原则：对于高温烟气余热：可直接回收利用，如用于预热助燃空气、预热煤气、预热或干燥原料或工件（电炉烟气可预热废钢）、以及生产蒸汽；也可以采用动力回收余热发电系统更符合能级匹配的原则，余热发电有以下三种方式：1）利用余热锅炉产生蒸汽，再通过汽轮机组发电；2）高温余热作为燃气轮机工质的热源，经加压加热的工质推动气轮机做功，带动发电机发电。中温烟气余热：通过空气预热器后约300～500℃的中温烟气可以通过余热锅炉产生蒸汽方式回收热量。余热锅炉产生的蒸汽可并入蒸汽管网，代替供热锅炉，节约锅炉燃料消耗。蒸汽回收的热量虽然不能直接返回到炉内，但是，就提高整个企业的能源利用率、节约燃料和促进企业内部的动力平衡来说，仍起着十分重要的作用。并且余热锅炉的设备简单、耐用，当车间需要蒸汽时可以就地取材，多余的蒸汽可以并入蒸汽管网。采用烟管式余热锅炉，按排烟温度为250℃计算，产生1.4MPa饱和蒸汽的产量为3.31t/h，所需传热面积约为200m2，经分析，采用该余热锅炉，代替供热锅炉可节约的燃料量约为每年2500t标准煤。对于发生量大的余热锅炉，可以在供气系统中设置蒸汽蓄热器，来保证供汽的平衡。2当生产的蒸汽有富裕时，可在蓄热器中存储一部分富裕蒸汽的能量；当到达高峰负荷时，如果锅炉供汽跟不上需要，可由蓄热器补充能量，供应一部分不足的蒸汽，以适应负荷变化的需要。这样一般可提高锅炉热效率3%～5%。低温烟气：对于低于200～300℃的烟气（如烧结烟气，高炉热风炉烟气）可以利用回转式、热管式、热媒式热交换器来预热空气和煤气，也可以直接用于冬季供暖或夏季制冷。对于温度更低的烟气余热可以作为热泵的低温热源，经热泵提高其温度水平，就可扩大使用范围然后加以利用。目前热媒式换热器和吸收式制冷是技术成熟、回收效果较好、可操作性强的低温烟气回收方式。总之，在能级概念的基础上，根据烟气温度的不同，实现热－电－冷联产。针对我国北方某钢铁企业集团的实际情况，采用以下措施：烧结烟气：烧结机主排烟气温度均达到350℃左右，环冷机烟气温度达300℃左右，可通过余热锅炉产生蒸汽，回收烧结矿的高温余热，实现蒸汽完全自给。每吨烧结矿余热回收蒸汽可达80～100kg。高炉热风炉烟气：烟气温度为250℃左右，该企业目前只有5＃炉有烟气回收装置，规划在2010年之前对所有高炉热风炉进行改造，利用热媒式换热器来预热煤气和空气，预热温度可达175℃，从而回收利用热风炉烟气余热，降低生产系统能耗。电炉烟气：电炉烟气温度高达700℃左右，目前对其余热还没有回收，造成能源的浪费。规划使用竖炉利用烟气余热预热废钢。对超高功率电炉，废钢在密闭容器内预热，预热后的温度可达到300～500℃，烟气中含有很高氧化铁的粉尘将大部分被废钢过滤而进入电炉内当作原料使用，回收的热量可达烟气显热的30%，相当于电炉输入热量的6.2%。一台100t电弧炉废钢预热器的综合效益为：1）废钢平均预热温度可达200～250℃；2）电能消耗减少40～50kWh/t；3）熔炼时间缩短5～8min；4）电极消耗下降0.2～0.4kg/t；5）电炉热效率达70%(不预热废钢时一般为50%～60%)。因此，电炉烟气预热废钢的方法对环境保护、节能降耗、提高电炉工艺的竞争力均有重要意义。轧钢加热炉烟气：对轧钢加热炉的烟气余热应该随烟温的由高到低逐级回收利用。对出炉温度为650～800℃的高温烟气，可以通过各种换热器预热空气或煤气，换热器后400～500℃左右较难回收的中温烟气可以通过热管或余热锅炉进一步回收利用。对于低于300℃的低温烟气可以采用热媒式换热器或制冷方式加以回收利用。2蒸汽余热回收利用蒸汽能耗约占冶金企业能耗总量的10%左右。冶金行业年能耗量约为1.33亿t标煤，按550元/t标煤计算，年蒸汽能耗费用大约为71.5亿元。如果以蒸汽管网改造节能率10%计算，全行业年节能效益约为7亿元(实践证明，蒸汽设备节能效果远不止10%)。回收蒸汽余热其经济效益也是相当可观的。针对公司将来发电厂外供热不足，而余热蒸汽又大量放散，为此采取以下措施。近期可以将放散过的热蒸汽与饱和蒸汽管网连接，扩大饱和蒸汽用户；同时，在平山厂区推广热水采暖，气暖改为水暖，节约过热蒸汽多发电。锅炉产生的具有较高品位的热能蒸汽，首先通过汽轮机发电，同时利用汽轮机的抽汽或排汽冬季向用户供热，夏季利用吸收式制冷机向用户供冷。推广蒸汽制冷技术，搞集中制冷站，多消耗饱和蒸汽来节约电力，按每年建一个厂的目标，将炼钢厂，炼铁厂、冷轧厂、连轧厂等单位，全部建成余热汽制冷站，取消电制冷。3低品质余热蒸汽发电技术开发应用钢铁生产过程种设备冷却和余热回收产生的蒸汽，因为品质较低（低压、饱和），没有合适用户，被大量放散，热量全部损失，并造成水的大量浪费。开发余热蒸汽发电技术是实现放散蒸汽回收利用的有效手段，该项技术利用专门设计的汽轮机，引入低品质（低压、饱和）蒸汽直接进行发电。表1低品质蒸汽状况表序号余热蒸汽发生位置余热蒸汽发生设备流量（t/h）夏季利用（t/h）压力(MPa)温度（℃）1烧结机带冷机34并网0.8~1.32102转炉烟道和余热锅炉100300.8~1.31603轧钢加热炉炉筋管45150.8~1.3175一期建设两个余热电站：（1）3×150t转炉余热蒸汽电站主要是进行低温余热蒸汽发电技术开发应用，改造现有三座150t转炉汽化冷却烟道，提高蒸汽压力、产量和干度，利用产生的32t/h饱和蒸汽经蓄能装置调压后供应稳定参数的蒸汽，通过专用冲动式低品位热能凝汽式汽轮机直接进行发电，发电量为3MW。（2）新东区余热蒸汽电站主要是进行饱和蒸汽过热技术的开发应用，将企业的3×180t转炉、薄板加热炉、中板加热炉汽化冷却产生的约98t/h饱和蒸汽先过热30～450℃，再用管道输送到发电主厂房集中，经调压稳压后产生稳定参数的蒸汽供应汽轮发电机组进行发电，发电量为10MW。二期建设两个余热电站：（1）利用3×150t转炉烟道余热高效回收后增产的蒸汽和钢渣热量回收产生的蒸汽建设一座3MW电站。（2）利用3×180t转炉烟道干法除尘余热高效回收后增产的蒸汽建设一座6MW电站。4高炉冲渣水余热的回收利用在冶金企业中，各种冶金炉的冷却余热约占燃料消耗的10%～20%，电厂冷却水余热约占燃料热能的一半，它们带走的热量很大，但受硬水结垢的限制，冷却水的温度很低，其“可用能”值也就很低，所以回收利用的难度大，价值小，其余热可以暂不作回收。但对于高炉冲渣水，其温度高且量大，可对其余热进行回收利用。采取措施：引用高炉冲渣水进行沉淀、过虑处理，主要设施有浓缩池、快滤池、药剂制备间、热水泵站、污水泵站等。处理后的高炉冲渣水和冷凝水由热水泵站供市区采暖，以房间温度20℃计算，可供采暖面积132万m2。供暖后冲渣水返回到高炉冲渣系统循环使用。从规划的投资分析情况来看，该项目需要投资2054万元。