鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用技術現狀綜述

引言

在《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》逐漸深入落實的時代背景下,節(jié)能減排已成為國家的重大決策之一,各地工業(yè)企業(yè)積極推行低碳化發(fā)展,探尋能源損耗最小的發(fā)展路徑。鋼鐵企業(yè)面臨著來自資源、環(huán)境的挑戰(zhàn),現已進入轉型升級的重要時期。然而,在鋼鐵制造工藝流程中,僅有30%～50%的能量得到有效利用,剩余大量能量則以余熱形式存在,回收潛力巨大。實現余熱資源的高效回收利用,降低企業(yè)的能源成本是鋼鐵企業(yè)在研究中需考慮的重大問題。

目前,鋼鐵企業(yè)余熱資源廣泛分布于各工序生產過程中,余熱資源豐富且回收利用技術多樣。因此,本文從焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼等鋼鐵生產工序出發(fā),對我國鋼鐵企業(yè)余熱資源的主要回收利用技術進行綜述,為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術發(fā)展提供參考。

1鋼鐵企業(yè)余熱資源分布與利用現狀概述

11鋼鐵企業(yè)各生產工序余熱資源狀況

我國鋼鐵企業(yè)90%是以高爐一轉爐為主的長流程企業(yè),生產流程一般包括煉鐵、煉鋼、軋鋼、燒結、焦化等工序。鋼鐵生產流程中各工序能耗不盡相同,其中煉鐵工序的能耗比重最大,約占整個鋼鐵生產流程總能耗的59%。各生產工序能耗占總能耗百分比如圖1所示。

圖1鋼鐵生產各工序能耗占總能耗百分比

在各生產工序中,煉鐵工序的能源利用效率最高,約達89.2%:燒結工序的能源利用效率最低,僅有約25.3%。

1.2鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用現狀

我國鋼鐵企業(yè)余熱資源的回收利用目前仍存在一些問題,具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?

在煉鐵工序中,現有高爐渣余熱回收技術可分為通過介質交換熱量和與化學反應結合以吸收余熱,對于顯熱處理有提高余熱回收率和促進高附加值產品生產兩種偏向,但仍然沒有相關成熟技術可以兼顧兩者:煉鋼煙氣余熱回收量少,且能級損失很大,大部分高溫煙氣仍未得到有效回收利用:軋鋼工序中加熱爐煙氣排放量大、排煙溫度較高、余熱利用率低:燒結工序的燒結礦的高溫余熱基本沒有回收利用,僅中低溫部分的余熱得到有效利用:焦化工序副產煤氣利用率偏低,同時還存在大氣污染和難以處理的固體廢棄物排放量高等問題。

2各工序余熱回收利用技術應用現狀

2.1煉鐵工序余熱回收利用

鋼鐵生產流程中會產生大量余熱,此外還伴有煙(煤）氣、高爐渣、冷卻水等物質的產生。其中煉鐵工序高爐渣顯熱約占30%的余熱資源,且回收率較低?，F有余熱回收利用方法可分為物理回收方法和化學回收方法兩大類。

2.1.1物理回收方法

煉鐵過程中產生大量高爐渣,且其出爐溫度高,含有巨大的物理潛熱。因此,現有許多物理回收方法對其進行余熱回收以獲取經濟效益。鋼鐵企業(yè)中常用的物理余熱回收利用方法主要有風淬法、水淬法、旋轉杯?；ā㈦p鼓法、甲烷水蒸氣法和冶金熔渣射流干法粒化。

(1）風淬法:首先將高溫熔渣粉碎,這個過程需利用高速空氣對其沖擊,使用多段流化床回收粉碎后的渣粒,獲取高溫熱風或用于發(fā)電,這個過程回收了余熱的同時也生產了高附加值的產品,這些爐渣產品可用于水泥生產等,提高了經濟效益。

(2）水淬法:水淬法主要包括底濾法、因巴法、明特克法、拉薩法、圖拉法5種,將冷卻水噴灑在破碎的高溫爐渣上實現熱量轉移,冷卻水吸收高溫爐渣的部分熱量蒸發(fā)成為中壓蒸汽,蒸汽被收集進入蒸汽系統(tǒng)從而得以被利用。

(3）旋轉杯粒化法:利用高速旋轉的多孔旋轉杯所帶來的離心力,熔渣被甩出?；?甩出過程中冷空氣與高溫粒渣相遇升溫,回收高溫空氣對高溫渣粒進行余熱回收。

（4）雙鼓法:雙鼓法余熱回收設備中轉鼓內部填充低沸點流動介質,轉鼓具有良好的導熱性,液態(tài)爐渣倒入轉鼓,由爐渣向下重力和轉鼓向上轉力兩合力調節(jié)轉速,轉動過程中,高溫爐渣熱量傳導至轉鼓內流動介質,升溫后介質導出實現爐渣余熱回收。

(5）甲烷水蒸氣法:高爐熔渣粒化過程中的顯熱用于化學反應,被甲烷和水蒸氣的吸熱反應吸收,并且生成了H2和Co等物質,將余熱轉變?yōu)榛瘜W能。

（6）冶金熔渣射流干法粒化:張衍國提出以水為載體,通過高速射流沖擊的方式?；廴谠?再輔以流化床和移動床的梯級熱能回收技術可實現高熱回收率,這種方法耗水量小、污染少且具有很高的安全性。

2.1.2化學回收方法

鋼鐵企業(yè)中常用的高爐渣顯熱化學回收利用方法主要有高爐渣生產渣棉、高爐渣制備微晶玻璃、利用高爐渣顯熱制煤氣技術、化學?；に嚒?

（1）高爐渣生產渣棉:首先在高溫狀態(tài)下往高爐渣中加入配置好的混合料,如鐵尾礦、廢石等,待其融化,將壓縮空氣或蒸汽作為工具,安裝在高爐渣溝末端的噴嘴處,利用酸性尾礦和廢石作為調質劑,這些預先配置好的混合料將被高壓氣體噴吹成為絲狀,從而形成了具有高附加值的渣棉纖維。這一方法回收了大量廢棄材料和余熱資源,有利于環(huán)境保護。

(2）高爐渣制備微晶玻璃:有部分研究表明,可將高爐渣作為原料,用于制備高附加值的微晶玻璃,利于提高高爐渣利用率。許瑩等通過熔融法制備微晶玻璃:樊涌等利用污泥焚燒灰渣和高爐渣以特定配比混合,通過在高溫熔融爐中加熱等方式制備出冶金渣微晶玻璃:程向前研究將高爐渣作為陶瓷的助燒結劑,降低了燒結溫度且改善了陶瓷的材料性能:國外部分學者利用鋼鐵爐渣制造富Cao的微晶玻璃、透明和彩色玻璃陶瓷等?；厥崭郀t渣制備高附加值的陶瓷產品的同時,又間接利用了爐渣的顯熱。

(3）利用高爐渣顯熱制煤氣技術:劉宏雄等提出在高爐渣?；倪^程中,會釋放出大量熱量,用以確保煤的氣化過程溫度,放出熱能轉化為煤氣化所需要的化學能。此方法也可能存在氣化反應不徹底存在殘渣影響轉化的問題。

(4）化學粒化工藝:首先通過氣體沖擊將爐渣?；?其過程中的顯熱將通過化學反應被吸收,以化學能的形式被儲存,最后,在熱交換器中進行逆向化學反應,這個過程重新釋放熱量,如此,余熱將以作為化學反應熱源的形式循環(huán)而被利用。

2.2煉鋼工序余熱回收

在煉鋼工序中,主要采用蒸汽轉換發(fā)電技術回收煙氣余熱。用汽化冷卻裝置將煉鋼工序中所產生的大量約1400℃高溫煙氣進行降溫以滿足后續(xù)的除塵要求,同時產生蒸汽。將所產蒸汽送至蒸汽蓄熱器,使熱能以飽和水的形式被存儲,在使用時將部分飽和水閃蒸轉化為飽和蒸汽輸送給用戶。

汽化冷卻煙道余熱過程中產生的低壓飽和蒸汽還可以直接用于發(fā)電,發(fā)電系統(tǒng)簡單,易于運行操作,在不需要另外補充燃料或能源的同時,又能夠保障安全性和可靠性。轉爐余熱飽和蒸汽也可以作為真空爐氣源用于真空精煉。

2.3軋鋼工序余熱回收

軋鋼工序產生的余熱資源主要通過蓄熱式燃燒技術進行回收利用。蓄熱式燃燒技術是一種在高溫低氧環(huán)境下燃燒軋鋼加熱爐內燃料的生產技術。此種燃燒模式取消了傳統(tǒng)的靜態(tài)火焰局部高溫燃燒,采用大空間擴散燃燒,使得加熱爐均勻燃燒,爐溫也更加穩(wěn)定。該技術一定程度上減少了溫度集中帶來的氧化損害,消除了由于局部高溫引起的空氣體系過剩,在減少廢棄物排放量的同時提高了加熱鍋爐的質量。

2.4燒結工序余熱回收

對于燒結工序中存在的余熱資源,多數企業(yè)采用燒結環(huán)冷機進行回收利用。

按照燒結型環(huán)冷機的燃燒煙氣質量不同,可分為三個階段一高溫段、中溫段、低溫段。高溫階段主要用于對工業(yè)生產的水蒸氣和熱風進行點火:中溫階段主要用于發(fā)電系統(tǒng)在降低溫度后的余熱發(fā)電:在低溫階段主要目的就是引入一個大型熱風遮蓋罩,實施對大氣的熱風燒結,減少大氣中的廢氣排放。

環(huán)冷機根據高溫階段針對煙氣特別地設計了一個帶有直聯爐蓋形式的余熱鍋爐,為雙壓立式無補燃的天然循環(huán)鍋爐,并且在加熱時還采用了由煙氣部分組成的自然循環(huán)系統(tǒng)。環(huán)冷機中溫段煙氣的最大熱量來源于空氣利用低溫余熱oRC發(fā)電工藝技術進行空氣回收后的熱能,余熱再利用回收使得廢氣最高溫度由約180℃降低至約115C。

2.5焦化工序余熱回收

在焦化工序中,生產焦炭的過程中伴隨著焦爐煤氣等副產品。焦化工序主要存在的余熱資源包括紅焦顯熱、焦爐荒煤氣顯熱和焦爐煙氣顯熱等。目前,鋼鐵企業(yè)主要利用干熄焦技術回收紅焦顯熱及煤調濕技術回收焦爐煙氣顯熱:對于焦爐荒煤氣顯熱回收,部分鋼鐵企業(yè)則采用上升管余熱回收技術進行回收利用。

2.5.1干熄焦技術

干熄焦技術的主要工藝流程是將高溫焦炭從頂部放入密閉式干熄爐,采用低溫稀有氣體置換高溫焦炭的熱量,焦炭待冷卻至約200℃后即可排出。高溫狀態(tài)稀有氣體通過余熱鍋爐后產生蒸汽,能夠廣泛應用于太陽能發(fā)電、采暖等:冷卻后的稀有氣體又可以直接鼓入空調干熄鍋爐進行循環(huán)。

干熄焦技術可以將紅焦顯熱轉化為蒸汽用于發(fā)電,從而實現節(jié)能并提高能源利用率。干熄焦技術同時還具備腐蝕程度較低、蒸汽循環(huán)利用以降低發(fā)電能耗、焦炭強度高等優(yōu)點,具有較高的清潔效益和生產效益。

2.5.2煤調濕技術

煤調濕技術是在裝爐前對煉焦煤材料進行加熱處理,去除部分水分,控制裝爐煤材料水分處于較低水平(大約6%）,然后進行裝爐煉焦生產的一項生產技術。

在煉焦過程中,煤調濕技術可以將焦爐中廢氣、煤氣等余熱以及發(fā)電機組中的熱量綜合起來,之后對進入到焦爐中的煤氣進行加熱,通過焦爐中的余熱將煤氣中的含水量降低至5%～6%,減少煤氣中含水量,以起到煤氣預熱和調濕的作用。煤調濕技術能夠有效減少煉焦過程的能源損耗,提高焦化產品的回收率。

2.5.3上升管余熱回收技術

焦化工序中產生的焦爐荒煤氣溫度高達650～800℃,攜帶約36%的焦爐熱量,具有較高的回收意義。在近些年鋼鐵行業(yè)關于回收焦爐荒煤氣的各項研究中,焦爐上升管余熱回收技術相比其他技術更符合企業(yè)實際生產要求。

焦爐上升管回收工藝采用水一蒸汽一水封閉循環(huán),借助上升管換熱器及輔助系統(tǒng)吸收荒煤氣顯熱產生的飽和蒸汽。上升管余熱回收技術能夠保證上升管內部焦油不產生凝結現象,同時最大化地回收荒煤氣熱量,提高余熱利用率。

3余熱回收利用新技術進展

除各項生產工序中已廣為人知的余熱回收利用技術以外,近些年還出現了部分余熱回收利用的新技術和新方法,具有較大的經濟效益和環(huán)保效益。

3.1熱管技術

熱管依次可分為蒸發(fā)段、絕熱段與冷凝段三個工作段。工作原理主要為熱管在受熱后系統(tǒng)內的工作流體會呈現出蒸發(fā)形態(tài),同時液態(tài)物品呈現出氣態(tài)變化,此過程能夠對熱量進行有效吸收。管內溫度的增加導致蒸發(fā)段內蒸汽壓逐漸增加。在增至大于冷凝段氣壓時,蒸汽便向冷凝段進行傳遞,此時管道內工作流體從氣體轉變回液體。

以某燒結余熱發(fā)電系統(tǒng)為例,數據顯示,在系統(tǒng)運轉過程中,運用熱管技術能在發(fā)電量達1.82億kw·h的基礎上,節(jié)省5萬t煤炭資源,有效回收240億m3余熱。與此同時,熱管技術在進行余熱回收時也可以對廢渣和粉塵等有害物質進行一定程度的規(guī)避,符合企業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念,能夠有效提升鋼鐵企業(yè)的經濟效益。

3.2富氧燃燒技術

富氧燃燒(Oxygen-EnrichedCombustion)技術是將富氧氣體中的氮含量濃度高于21%的部分作為主要助燃氣體而進行的一種高效增強式燃燒。其特點在于減少了助燃爐鍋內空氣的排放和燃燒爐中廢氣的排放,使得燃燒反應速度加快,提高了局部火焰的溫度,能夠在很大程度上改善爐窯的導熱性能。

富氧燃燒技術帶來的益處之一是可以減少煙氣量,降低煙氣余熱的能量損耗。同時,富氧燃燒技術能夠在源頭減少NOX排放,降低氧化燒損。該技術現已正式列入我國推薦的節(jié)能減排技術目錄。

4余熱回收利用進一步探索優(yōu)化關鍵問題

4.1降低燒結環(huán)冷機漏風率

環(huán)冷機作為燒結工序中的重要生產設備,也是目前國內外采用最為廣泛的一種燒結冷卻設備,其運行效率影響著燒結礦生產效益和相關技術指標。但在鋼鐵企業(yè)實際生產過程中,環(huán)冷機底部、欄板、橫梁和煙罩等處可能存在漏風現象,導致燒結環(huán)冷余熱回收量偏低、電耗增加。采用液體密封等更加嚴密的方式來完善燒結環(huán)冷密封裝置,能夠降低漏風率,增加余熱回收量,有利于提升余熱產汽能力。

4.2低溫余熱用于采暖、制冷

廠區(qū)內部的低溫余熱大多是通過空冷器、冷卻塔等設備直接排放進入大氣,會產生一定的空氣污染和資源浪費。若能把工業(yè)中的低溫廢熱、廢氣以及熱水等余熱資源綜合利用成為一種驅動性的熱源,將具有較大的環(huán)保意義和經濟效益,為降低生產成本和節(jié)能減排做出貢獻。

在制冷方面,目前可以利用的低溫余熱制冷方法主要有噴射式制冷、吸附式制冷和吸收式制冷,其中吸收式制冷系統(tǒng)應用最為廣泛。采暖方面可使用吸收式換熱技術,將原本難以利用的工業(yè)低溫余熱有效應用于供熱系統(tǒng),提高供熱一次水溫差。

4.3深度回收熱軋加熱爐煙氣余熱

軋鋼加熱爐中存在70%～80%的熱量損失,其中煙氣帶走的熱損耗占30%～35%。熱軋加熱爐煙氣在鍋爐中加熱煤氣和助燃空氣后仍以300℃以上的溫度外排。通過建設外置余熱鍋爐或鍋爐中的內置蒸發(fā)器對煙氣系統(tǒng)進行改造,回收加熱爐中預熱空氣、煤氣后的煙氣余熱,能夠使加熱爐尾部的煙氣溫度由回收前的約300℃下降至約150℃,同時改善爐壓調控,增加低壓蒸汽產量。

4.4加強副產煤氣的優(yōu)化與利用

加強副產煤氣資源優(yōu)化與利用是鋼鐵企業(yè)發(fā)展過程中制造流程伴生煤氣高效利用和功能拓展的重要發(fā)展方向之一。目前已研究的副產煤氣利用方法除燃燒供熱及發(fā)電、生產石灰、生產直接還原鐵外,還有分離提取二氧化碳、分離提取合成氣生產化工產品以及合成甲烷制備替代天然氣等。

5結語

隨著余熱回收利用技術所帶來的節(jié)能環(huán)保效益和經濟效益得到普遍認可,鋼鐵企業(yè)在余熱回收利用領域所進行的研究工作也越來越深入。利用好鋼鐵生產過程中的余熱資源對鋼鐵企業(yè)的改革發(fā)展起著十分重要的作用,特別是在當前倡導節(jié)能減排的時代大背景下,鋼鐵企業(yè)的余熱回收利用也更具現實意義。

本文從鋼鐵企業(yè)各工序余熱資源狀況出發(fā),對各工序中余熱回收利用技術應用進行了綜述:介紹了近些年新興的兩項余熱回收利用技術熱管技術和富氧燃燒技術:總結了鋼鐵企業(yè)余熱回收利用進一步探索優(yōu)化所存在的關鍵問題,為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術創(chuàng)新提供了新思路。鋼鐵企業(yè)需結合現有余熱回收技術和自身生產實際情況,推進余熱利用技術與工藝節(jié)能相結合,優(yōu)化余熱利用技術,最大化回收余熱資源,提高企業(yè)經濟效益,為全社會節(jié)能環(huán)保發(fā)展助力。