鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用技術(shù)現(xiàn)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(xiàn)已進入轉(zhuǎn)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[2],剩余大量能量則以余熱形式存在, 回收潛力巨大。 實現(xiàn)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(chǎn)過程 中,余熱資源豐富且回收利用技術(shù)多樣。 因此,本文從焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等鋼鐵生產(chǎn)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(shù)進行綜述,為鋼鐵企 業(yè)余熱回收利用技術(shù)發(fā)展提供參考。

鋼鐵企業(yè)余熱資源分布與利用現(xiàn)狀概述

111 鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序余熱資源狀況

我國鋼鐵企業(yè)90%是以高爐—轉(zhuǎn)爐為主的長流程企 業(yè)[2],生產(chǎn)流程一般包括煉鐵、煉鋼、軋鋼、燒結(jié)、焦化等工序。 鋼鐵生產(chǎn)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(chǎn)流程總能耗的59%。 各生產(chǎn)工序能耗占總能耗百分比如圖2所示。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)各工序能耗占總能耗百分比[.]

在各生產(chǎn)工序中,煉鐵工序的能源利用效率最高,約達89.2%:燒結(jié)工序的能源利用效率最低,僅有約25.3%[4]。

1.2鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用現(xiàn)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(xiàn)有高爐渣余熱回收技術(shù)可分為通過 介質(zhì)交換熱量和與化學(xué)反應(yīng)結(jié)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(chǎn)品生產(chǎn)兩種偏向, 但仍然沒有相關(guān)成熟技術(shù)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?zé)煔馊晕吹玫接行?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(jié)工序的燒結(jié)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(chǎn)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。

各工序余熱回收利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

煉鐵工序余熱回收利用

鋼鐵生產(chǎn)流程中會產(chǎn)生大量余熱,此外還伴有煙(煤） 氣、高爐渣、冷卻水等物質(zhì)的產(chǎn)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。 現(xiàn)有余熱回收利用方法可分為物理回收方法和化學(xué)回收方法兩大類。

物理回收方法

煉鐵過程中產(chǎn)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(xiàn)有許多物理回收方法對其進行余熱回收以獲取經(jīng)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(fēng)淬法、水淬法、旋轉(zhuǎn)杯?；ā㈦p鼓法、甲烷水蒸氣法和冶金熔渣射流干法?；?

(2）風(fēng)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?zé)犸L(fēng)或用于發(fā)電,這個過程回收了余熱的同時也生 產(chǎn)了高附加值的產(chǎn)品,這些爐渣產(chǎn)品可用于水泥生產(chǎn)等[5], 提高了經(jīng)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[5-6],將冷卻水噴灑在破碎的高溫爐渣上實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)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[7]。

(3）旋轉(zhuǎn)杯?；?利用高速旋轉(zhuǎn)的多孔旋轉(zhuǎn)杯所帶來的離心力,熔渣被甩出粒化,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[5]。

（4）雙鼓法:雙鼓法余熱回收設(shè)備中轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部填充低 沸點流動介質(zhì),轉(zhuǎn)鼓具有良好的導(dǎo)熱性,液態(tài)爐渣倒入轉(zhuǎn) 鼓,由爐渣向下重力和轉(zhuǎn)鼓向上轉(zhuǎn)力兩合力調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn) 動過程中,高溫爐渣熱量傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流動介質(zhì),升溫后 介質(zhì)導(dǎo)出實現(xiàn)爐渣余熱回收[5]。

(5）甲烷水蒸氣法:高爐熔渣?；^程中的顯熱用于化學(xué)反應(yīng),被甲烷和水蒸氣的吸熱反應(yīng)吸收,并且生成了 H2和Co等物質(zhì),將余熱轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)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(shù)可實現(xiàn)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[8]。

化學(xué)回收方法

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

（1）高爐渣生產(chǎn)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(diào)質(zhì)劑,這些預(yù)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[9]。

(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[10]通過熔融法制備微晶玻璃:樊涌等[11]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[12]研究將高爐渣作為陶瓷的助燒結(jié)劑,降低了燒結(jié)溫度且改善了陶瓷的材料性能:國外部分學(xué)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。 回收高爐渣制備高附加值的陶瓷產(chǎn)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(shù):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(zhuǎn)化為煤氣化所需要的化學(xué)能。 此方法也可能存在氣化反應(yīng)不徹底存在殘渣影響轉(zhuǎn)化的問題[13]。

(4）化學(xué)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(xué)反應(yīng)被吸收,以化學(xué)能的形式被 儲存,最后,在熱交換器中進行逆向化學(xué)反應(yīng),這個過程重 新釋放熱量[14],如此,余熱將以作為化學(xué)反應(yīng)熱源的形式

循環(huán)而被利用。

煉鋼工序余熱回收

在煉鋼工序中,主要采用蒸汽轉(zhuǎn)換發(fā)電技術(shù)回收煙氣余熱。 用汽化冷卻裝置將煉鋼工序中所產(chǎn)生的大量約1 400 ℃高溫?zé)煔膺M行降溫以滿足后續(xù)的除塵要求,同時產(chǎn)生蒸汽。 將所產(chǎn)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(zhuǎn)化為飽和蒸 汽輸送給用戶。

汽化冷卻煙道余熱過程中產(chǎn)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(zhuǎn)爐余熱飽和蒸汽也可以作為真空爐氣源用于真空精煉。

軋鋼工序余熱回收

軋鋼工序產(chǎn)生的余熱資源主要通過蓄熱式燃燒技術(shù) 進行回收利用。 蓄熱式燃燒技術(shù)是一種在高溫低氧環(huán)境下燃燒軋鋼加熱爐內(nèi)燃料的生產(chǎn)技術(shù)。 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(shù)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(zhì)量。

燒結(jié)工序余熱回收

對于燒結(jié)工序中存在的余熱資源,多數(shù)企業(yè)采用燒結(jié)

環(huán)冷機進行回收利用。

按照燒結(jié)型環(huán)冷機的燃燒煙氣質(zhì)量不同,可分為三個 階段一一高溫段、中溫段、低溫段。 高溫階段主要用于對工業(yè)生產(chǎn)的水蒸氣和熱風(fēng)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(fēng)遮蓋罩,實施對大氣的熱風(fēng)燒結(jié),減少 大氣中的廢氣排放。

環(huán)冷機根據(jù)高溫階段針對煙氣特別地設(shè)計了一個帶 有直聯(lián)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(shù)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115 ℃。

焦化工序余熱回收

在焦化工序中,生產(chǎn)焦炭的過程中伴隨著焦爐煤氣等 副產(chǎn)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(shù)回收紅焦顯熱及煤調(diào)濕技術(shù)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(shù)進行回收利用。

干熄焦技術(shù)

干熄焦技術(shù)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(chǎn)生蒸汽,能夠廣泛應(yīng)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(diào)干熄鍋爐 進行循環(huán)[15]。

干熄焦技術(shù)可以將紅焦顯熱轉(zhuǎn)化為蒸汽用于發(fā)電,從 而實現(xiàn)節(jié)能并提高能源利用率。 干熄焦技術(shù)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(chǎn)效益。

煤調(diào)濕技術(shù)

煤調(diào)濕技術(shù)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(chǎn)的一項生產(chǎn)技術(shù)[26]。

在煉焦過程中,煤調(diào)濕技術(shù)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%[27],減少煤氣中含水量,以起到煤氣預(yù)熱和調(diào)濕的作用。 煤調(diào)濕技術(shù)能夠有效減少煉焦過程的能源損耗,提高焦化產(chǎn)品的回收率[27]。

上升管余熱回收技術(shù)

焦化工序中產(chǎn)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[18]。 在近些年鋼鐵行業(yè)關(guān)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(shù)相比其他技術(shù)更符合企業(yè)實際生產(chǎn)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(chǎn)生的飽和 蒸汽。 上升管余熱回收技術(shù)能夠保證上升管內(nèi)部焦油不產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象,同時最大化地回收荒煤氣熱量,提高余熱利 用率。

余熱回收利用新技術(shù)進展

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

熱管技術(shù)

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(nèi)的工作流體會呈現(xiàn)出蒸發(fā)形態(tài),同時液態(tài)物品呈現(xiàn)出氣態(tài)變化,此過程能 夠?qū)崃窟M行有效吸收。 管內(nèi)溫度的增加導(dǎo)致蒸發(fā)段內(nèi)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(nèi)工作流體從氣體轉(zhuǎn)變回液體[19]。

以某燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)為例,數(shù)據(jù)顯示,在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中,運用熱管技術(shù)能在發(fā)電量達1.82億kw·h的基礎(chǔ)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(shù)在進行余熱回收時也可以對廢渣和粉塵等有害 物質(zhì)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(jīng)濟效益。

富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒(0xygen-EnrichedCombustion）技術(shù)是將富氧氣體中的氮含量濃度高于2l%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(nèi)空氣的排放和燃燒爐中廢氣的排放,使得燃燒反應(yīng)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(dǎo)熱性能[20]。

富氧燃燒技術(shù)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(shù)能夠在源頭減少N03排放,降低氧化燒損[21]。該技術(shù)現(xiàn)已正式列入我國 推薦的節(jié)能減排技術(shù)目錄。

余熱回收利用進一步探索優(yōu)化關(guān)鍵問題

降低燒結(jié)環(huán)冷機漏風(fēng)率

環(huán)冷機作為燒結(jié)工序中的重要生產(chǎn)設(shè)備,也是目前國 內(nèi)外采用最為廣泛的一種燒結(jié)冷卻設(shè)備,其運行效率影響 著燒結(jié)礦生產(chǎn)效益和相關(guān)技術(shù)指標。 但在鋼鐵企業(yè)實際生產(chǎn)過程中,環(huán)冷機底部、欄板、橫梁和煙罩等處可能存在漏風(fēng)現(xiàn)象[22],導(dǎo)致燒結(jié)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(jié)環(huán)冷密封裝置,能 夠降低漏風(fēng)率, 增加余熱回收量, 有利于提升余熱產(chǎn)汽能力[23]。

低溫余熱用于采暖、制冷

廠區(qū)內(nèi)部的低溫余熱大多是通過空冷器、冷卻塔等設(shè)備直接排放進入大氣,會產(chǎn)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(qū)動性的熱源,將具有較大的環(huán)保意義 和經(jīng)濟效益,為降低生產(chǎn)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(yīng)用最為廣泛[24]。 采暖方面可使用吸收式換熱技術(shù),將原本難以利用的工業(yè)低溫余熱有效應(yīng)用于供熱系 統(tǒng),提高供熱一次水溫差[25]。

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%[26]。 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(shè)外置余熱鍋爐或鍋爐中的內(nèi)置蒸發(fā)器對煙氣系統(tǒng)進 行改造,回收加熱爐中預(yù)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(diào)控,增加低壓蒸汽產(chǎn)量[24]。

加強副產(chǎn)煤氣的優(yōu)化與利用

加強副產(chǎn)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[27]。 目前已研究的副產(chǎn)煤氣利用方法除燃燒供熱及發(fā)電、生產(chǎn)石灰、生產(chǎn)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(chǎn)化工產(chǎn)品以及合成甲烷制備替代天然氣等[28]。

結(jié)語

隨著余熱回收利用技術(shù)所帶來的節(jié)能環(huán)保效益和經(jīng) 濟效益得到普遍認可,鋼鐵企業(yè)在余熱回收利用領(lǐng)域所進 行的研究工作也越來越深入。 利用好鋼鐵生產(chǎn)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(dǎo)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(xiàn)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(shù)應(yīng)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(shù)———熱管技術(shù)和富氧燃燒技術(shù):總結(jié)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(guān)鍵問題,為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術(shù)創(chuàng)新提供了新思 路。 鋼鐵企業(yè)需結(jié)合現(xiàn)有余熱回收技術(shù)和自身生產(chǎn)實際情況,推進余熱利用技術(shù)與工藝節(jié)能相結(jié)合,優(yōu)化余熱利用 技術(shù),最大化回收余熱資源,提高企業(yè)經(jīng)濟效益,為全社會 節(jié)能環(huán)保發(fā)展助力。