鋼鐵生產(chǎn)過程余熱資源回收與利用技術(shù)課件

鋼鐵生產(chǎn)過程余熱資源回收與利用技術(shù)鋼鐵行業(yè)是高消耗、高排放行業(yè):工業(yè)消耗能源量約占全國的17%；水資源消耗約占我國工業(yè)耗水的10%；二氧化碳排放量約占全國11%。鋼鐵是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)和低碳經(jīng)濟(jì)開展的重點(diǎn)領(lǐng)域。鋼鐵生產(chǎn)流程實質(zhì)上是復(fù)雜的“煤—鐵化工〞過程，以煤為主的過剩能量流在推動“礦石—鐵—鋼—材〞這一過程〔即物質(zhì)流〕完成的同時，產(chǎn)生了大量的余熱余能。物質(zhì)流〔主要是鐵素流〕在能量流〔主要是碳素流〕的驅(qū)動下，工序串聯(lián)作業(yè)，流程協(xié)同〔集成〕運(yùn)行，實現(xiàn)化學(xué)、物理轉(zhuǎn)換的過程。在此過程中，碳素能量流沒有全部轉(zhuǎn)換到鐵素物質(zhì)流中去。國際頂級的高爐-轉(zhuǎn)爐-熱連軋生產(chǎn)流程，仍有38%左右的二次能源未被鐵素物質(zhì)流有效利用，因此有必要協(xié)同優(yōu)化“物耗、能耗〞綜合本錢地系統(tǒng)節(jié)能降本。隨著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的不斷優(yōu)化和工序能耗的逐步降低，回收利用各生產(chǎn)工序產(chǎn)生的余熱余能資源是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的方向、途徑及潛力所在。企業(yè)能耗工序能耗=∑（能源j實物耗量）×（能源j折標(biāo)系數(shù)）—（能源回收利用量）統(tǒng)計期內(nèi)工序的實物產(chǎn)量j降低工序能耗必須從兩方面入手：〔1〕降低各工序生產(chǎn)單位產(chǎn)品所直接消耗的燃料量和各種動力；〔2〕高效回收各工序產(chǎn)生的各種余熱和余能。隨著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的逐步優(yōu)化和工序能耗的不斷下降，降低單位產(chǎn)品能源實物消耗量的節(jié)能難度越來越大，回收與利用余熱余能的效果會更加明顯。點(diǎn)題——余熱資源的高效回收與利用是進(jìn)一步降低大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)噸鋼能耗的主要措施之一。主要內(nèi)容主要內(nèi)容1我國鋼鐵生產(chǎn)過程余熱資源的回收與利用現(xiàn)狀2余熱資源回收與利用的熱力學(xué)分析3鋼鐵生產(chǎn)過程典型余熱資源的回收與利用——關(guān)于燒結(jié)過程余熱資源高效回收與利用

1利用現(xiàn)狀余熱資源屬于二次資源。廣義而言，但凡具有一定溫度的排氣、排液和高溫待冷卻物料所包含的熱能均屬于余熱。余熱資源包括：燃料燃燒產(chǎn)物經(jīng)利用后的煙氣顯熱；高溫產(chǎn)品的顯熱；高溫廢液的顯熱；冷卻水帶走的顯熱。在不同的工序余熱有著不同的種類和形態(tài)，其溫度水平〔即品質(zhì)〕和數(shù)量也存在著較大的區(qū)別。1.1余熱資源的組成典型余熱就我國鋼鐵工業(yè)而言〔以長流程為例〕，其比較典型的余熱資源有：焦化工序：紅焦顯熱、焦?fàn)t荒煤氣顯熱；燒結(jié)工序：燒結(jié)礦顯熱、燒結(jié)煙氣顯熱；煉鐵工序：鐵水顯熱、高爐爐頂余熱、融渣顯熱、高爐冷卻水顯熱；煉鋼工序：鋼水顯熱、轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱、融渣顯熱；軋鋼工序：加熱爐冷卻水顯熱。余熱總量2005年，我國大中型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)1噸鋼所產(chǎn)生的余熱資源總量為鋼，大約占噸鋼可比能耗的37%。圖5我國鋼鐵工業(yè)余熱資源構(gòu)成**2005年，我國20余家大中型鋼鐵企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)以1噸鋼為基準(zhǔn)，統(tǒng)計各種余熱的回收與利用數(shù)據(jù)。高溫中溫低溫合計資源量回收量資源量回收量資源量回收量資源量回收量產(chǎn)品顯熱燒結(jié)/球團(tuán)顯熱0.940.280.940.28焦炭顯熱0.590.060.590.06鐵水顯熱1.221.101.221.10鋼坯顯熱0.600.240.600.24小計2.411.490.940.283.351.68渣顯熱高爐渣顯熱0.590.010.590.01鋼渣顯熱0.1500.150小計0.740.010.740.01表我國大中型鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用的情況GJ/t-s1.2余熱資源的回收利用水平續(xù)表高溫中溫低溫合計資源量回收量資源量回收量資源量回收量資源量回收量廢煙氣顯熱焦?fàn)t煙氣顯熱0.190.19焦?fàn)t煤氣顯熱0.170.020.170.02燒結(jié)煙氣顯熱0.690.69高爐煤氣顯熱0.770.77熱風(fēng)爐煙氣顯熱0.360.110.360.11轉(zhuǎn)爐渣顯熱0.210.080.210.08加熱爐煙氣顯熱0.720.250.720.25小計0.210.081.250.381.653.110.46表我國大中型鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用的情況〔續(xù)〕GJ/t-s冷卻水顯熱高爐冷卻水顯熱0.950.95加熱爐冷卻水顯熱0.290.020.290.02小計1.240.021.240.02合計3.361.492.190.662.890.028.442.17利用分析我國鋼鐵工業(yè)余熱資源利用回收現(xiàn)狀：2005年我國鋼鐵工業(yè)余熱資源的平均回收利用率25.8%?；厥绽寐剩焊邷赜酂豳Y源44.4%→中溫～30.2%→低溫～<1%。假設(shè)按攜帶余熱物質(zhì)種類和形態(tài)：產(chǎn)品顯熱50.04%→煙氣～14.92%→冷卻水～1.90%→熔渣～1.59%。我國大中型鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用率30%~50%，全國平均值那么更低；而國外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)余熱余能的回收利用率平均為80%，有的在90%以上，如日本新日鐵高達(dá)92%。工序余熱資源總火用量回收火用節(jié)能技術(shù)節(jié)能量鋼比系數(shù)GJ/t產(chǎn)品GJ/t鋼GJ/t產(chǎn)品GJ/t鋼焦化工序焦炭顯熱焦?fàn)t煤氣顯熱焦?fàn)t煙氣顯熱0.730.20.110.3140.0860.0470.088000.03800CDQ；煤調(diào)濕－配型煤快速煉焦技術(shù)55kgce/t焦23.7kgce/t鋼0.43燒結(jié)工序燒結(jié)礦余熱燒結(jié)廢風(fēng)余熱0.320.0450.4160.0590000綜合梯級利用16.6kgce/t礦21.6kgce/t鋼1.3煉鐵工序高爐煤氣余熱和余壓高爐煤氣化學(xué)熱高爐渣顯熱熱風(fēng)爐煙氣余熱0.3465.40.380.30.3635.670.40.3150.235.2000.245.4600熱風(fēng)爐余熱回收技術(shù)；TRT技術(shù)；23.7kgce/t鐵24.9kgce/t鋼1.05煉鋼工序轉(zhuǎn)爐煤氣余熱轉(zhuǎn)爐煤氣化學(xué)熱鋼坯余熱鋼渣余熱0.1470.880.330.120.1470.880.330.120.050.430.0100.050.430.010“負(fù)能”煉鋼；優(yōu)化鐵鋼界面20kgce/t鋼1合計（GJ/t鋼）9.1476.22890.2kgce/t鋼回收率68.1%合計（GJ/t鋼）不計化學(xué)熱2.8670.33811.8%表某大型鋼鐵公司余熱資源回收利用情況統(tǒng)計表——蔡九菊，中國冶金報，回收利用鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的余熱余能資源，燒結(jié)工序最具代表性。我國燒結(jié)工序能耗比國外先進(jìn)指標(biāo)高出20％以上，主要原因是燒結(jié)工序余熱資源的回收與利用水平低。燒結(jié)余熱資源包括燒結(jié)過程的廢氣顯熱和產(chǎn)品顯熱，分別占燒結(jié)工序總熱量收入的20-45%。據(jù)報道，燒結(jié)工序的燃料消耗約44kgce/t，余熱資源的回收利用量多達(dá)14kgce/t，與每噸燒結(jié)礦的電力消耗大體相當(dāng)。燒結(jié)過程余熱資源“數(shù)量〞的多少和“品質(zhì)〞的上下，不僅與燒結(jié)工藝有關(guān)而且還與余熱回收方式及裝備水平有關(guān)。充分利用燒結(jié)過程不同溫度水平的余熱資源，不只是節(jié)能的需要也是減排的需要，更是改善燒結(jié)工藝和提高燒結(jié)礦質(zhì)量的需要，一舉多得?！?〕燒結(jié)余熱資源回收與利用技術(shù)我國燒結(jié)工序的余熱回收利用工作先后經(jīng)歷了引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、自主研發(fā)和引進(jìn)消化后再創(chuàng)新等幾個階段，余熱的回收利用方式也從最初的簡單熱回收到生產(chǎn)余熱蒸汽，最后開展到回收電力等。2000年，首鋼燒結(jié)廠4臺燒結(jié)機(jī)的余熱回收工程投入運(yùn)行，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)用汽的自給自足。2004年馬鋼繼寶鋼之后，再一次引進(jìn)川崎一整套燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)，2005年9月建成并投產(chǎn)。2臺300m2燒結(jié)機(jī)，年產(chǎn)約660萬噸。每臺燒結(jié)帶冷機(jī)各配備一套額定蒸發(fā)量余熱鍋爐〔臥式自然循環(huán)〕，生產(chǎn)375℃、的過熱蒸汽；2臺余熱鍋爐配備一套凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中配置低壓蒸汽發(fā)電系統(tǒng)〔閃蒸器〕，在額定負(fù)荷下可增加發(fā)電功率6KW。年發(fā)電億kWh，節(jié)約能源3萬tce。以來“十一五〞以來，我國在消耗吸收國外先進(jìn)技術(shù)與裝備的根底上，自主研究。濟(jì)鋼在引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的根底上，依靠國產(chǎn)化設(shè)備，在1臺300m2燒結(jié)機(jī)上建成了國內(nèi)第二套燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)〔2007年1月投產(chǎn)〕。噸礦發(fā)電約15kWh。2007年以來，鞍鋼、邯鋼、安鋼、玉溪新興等公司都先后簽訂了燒結(jié)余熱發(fā)電合同，燒結(jié)余熱發(fā)電勢頭強(qiáng)勁。整體概況據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2021年，我國鋼鐵行業(yè)有燒結(jié)機(jī)450余臺，總燒結(jié)面積為38000m2〔折合360m2燒結(jié)機(jī)約105臺〕，年產(chǎn)燒結(jié)礦億t，其中配備余熱回收裝置已由2005年的缺乏10%增加到15％左右，熱回收利用率也由2005年的10%增加到13％左右，相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)是：噸燒結(jié)礦蒸汽回收量約30～40kg，工序能耗46~60kgce?！?〕CDQ〔2〕干熄焦〔CDQ〕技術(shù)工藝流程工藝流程：首先，將煉焦?fàn)t推出的大約為1050℃的赤熱焦炭置于熄焦室中，在熄焦室中被逆向流動的冷惰性氣體(主要成分為氮?dú)猓瑴囟?70~190℃)熄滅，同時惰性氣體被加熱到700~800℃，然后經(jīng)除塵后進(jìn)入余熱鍋爐，最后將產(chǎn)生的余熱蒸汽再送往汽輪機(jī)發(fā)電。優(yōu)點(diǎn)：采用干熄焦裝置可回收紅焦顯熱，節(jié)約工業(yè)水消耗，降低焦化工序能耗；減少環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量；同時，還可改善焦炭質(zhì)量，降低高爐焦比，提高產(chǎn)量。技術(shù)概括我國干熄焦裝置從2005年的36套增加到2021年的112套，在建的干熄焦裝置還有近50套。干熄焦產(chǎn)能相應(yīng)地從3800萬噸/年增加到10895萬噸，約占我國煉焦產(chǎn)能的24%。重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的干熄焦普及率從2005年的26%提高到2021年的85%，我國干熄焦裝置和熄焦能力均居世界第一。2005年后，處理能力從2005年的65t/h~150t/h擴(kuò)展到最大260t/h的不同系列的干熄焦設(shè)備均可由國內(nèi)供給。國家產(chǎn)業(yè)政策要求，鋼鐵企業(yè)新建焦?fàn)t必須配套建設(shè)干熄焦裝置和地面除塵裝置?！笆濞暺陂g要求鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t100％都要采用干熄焦技術(shù)。至2021年7月末，我國已投產(chǎn)和在建的干熄焦裝置115套，占83%，據(jù)世界第一。〔3〕高爐爐頂煤氣余熱發(fā)電〔TRT〕技術(shù)ＭＢＬ至高爐煤氣管網(wǎng)鼓風(fēng)機(jī)DCVSVS汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)熱風(fēng)爐高爐高爐煤氣ＴＲＴ高爐爐頂壓力高達(dá)，爐頂煤氣中存有大量的壓力能。TRT是利用高爐爐頂煤氣的壓力能和熱能經(jīng)透平機(jī)膨脹做功，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。繼續(xù)分析高爐的穩(wěn)定運(yùn)行和爐頂煤氣溫度的降低，為TRT發(fā)電和高爐煤氣干法除塵創(chuàng)造了條件，全干法+TRT技術(shù)可使發(fā)電效率提高30%，噸鐵發(fā)電量達(dá)35-45kWh。整體概況我國TRT技術(shù)在1000m3以上大型高爐的普及率還不到40%，尤其是干式TRT的使用率更低，噸鐵發(fā)電量、噸鐵節(jié)水量等技術(shù)指標(biāo)與國外先進(jìn)產(chǎn)鋼國家還有較大的差距，配套設(shè)備的國產(chǎn)化率也比較低。因此，引進(jìn)、消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，特別是消化吸收后的集成創(chuàng)新，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干式TRT技術(shù)與裝備，是我國未來TRT技術(shù)的開展方向。(4)蓄熱TRT技術(shù)在國外較為普及，如日本TRT技術(shù)的普及率已到達(dá)90%。我國也在逐步推廣，截止“十一五〞末期，我國總計有超過600座高爐配備了597套高爐爐頂余壓發(fā)電設(shè)備〔TRT〕，比2005年增加了357套，產(chǎn)生了巨大的效益。2021年全年回收電量約12億kWh，年減少CO2排放量1000萬噸。重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)中大于1000m3高爐的TRT普及率比2005年提高了27個百分點(diǎn)，到達(dá)98%，2021年噸鐵發(fā)電量到達(dá)32kWh，比2005年提高了7kWh。采用干法除塵的TRT發(fā)電量將增加25%~30%左右。首鋼京唐的兩座5500m3高爐均采用干法除塵，TRT噸鐵發(fā)電量到達(dá)56kWh。目前。配備干式TRT的大型高爐已超過100座，例如首鋼京唐、寶鋼、萊鋼、濟(jì)鋼、包鋼、鞍鋼、唐鋼、韶鋼、首秦等?！?〕高溫蓄熱燃燒技術(shù)燃料燃料燃燒器

B空氣切換閥排氣150℃爐溫1350℃鋼板1250℃空氣排氣預(yù)熱空氣

1000℃爐溫1350℃鋼板1250℃蓄熱室B燃料燃燒器A燃料燃燒器B切換閥蓄熱室A觀點(diǎn)高溫空氣燃燒技術(shù),是對傳統(tǒng)蓄熱室結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱工操作，火焰爐燃燒方法和燃?xì)怙@熱回收方式的重大革新。適用于燃用純高爐煤氣、空氣煤氣雙預(yù)熱的加熱爐或熱處理爐，不大適用于燃用高熱值燃料、入爐料冷裝或冷熱混裝的一些加熱爐。當(dāng)熱裝率和熱裝溫度較高時，為保證物料有較高的熱價值，爐子應(yīng)短些，選用蓄熱式爐型較好；當(dāng)冷裝料或熱裝溫度較低時，爐子應(yīng)長些，選用換熱式加熱爐較好。當(dāng)空氣預(yù)熱溫度較高時，為保證爐氣有較高的熱價值，爐氣與鋼坯熱交換的時間應(yīng)長些〔實際恰好相反，現(xiàn)有的一些蓄熱式加熱爐的空氣、煤氣預(yù)熱溫度雖然很高，但燃燒產(chǎn)物即爐氣沿爐子寬度方向與爐料間熱交換的時間卻很短〕；只當(dāng)空氣預(yù)熱溫度較低，爐氣在爐內(nèi)熱交換時間方可短些。蓄熱—換熱聯(lián)用式加熱爐，發(fā)揮兩種換熱器的優(yōu)勢，適應(yīng)不同類型加熱爐的加熱工藝、爐型結(jié)構(gòu)、操作制度的變化，解決目前大型蓄熱式加熱爐爐壓偏高、大型化和不易控制等問題。ⅠⅡ中國：蓄熱—換熱式聯(lián)用加熱爐——作為“熱裝熱送〞成套技術(shù)的組成局部(5)熔渣〔5〕熔融渣顯熱回收技術(shù)熔融渣主要包括高爐渣與鋼渣，這些熔融渣溫度高達(dá)1400～1500℃，其不但富含F(xiàn)e、CaO、SiO2等重要資源，而且其熔融態(tài)還攜帶大量顯熱。以2021年為例，我國高爐渣和鋼渣產(chǎn)生量分別約為和億噸。據(jù)初步估算，假設(shè)這些熔融渣顯熱全部用于發(fā)電，那么年發(fā)電約為170億kWh；假設(shè)假設(shè)這些電量全部用于企業(yè)自用，那么折合噸鋼耗電量降低約40kWh。進(jìn)展“十一五〞以來，我國一直在積極研發(fā)冶金熔融渣顯熱高效回收與利用技術(shù)的根底研究，力圖在充分國外先進(jìn)的干式成粒與顯熱回收利用根底常開發(fā)出一條適合中國國情的熔融渣顯熱回收方法。迄今為止，我國尚未見關(guān)于干法成粒與顯熱回收利用的工程報道，但有關(guān)的根底研究、小試和中試已見諸報道。2余熱資源回收利用現(xiàn)狀over2余熱回收與利用的熱力學(xué)分析2.1余熱回收與利用的熱力學(xué)分析方法2.1.1根底知識〔幾個術(shù)語〕2.1.2各種熱力學(xué)分析方法2.2余熱回收與利用的根本原那么2.1余熱回收與利用的熱力學(xué)分析方法〔1〕關(guān)于熱力學(xué)定律“當(dāng)任何一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量時，其可用能〔質(zhì)量〕只能降低，不能提高〞熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律〔無條件〕“當(dāng)任何一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量時，總量保持不變〞說明能量在轉(zhuǎn)換時數(shù)量上的守恒關(guān)系

熱力學(xué)第二定律——能量轉(zhuǎn)換定律〔有條件〕說明了能量在轉(zhuǎn)換時在質(zhì)量上的貶值特性能量轉(zhuǎn)換具有的方向性或不可逆性問題：沒有區(qū)分不同形式的能量在質(zhì)量上的差異2.1.1余熱回收與利用的根底知識〔幾個術(shù)語〕能量分類〔2〕能量的分類根據(jù)能量轉(zhuǎn)換難易程度，能量可劃分為三類：例：電能、機(jī)械能、位能〔水力〕、動能〔風(fēng)力〕等功量高級能，完全有序運(yùn)動的能量，其數(shù)量與質(zhì)量是統(tǒng)一的。第一類—可以不受限制地完全轉(zhuǎn)換的能量例：熱能、物質(zhì)內(nèi)能、焓等熱量〔以傳熱方式傳遞的能量〕中級能，無序的能量可以局部地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動的能量。數(shù)量和質(zhì)量是不統(tǒng)一的。第二類—具有局部轉(zhuǎn)換能力的能量例：處于環(huán)境狀態(tài)下的大氣、海洋、巖石等所具有的內(nèi)能和焓，雖然它們具有相當(dāng)數(shù)量的能量，在技術(shù)上卻無法轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。低級能，是只有?shù)量而無質(zhì)量的無序能量。第三類—完全沒有轉(zhuǎn)換能力的能量〔3〕〔3〕能量中的“火用〞與“火無〞火用—環(huán)境條件下能夠完全地連續(xù)地轉(zhuǎn)化為任何一種其它形式的能量，即可用能、可用功?；馃o—不能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪蔷植磕芰?，即無效能、無用功。例如：機(jī)械能、電能全是火用，火無＝0；自然環(huán)境的熱能以及從環(huán)境輸入、輸出的熱能全為火無，火用＝0。(4)能級〔4〕能級能級〔質(zhì)〕——能量中火用所占的比例，衡量能量作功能力大小的統(tǒng)一尺度?；鹩帽碚髂芰哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰图夹g(shù)上的有用程度，因此可以用它來評價能量的質(zhì)量或級位。高級能〔功量〕：低級能〔環(huán)境中〕：中級能〔熱量〕：(5)火用損失—不可逆過程中火用的減少量。自然界中實際過程均為不可逆過程，它將使能量中的火用轉(zhuǎn)變?yōu)榛馃o，造成能量的貶值〔一局部火用被消滅〕，即火用損失。節(jié)能的本質(zhì)是減少火用損失，節(jié)能就是節(jié)火用。(5)火用損失余熱回收與利用的熱力學(xué)分析方法：〔1〕焓分析法/熱平衡法〔2〕火用分析法〔3〕能級分析法2.1.2余熱回收與利用的各種熱力學(xué)分析方法〔1〕焓分析法/熱平衡法應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，從能量的“數(shù)量〞方面分析、評價用能設(shè)備及系統(tǒng)的能源利用程度，評價指標(biāo)是熱效率。該方法可以獲得所供給的能量中有多少得到了有效利用，但不清楚所供給能量的質(zhì)量〔品位)是否適合用戶的需要?！?〕火用分析法依據(jù)熱力學(xué)第二定律，從能量的“品質(zhì)〞方面分析、評價用能裝置或系統(tǒng)的優(yōu)劣，揭示其熱力學(xué)完善程度及其存在的薄弱環(huán)節(jié)，評價指標(biāo)是火用效率。具有能的量綱和質(zhì)的屬性，所以，火用分析比熱分析更科學(xué)。(4)能級如果將電能釋放的熱能全部用于室內(nèi)采暖〔沒有外部熱損失〕，那么經(jīng)熱平衡分析得出電熱取暖的熱效率可以到達(dá)100%，這是最理想的。實際上，這是熱效率指標(biāo)帶給人們的一種錯覺，100%熱效率有時并不意味著節(jié)能潛力的枯竭。把高品質(zhì)的電能用于低品質(zhì)的室內(nèi)采暖是極其不合理的〔能量利用在數(shù)量方面雖然很充分，但在質(zhì)量方面供需不匹配，能級差大〕。這是由能源匹配不合理造成的一種能源浪費(fèi)！電爐輸入能級（1.0）用戶需求能級1-273/293=0.068用能過程能級差（0.932）例1：室內(nèi)用電爐取暖的過程

分析方法（以燃料為基準(zhǔn)）燃煤鍋爐蒸汽管網(wǎng)汽輪發(fā)電機(jī)冷凝器對外做功（發(fā)電）合計節(jié)能對策熱平衡熱損失kJ/kg燃料4050704——239251182140500熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)熱損率或熱效率％10.001.74——59.0729.19100.00火用平衡火用損失kJ/kg燃料26163792281814061182143000超臨界發(fā)電技術(shù)火用損率或效率％60.841.846.553.2827.49100.00例2：鍋爐—汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)熱平衡分析法是從能量的“數(shù)量〞方面進(jìn)行分析，注重的是流經(jīng)冷凝器的外部熱損失,由于冷凝散熱是不可防止的，于是開發(fā)了“熱電聯(lián)產(chǎn)〞技術(shù)；火用平衡分析法是從能量的“質(zhì)量〞方面進(jìn)行分析，注重的是發(fā)生在燃煤鍋爐的內(nèi)部火用損失，為了降低燃燒和傳熱過程火用損失，于是開發(fā)了提高蒸汽初始參數(shù)的“超臨界發(fā)電〞技術(shù)。余熱回收分析方法小結(jié)：熱效率和火用效率，不宜作為評價設(shè)備/過程/系統(tǒng)〔企業(yè)〕的能源利用水平的統(tǒng)一判據(jù)。評定不同種類的用能設(shè)備/過程的能源有效利用水平時，熱效率指標(biāo)、火用效率指標(biāo)〔有些時候〕不是一個統(tǒng)一的、合理的評價指標(biāo)。熱平衡和火用平衡分析方法不能全面揭示被研究裝置或系統(tǒng)〔企業(yè)〕的能源利用合理性。以熱力學(xué)第二定律為根底的火用分析法，雖然優(yōu)于熱分析方法。但是，火用分析還是不能解決能量系統(tǒng)中供能與用能雙方在能量品質(zhì)上〔能級〕是否匹配的問題。熱力學(xué)的完善性與能量利用的合理性，是兩個不同性質(zhì)的問題。前者只涉及設(shè)備本體，是關(guān)于單體設(shè)備如何改善其結(jié)構(gòu)與操作的熱工問題〔熔煉、蒸餾、加熱、冷卻、枯燥等〕；后者那么涉及到設(shè)備、能源、用戶和環(huán)境等多方面因素，是關(guān)于整個系統(tǒng)的用能過程如何分配、使用、控制的能量流網(wǎng)絡(luò)問題。即便是熱力學(xué)上最為完善〔火用效率=100%〕的熱工裝置，對它所在的更大系統(tǒng)的用能問題的分配也很有可能是不合理的。為了解決能量利用合理分配問題，提出了能級分析法、能級差或能級降的概念。〔3〕能級分析法依據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，從過程推動力和實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換以獲得動力的觀點(diǎn)來考察用能裝置或系統(tǒng)，評價指標(biāo)是能級差。能級分析可以很好地解決有限能源在假設(shè)干用戶之間的合理分配問題，為能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、運(yùn)行提供理論依據(jù)和科學(xué)方法?！?〕能級分析法能級差〔Δ〕——能量流通過某用能裝置時能量流的輸入端能級與輸出端能級的差值。就能源使用過程而言，假設(shè)輸入能量與用戶使用的能量之間存在著能級差，那么能量的利用一定存在著不合理性，能級差的絕對值越大越不合理，越小越合理。能級分析法可以很好地解決有限能源在假設(shè)干用戶之間的優(yōu)化分配問題。2個例子余熱回收與利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法：

余熱回收與利用必須同時依據(jù)熱力學(xué)第一、第二兩大定律；不僅要看熱量的數(shù)量損失，還要看熱量的質(zhì)量貶值，過分地強(qiáng)調(diào)其中哪一個都是片面的！熱效率、火用效率等指標(biāo)在不同熱工設(shè)備之間或在同一種設(shè)備的不同工況條件下缺乏可比性，只有余熱回收利用環(huán)節(jié)所在工序〔或系統(tǒng)〕產(chǎn)品能耗的改變〔影響〕量才是評價熱工設(shè)備完善性和用能系統(tǒng)合理性的統(tǒng)一判據(jù)。能級分析法同時結(jié)合火用分析法和熱平衡法是余熱回收與利用的分析方法。余熱回收利用過程的能量流模型Q1余熱源的熱量E1余熱源的火用量T1余熱源的平均溫度W動力利用量Q2熱利用量E2熱利用的火用量T2熱用戶的平均溫度T0環(huán)境溫度影響因素：余熱源溫度、熱用戶需求、回收利用方式利用方式：熱利用、動力利用、熱—動力聯(lián)合利用根據(jù)數(shù)量、品質(zhì)〔溫度〕和用戶需求，按照能級匹配的原那么——分配得當(dāng)、各得其所、溫度對口、梯級利用。在有用戶需求的情況下，將回收的熱量優(yōu)先用于工藝過程本身那么最為經(jīng)濟(jì)。如，產(chǎn)品顯熱不經(jīng)轉(zhuǎn)換直接供給下一道工序，用余熱預(yù)熱空氣和煤氣、預(yù)熱或枯燥物料、生產(chǎn)蒸汽和熱水；2.2.2余熱回收與利用的根本原那么原那么繼續(xù)對于高溫余熱資源，優(yōu)先用于動力回收，如發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)；對于低溫余熱資源，應(yīng)首選直接熱利用，對不能直接利用的低溫余熱，先將它作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，提高其溫度水平后再加以利用；對于中溫余熱資源，或熱回收或動力回收。小資料1980年撥亂反正后，吳仲華在中共中央書記處舉辦的科學(xué)技術(shù)知識講座做?中國的能源問題及其依靠科學(xué)技術(shù)解決的途徑?報告中(當(dāng)時全體中央領(lǐng)導(dǎo)除鄧小平外都到會)，從科學(xué)技術(shù)角度，提出解決我國能源問題的戰(zhàn)略構(gòu)思。提出各種不同品質(zhì)的能源要合理分配，對口供給，做到各得其所，在相當(dāng)長時期內(nèi)要把加快煤炭的開發(fā)擺在重要的地位，電力建設(shè)要逐步把水電開發(fā)放在重點(diǎn)上，在嚴(yán)重缺能地區(qū)還要建設(shè)核電站，因地制宜地開展各種新能源等。提倡按照“溫度對口、梯級利用〞原那么，大力開展各種聯(lián)合循環(huán)與熱電并供、余能利用等總能系統(tǒng)。

吳仲華院士與能源的梯級利用

這份報告經(jīng)過精煉后在黨刊?紅旗?雜志上全文轉(zhuǎn)載，是?紅旗?雜志上極為罕見的科技性文章。后來，中央黨校又邀請他對全校作報告，這份報告內(nèi)容經(jīng)整理后正式出版為縣團(tuán)級干部必讀教材。1981年，他任全國能源根底與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會主任，對我國能源標(biāo)準(zhǔn)與能源法規(guī)制定提出完整的指導(dǎo)性意見，認(rèn)為能源標(biāo)準(zhǔn)化是合理開發(fā)能源資源、提高能源利用率、更新和改造能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和用能設(shè)備的科學(xué)技術(shù)依據(jù)，是能源管理和能源立法的科學(xué)技術(shù)根底。3熱力學(xué)分析over2.2.3合理回收利用余熱的判別準(zhǔn)那么——能級差能級差Δ的大小既說明余熱利用過程火用損失的大小，也反映該過程輸出火用的多少。Δ較小的方案非但在“按質(zhì)用能〞方面較為合理〔因為火用損失E失較小〕，而且在數(shù)量方面余熱資源量的利用也比較充分〔W＋E2較大〕。所以，Δ可以用來比較余熱資源相同時各種回收利用方案的優(yōu)劣。572.2.4余熱源溫度、余熱利用方式對能級差的影響（1）純熱利用方案（R=0），只與能量流的輸入-輸出端溫度有關(guān)，“溫度對口”是熱利用的基本原則；純動力利用方案（R=1），只與余熱源的溫度有關(guān)，余熱源的溫度越高，實施純動力利用越合理。（2）熱-動力聯(lián)合利用是最合理的（極少數(shù)情況除外），鋼鐵廠的余熱資源應(yīng)實施熱-動力聯(lián)合利用，如熱-電聯(lián)產(chǎn)（提倡以熱定電）。（3）當(dāng)余熱源的能級小于0.5時（熱源溫度TI＜300℃），已不適于純動力利用。結(jié)論：關(guān)于燒結(jié)余熱資源高效回收與利用假設(shè)干問題的探討1背景及意義2國內(nèi)外開展現(xiàn)狀與趨勢3分級回收與梯級利用的提出4典型關(guān)鍵技術(shù)問題

目錄我國燒結(jié)工序能耗約占企業(yè)總能耗15％，僅次于煉鐵居第二位，比國外先進(jìn)指標(biāo)高出20％以上。其主要原因是余熱資源回收與利用水平低。

隨著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的不斷優(yōu)化和工序能耗的逐步降低，高效回收利用各生產(chǎn)工序產(chǎn)生的余熱余能資源是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的方向、途徑及潛力所在。1背景及意義

——燒結(jié)過程余熱資源的高效回收與利用是進(jìn)一步降低燒結(jié)工序能耗乃至鋼鐵工業(yè)能耗的主要措施之一。燒結(jié)過程余熱資源的組成〔1〕燒結(jié)煙氣顯熱—從燒結(jié)機(jī)下部抽出的燒結(jié)煙氣；〔2〕燒結(jié)產(chǎn)品顯熱—從冷卻機(jī)上部排出的冷卻廢氣；熱收入（100%）熱支出（100%）固體燃料75.94%燒結(jié)餅物理熱35.37%點(diǎn)火燃料6.06%燒結(jié)煙氣顯熱24.09%化學(xué)反應(yīng)熱14.01%石灰石分解熱8.75%混合料物理熱0.13%物理水蒸發(fā)熱11.30%燒結(jié)空氣帶入物理熱3.87%化學(xué)不完全熱損失8.70%熱損失11.78%某360m2燒結(jié)機(jī)熱平衡收入火用（100%）支出火用、火無（100%）點(diǎn)火煤氣化學(xué)火用5.68%燒結(jié)餅物理火用22.11%固體燃料化學(xué)火用92.10%燒結(jié)煙氣物理火用3.68%混合料物理火用0.01%石灰石分解化學(xué)火用0.11%混合料化學(xué)反應(yīng)火用2.21%物理水蒸發(fā)火用0.33%火無73.77%某360m2燒結(jié)機(jī)火用、火無－－充分回收利用燒結(jié)過程不同溫度水平的余熱，不只是節(jié)約能源，而且是環(huán)境保護(hù)的需要，還是改善燒結(jié)工藝條件提高燒結(jié)礦質(zhì)量的需要。一舉三得！2國內(nèi)外開展現(xiàn)狀與趨勢2.1國外基于能源節(jié)約的回收與利用技術(shù)基于能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的回收與利用技術(shù)

20世紀(jì)70年代末開始，以日本為代表：

普及率在95%以上；余熱回收率70%以上；噸礦回收蒸汽達(dá)120kg以上；

噸礦回收電力達(dá)20kWh以上。日本新日鐵480m2燒結(jié)機(jī)燒結(jié)煙氣分區(qū)再循環(huán)系統(tǒng)③⑩⑿⑥②高溫高氧低濕高硫低溫低氧高氧低溫低濕低硫低溫低氧舉例1風(fēng)箱號數(shù)廢氣組成處理方法流量kNm3/h溫度℃O2%H2O%SO2

㎎/m3（1）區(qū)908220.63.60循環(huán)到燒結(jié)機(jī)臺面③（2）區(qū)3209911.413.221除塵后進(jìn)煙囪（3）區(qū)42012514.013.01000除塵、脫硫、除霧后進(jìn)煙囪（4）區(qū)20016619.12.4900循環(huán)到燒結(jié)機(jī)臺面②煙囪7409512.913.015排放到大氣廢氣中較高氧濃度(%)和較低濕度(%)應(yīng)用，使沒有耗盡的氧氣通過再循環(huán)得以利用，減少廢氣量；根據(jù)所含硫份不同分別治理，降低的投資和運(yùn)行本錢。和歌山舉例2效果：回收燒結(jié)余熱率30%，噸礦蒸汽120kg40-50%燒結(jié)煙氣顯熱回收利用--EOS〔荷蘭HoogovensIjmuiden〕舉例3項目單位普通燒結(jié)法EOS燒結(jié)法1994年7月1994年10月1994年7月1994年10月廢氣生成量Nm3/h394000372000328000328000循環(huán)用量Nm3/h00153000120000廢氣排放量Nm3/h394000372000175000208000廢氣溫度℃164114155149廢氣濕度%10111619露點(diǎn)溫度℃46±5—71±5—粉塵量（旋風(fēng)）kg/t0.5—0.17—O2%15.015.011.512.1CO2%7.57.011.711.2CO%1.01.21.01.0SO2kg/t1.430.890.840.68NOXkg/t0.630.570.30.41CxHxkg/t0.20.1450.0950.083PCDD/F㎎/t2.0—0.6—兩種燒結(jié)方法廢氣排放量等指標(biāo)的比較Hoogovens鋼廠132m2燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)〔1994年〕效果：廢氣減排40-50%，固體燃料消耗降低10-15%。2.2國內(nèi)開展現(xiàn)狀與趨勢2021年，我國有燒結(jié)機(jī)400余臺，總計33000m2〔折合360m2約92臺〕，年產(chǎn)燒結(jié)礦億t，其中，配備余熱回收裝置的燒結(jié)機(jī)不到10%。僅回收環(huán)冷機(jī)高溫段冷卻廢氣的局部高溫顯熱，對現(xiàn)存的大量的燒結(jié)煙氣顯熱和環(huán)冷機(jī)中低溫段冷卻廢氣的顯熱都沒有回收。由于回收工藝不合理以及設(shè)備陳舊、漏風(fēng)率大、熱交換不充分等原因，致使余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不僅溫度低而且流量、溫度和壓力波動大，每噸燒結(jié)礦回收的蒸汽遠(yuǎn)不及工業(yè)興旺國家，且很少能并網(wǎng)。近年來我國相繼上了一些發(fā)電工程，典型企業(yè)：企業(yè)名稱技術(shù)特點(diǎn)投產(chǎn)日期燒結(jié)機(jī)面積m2噸礦發(fā)電kWh馬鋼川崎2005.92*30010-16濟(jì)鋼自主2007.11*320武鋼川崎2009.23*345待完善：僅回收溫度較高余熱、單純動力回收〔發(fā)電〕；關(guān)注余熱鍋爐--汽機(jī)局部，忽略“取熱〞。我國燒結(jié)余熱回收利用的如何開展？引進(jìn)后要吸收，不能照抄照搬；不能只回收溫度較高的冷卻廢氣；不能只進(jìn)行動力回收而不進(jìn)行熱回收；不能局限于余熱鍋爐以后環(huán)節(jié)，還要關(guān)注余熱鍋爐前的諸多環(huán)節(jié)，如環(huán)冷機(jī)“取熱〞等關(guān)鍵技術(shù)問題。質(zhì)：中低溫余熱，變化幅度較大；氣氛復(fù)雜＋粉塵顆粒量：流量較大，波動；某360m2燒結(jié)余熱資源情況溫度(℃)流量(萬Nm3/h)含塵(g/Nm3)1#380～4503520～302#320～3803510～153#250～320408～124#200～250405～85#150～200402～51#2#3#4#5#3.1燒結(jié)余熱資源的主要特點(diǎn)3“分級回收與梯級利用〞技術(shù)的提出3.2我國燒結(jié)余熱利用存在的主要問題在我國，由于缺少必要技術(shù)支撐和裝備條件，照搬國外，對引進(jìn)技術(shù)消化吸收創(chuàng)新缺乏，造成余熱的回收與利用相互脫節(jié)、用能模式單一等弊端?！?〕對余熱資源認(rèn)識缺乏，只重視回收溫度較高冷卻廢氣，而未回收燒結(jié)廢氣和溫度較低冷卻廢氣，余熱回收利用率低〔約50％火用量散失〕。36％26％10％5％24％回收火用量分配圖〔2〕對新技術(shù)認(rèn)識不清，只關(guān)注“量〞的回收，不考慮能量貶值問題，造成余熱回收端與利用端相互脫節(jié)，將回收的余熱單一用來生產(chǎn)蒸汽〔發(fā)電〕，而不進(jìn)行直接熱回收?！?〕技術(shù)更新緩慢，對中低溫余熱“取熱〞、燒結(jié)廢氣熱利用等關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破，且缺少技術(shù)集成。〔4〕自主創(chuàng)新薄弱，對關(guān)鍵裝備自主研發(fā)缺乏，國產(chǎn)化率低，主要設(shè)備由國外進(jìn)口，余熱回收利用工程投資大，得不償失，經(jīng)濟(jì)效益差。燒結(jié)過程余熱資源“數(shù)量〞的多少和“品質(zhì)〞的上下，不僅與生產(chǎn)工藝有關(guān)，而且還與余熱回收方式及裝備有關(guān)。著眼于回收－利用環(huán)節(jié)、動力回收－熱力回收關(guān)聯(lián)性，基于燒結(jié)余熱的特點(diǎn)，提出“溫度對口、按質(zhì)用能〞原那么〔對策〕：①按品質(zhì)分級回收，②優(yōu)先用于直接熱回收前提下，梯級利用各種品質(zhì)余熱：溫度較高→動力回收〔發(fā)電〕；居中→動力回收、直接熱回收，改善工藝較低→直接熱回收，改善工藝。3.3燒結(jié)余熱回收與利用的根本原那么〔1〕一級余熱回收與利用系統(tǒng)——高溫“取熱〞+“雙壓〞余熱鍋爐+“補(bǔ)汽凝汽式〞汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)3.4“分級回收與梯級利用〞工藝流程〔2〕二級余熱回收與利用系統(tǒng)——直接熱回收1〔3〕三級余熱回收與利用系統(tǒng)——直接熱回收24.1動力回收的假設(shè)干關(guān)鍵技術(shù)生產(chǎn)實踐證明，“取熱〞是“源頭〞和關(guān)鍵技術(shù)所在1〕料層厚度的調(diào)整2〕冷卻風(fēng)量的調(diào)整3〕臺車運(yùn)行速度的調(diào)整4〕冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸5〕漏風(fēng)〔溢熱風(fēng)〕：風(fēng)機(jī)全壓；環(huán)冷機(jī)－煙罩密封冷卻機(jī)功能的拓展；對操作和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。4典型關(guān)鍵技術(shù)問題問題1環(huán)冷機(jī)內(nèi)燒結(jié)礦“取熱〞冷卻風(fēng)環(huán)冷機(jī)冷卻廢氣余熱鍋爐電力流量流量、溫度電量問題2動力回收局部工藝參數(shù)的考慮3類變量之間的關(guān)系：1-2；2-3；1-3（1）（2）（3）料層厚度的調(diào)整冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸冷卻漏風(fēng)（溢熱風(fēng)）臺車運(yùn)行速度的調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整操作的調(diào)整熱燒結(jié)礦火用燒結(jié)廢氣火用電力火無火無問題1燒結(jié)煙氣顯熱回收燒結(jié)機(jī)功能拓展：燒結(jié)→燒結(jié)＋顯熱回收燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)〔漏風(fēng)率55％～60％〕，將使得廢氣溫度降低50～70℃?！猜├滹L(fēng)〕操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整：1〕減小抽風(fēng)造成的壓差：熱風(fēng)燒結(jié)，燒結(jié)機(jī)臺面微正壓，風(fēng)箱內(nèi)負(fù)壓減小。2〕完善