鋼鐵企業(yè)余熱利用系統(tǒng)的特點(diǎn)及節(jié)能減排措施

鋼鐵企業(yè)余熱利用系統(tǒng)的特點(diǎn)及節(jié)能減排措施

鋼鐵工業(yè)是能源消耗的行業(yè)。中國鋼鐵工業(yè)的占地面積約為15%，而鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源效率僅為30%左右。我國重點(diǎn)大中型企業(yè)的能耗比國際先進(jìn)水平高10%左右。能源使用效率的低下造成鋼鐵企業(yè)能源成本增加,產(chǎn)品競爭力下降。國家要求“十一五”期間,萬元GDP產(chǎn)值的能耗要降低20%,在國務(wù)院“鋼鐵行業(yè)振興規(guī)劃”中,明確提出了通過技術(shù)改造和科技創(chuàng)新,推動鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步,調(diào)整品種結(jié)構(gòu),提升鋼材質(zhì)量的要求,應(yīng)當(dāng)從提高鋼鐵產(chǎn)品的價值和降低能耗兩個方面入手提升產(chǎn)品競爭力。本文主要討論目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽的利用方式,分析鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)中存在的主要問題,并對我國鋼鐵企業(yè)余熱回收利用系統(tǒng)的建設(shè)提出建議。1行業(yè)中的剩余蒸汽資源特征1.1鋼鐵余熱資源回收率鋼鐵企業(yè)中,可回收的余熱資源十分豐富,我國鋼鐵工業(yè)的余熱和顯熱耗能占總能耗的1/3左右。按照余熱源的溫度,可以分為高溫余熱、中溫余熱和低溫余熱,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在我國大中型鋼鐵企業(yè)中,高、中、低溫余熱的量分別為每噸鋼3.36,2.19,2.89GJ,其總量為每噸鋼8.44GJ,相當(dāng)于每噸鋼287kg標(biāo)準(zhǔn)煤,余熱資源的量非常巨大。表1為鋼鐵企業(yè)各種類型的余熱資源回收率。鋼鐵企業(yè)余熱資源的回收包括利用汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽回收和利用余熱資源預(yù)熱空氣、干燥、產(chǎn)生熱水等。目前已普及的余熱資源回收利用方式中,利用余熱產(chǎn)生蒸汽回收的熱量約占鋼鐵企業(yè)總能耗的7%左右。隨著各鋼鐵企業(yè)對節(jié)能減排的重視以及二次能源回收技術(shù)的提高,利用鋼鐵企業(yè)的余熱可以產(chǎn)生更多的蒸汽。提高余熱蒸汽回收率的主要措施包括提高現(xiàn)有余熱蒸汽回收設(shè)備的效率和開發(fā)新的余熱蒸汽回收設(shè)備。例如,目前高爐渣主要采用沖渣冷卻的方式,產(chǎn)生70～100℃的沖渣水,用于冬季采暖等,如果能夠采用干式冷卻系統(tǒng)并回收其余熱產(chǎn)生蒸汽,每噸鋼最多可以多回收熱量0.9GJ。1.2加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)余熱蒸汽回收技術(shù)目前,鋼鐵企業(yè)的余熱資源中,利用余熱產(chǎn)生蒸汽的主要技術(shù)有干熄焦技術(shù)、燒結(jié)礦環(huán)冷余熱發(fā)電技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣汽化冷卻系統(tǒng)、電爐煙氣余熱回收系統(tǒng)和加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)等,利用這些系統(tǒng)回收余熱蒸汽的典型參數(shù)如表2所示。由表2可知,按照目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽的回收技術(shù)水平,回收余熱蒸汽的參數(shù)普遍較低,由熱力學(xué)第二定律可知,余熱蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為動能等其他形式的能的效率較低,余熱蒸汽的使用范圍受到限制。余熱蒸汽的另一個特點(diǎn)是大多為飽和蒸汽,而鋼鐵企業(yè)中余熱熱源分布比較分散,蒸汽管線較長,造成余熱蒸汽濕度大、輸送困難,也影響了余熱蒸汽的合理使用。1.3煙氣流量和溫度在周期內(nèi)的變化規(guī)律鋼鐵企業(yè)的余熱蒸汽是鋼鐵工藝流程的副產(chǎn)品,因此,余熱蒸汽的產(chǎn)生必然受到鋼鐵工藝的影響。由于鋼鐵工藝的特點(diǎn),鋼鐵企業(yè)的余熱蒸汽具有間歇性、波動性和周期性。圖1為轉(zhuǎn)爐煉鋼時,煙氣流量和溫度在冶煉周期內(nèi)的變化曲線。轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣流量和溫度的周期性變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)回收的蒸汽量呈波動性,蒸汽的壓力和溫度也具有波動性,瞬間最大蒸汽產(chǎn)量為冶煉期平均蒸汽量的4倍以上。由于余熱蒸汽具有周期性變化的特點(diǎn),如果直接并入蒸汽管網(wǎng),會對蒸汽管網(wǎng)造成沖擊,需要在蒸汽源和蒸汽管網(wǎng)之間設(shè)置蓄熱器,蒸汽蓄熱器雖然解決了余熱蒸汽波動的問題,但是是以降低蒸汽的參數(shù)為代價的,蒸汽蓄熱器蓄熱和放熱的過程雖然熱量守恒,但是蒸汽的?降低。2蒸汽回收根據(jù)對部分大中型鋼鐵企業(yè)的統(tǒng)計(jì),蒸汽能耗約占冶金企業(yè)能耗總量的10%左右,和用于發(fā)電的高溫高壓蒸汽相比,鋼鐵工藝過程消耗的蒸汽一般溫度、壓力較低,所以鋼鐵企業(yè)工藝用蒸汽應(yīng)該優(yōu)先使用回收的余熱蒸汽。鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽的利用有以下幾個特點(diǎn)。2.1蒸汽系統(tǒng)流程由于用戶所需蒸汽品位不一,而蒸汽產(chǎn)生和回收的環(huán)節(jié)有限,為了滿足生產(chǎn)需求,鋼鐵企業(yè)通常只設(shè)1套或2套統(tǒng)一的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng),通常將蒸汽減溫減壓后使用,導(dǎo)致蒸汽系統(tǒng)不能按質(zhì)用能,特別是高品味蒸汽貶值嚴(yán)重。圖2為企業(yè)A蒸汽利用情況的統(tǒng)計(jì)。如圖2所示,蒸汽系統(tǒng)中,有18%是管網(wǎng)損失,蒸汽利用率為82%。從蒸汽利用環(huán)節(jié)來看,以低于0.6MPa的低壓蒸汽用戶為主,主要用于化工生產(chǎn)、生活、采暖等,而高中壓蒸汽主要消耗在高爐鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)爐的真空處理及冷軋等工藝中。其中,將高壓蒸汽降級為中壓蒸汽使用的占16%,將中壓蒸汽降級為低壓蒸汽使用的占13%。由于高壓蒸汽主要是來自發(fā)電廠的高參數(shù)蒸汽,造成了高參數(shù)蒸汽的浪費(fèi)。蒸汽通過減溫減壓閥時,雖然熱量損失不大,但是造成了蒸汽的熵增加,是一個?減少的過程,其?效率低于90%,鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)由于不能按質(zhì)用能,這種“大馬拉小車”的方式造成了巨大的浪費(fèi)。綜上,由于蒸汽系統(tǒng)的管網(wǎng)損失和未能按質(zhì)用能造成的損失,使得鋼鐵企業(yè)整個蒸汽管網(wǎng)的?效率為70%以下,蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化大有潛力可挖。2.2余熱蒸汽被放散鋼鐵企業(yè)的蒸汽產(chǎn)量因受用戶的制約而呈季節(jié)性變化,尤其北方更為明顯。在冬季采暖期,對蒸汽的需求明顯高于非采暖期,以在鋼鐵企業(yè)B進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果為例,12月份為蒸汽使用的高峰,余熱蒸汽產(chǎn)量為最低月份6月的近2倍,即在6月份部分余熱蒸汽因?yàn)闆]有合適的用戶沒有進(jìn)行回收或者回收后直接放散。在鋼鐵企業(yè)的多個工藝環(huán)節(jié)中,余熱蒸汽回收系統(tǒng)同時也是工藝操作運(yùn)行必不可少的冷卻系統(tǒng),因此余熱蒸汽系統(tǒng)必須全年持續(xù)運(yùn)行,造成夏季大量蒸汽被放散掉。蒸汽放散是能量的巨大損失,從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度分析,蒸汽直接放散是最為不利的,甚至導(dǎo)致有的用戶從經(jīng)濟(jì)性出發(fā),在建設(shè)時寧愿選擇不回收余熱蒸汽的水冷系統(tǒng)。2.3凝結(jié)水回收利用未將凝結(jié)水回收利用的原因及解決措施凝結(jié)水的價值包括熱值、軟化水兩個方面,相當(dāng)于蒸汽價值的15%～35%。絕大部分企業(yè)將這部分寶貴的凝結(jié)水直接排放,有的由于技術(shù)、管理方面的原因,雖然建有凝結(jié)水回收管線,也未將凝結(jié)水回收利用。加強(qiáng)凝結(jié)水的回收,其主要意義有:節(jié)約燃料、節(jié)水、節(jié)約水處理化學(xué)品、減少水處理設(shè)備及人工費(fèi)用、減少蒸汽系統(tǒng)排污水熱損失、減少軟化水排污等。2.4管網(wǎng)不完善,影響人身安全目前,鋼鐵企業(yè)的蒸汽系統(tǒng)普遍存在蒸汽用戶用能及供汽方式不合理的現(xiàn)象,造成了大量的能源損失,其中,蒸汽管網(wǎng)龐大,而局部線路設(shè)計(jì)不合理、管徑與蒸汽品位不相符及設(shè)備保溫不完善等,是造成管網(wǎng)中能源損失的一大原因。而生產(chǎn)用汽與采暖、生活用汽聯(lián)用同路蒸汽的現(xiàn)象,不僅嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的組織與調(diào)整、浪費(fèi)了能源,而且也給人身安全帶來了極大的隱患。另外,計(jì)量儀表不完善,不利于蒸汽系統(tǒng)的準(zhǔn)確評價,影響了余熱蒸汽回收的積極性。3余熱蒸汽回收利用瓶頸問題對余熱蒸汽回收利用的探討根據(jù)目前鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽的回收和利用情況,在將來鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的工作中,需要根據(jù)鋼鐵企業(yè)目前余熱蒸汽的利用方式進(jìn)行有針對性的規(guī)劃,并注重對余熱蒸汽回收利用瓶頸問題的研究。3.1加強(qiáng)現(xiàn)有余熱回收技術(shù)的改造,為余熱資源回收利用提供動力條目前,我國鋼鐵企業(yè)對余熱資源的回收率總體上還比較低,和國外先進(jìn)水平的差距還比較大,在余熱資源的回收方面,還有很大的潛力可挖。要提高我國鋼鐵企業(yè)余熱資源的利用率,一是要加強(qiáng)現(xiàn)有落后設(shè)備的改造和已成熟余熱回收技術(shù)的推廣;其次,要緊跟國外余熱利用新技術(shù)的研發(fā)方向,積極開發(fā)新技術(shù),回收更多的以前沒有回收的余熱資源。在利用余熱產(chǎn)生蒸汽的汽化冷卻系統(tǒng)中,應(yīng)該盡量提高余熱回收效率和余熱蒸汽的參數(shù)。3.2提高蓄熱器系統(tǒng)的效率針對鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽多為周期性余熱蒸汽,具有一定波動性的特點(diǎn),在鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽系統(tǒng)建設(shè)時,應(yīng)重視蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建設(shè)。蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要設(shè)備為蒸汽蓄熱器,蒸汽蓄熱器技術(shù)的發(fā)展應(yīng)提高蓄熱器的蓄熱能力,盡量提高蓄熱器釋放蒸汽的參數(shù),提高蓄熱器系統(tǒng)的?效率。針對鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽通常為飽和蒸汽,不便于輸送和利用的特點(diǎn),如果能在蒸汽蓄熱器上集成使蒸汽獲得一定過熱度的功能,對整個蒸汽管網(wǎng)的建設(shè)、提高蒸汽利用效率有重要意義。從蒸汽參數(shù)來看,利用高參數(shù)的飽和蒸汽產(chǎn)生較低參數(shù)的過熱飽和蒸汽從熱力學(xué)分析是可行的。從余熱蒸汽的量、運(yùn)行制度等分析,利用轉(zhuǎn)爐煙氣汽化冷卻系統(tǒng)回收的蒸汽供RH抽真空系統(tǒng)的真空泵使用都是合理的,具有微過熱功能的蒸汽蓄熱器可以滿足RH抽真空系統(tǒng)的要求,為蒸汽的合理利用創(chuàng)造了條件。3.3蒸汽作為能源為了解決夏季非采暖季節(jié)余熱蒸汽的利用,應(yīng)該針對余熱蒸汽產(chǎn)銷平衡隨季節(jié)的變化規(guī)律,開發(fā)夏季的低壓蒸汽用戶。鋼鐵企業(yè)的辦公室、車間等在夏季均有制冷的需求,目前,空調(diào)冷熱水機(jī)組的能源大部分是電能,夏季空調(diào)的運(yùn)行經(jīng)常造成運(yùn)行高峰期,導(dǎo)致電力不足。蒸汽作為能源用于制冷的主要技術(shù)是蒸汽型溴化鋰吸收式水冷機(jī)組。目前,該技術(shù)已經(jīng)成熟,適用蒸汽壓力為0.6～0.8MPa的低壓蒸汽,余熱蒸汽能夠滿足該機(jī)組的需求。經(jīng)過估算,利用溴化鋰吸收式冷水機(jī)代替電動型冷水機(jī),1年節(jié)約的電費(fèi)可以賺回比電制冷系統(tǒng)高出的初投資費(fèi)用。高爐鼓風(fēng)脫濕有利于高爐爐況穩(wěn)定和高爐冶煉節(jié)能增效,吸收式水冷機(jī)組也可以用于高爐鼓風(fēng)脫濕。它由于采用了蒸汽作為動力制冷,充分利用了冶金廠內(nèi)現(xiàn)有的余熱蒸汽。由于空氣的濕度隨著季節(jié)變化,夏季空氣濕度大,對吸收式水冷機(jī)組的制冷量要求大,需要消耗更多的蒸汽,該技術(shù)也有利于余熱蒸汽使用量在非采暖季節(jié)的平衡。3.4余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)余熱蒸汽的合理利用必須根據(jù)余熱蒸汽回收的量和質(zhì),根據(jù)各種余熱蒸汽的參數(shù)特點(diǎn),根據(jù)能級的相匹配利用的方針,做到“按質(zhì)用能,溫度對口,梯級利用,熱和能盡其利用”。隨著鋼鐵企業(yè)對節(jié)能減排的重視和余熱回收技術(shù)的發(fā)展,鋼鐵企業(yè)的余熱資源回收利用量將會增加,余熱回收量的增加將對鋼鐵企業(yè)的能源平衡造成巨大的影響。余熱蒸汽回收對鋼鐵企業(yè)能源平衡的影響如圖3所示。目前,鋼鐵企業(yè)各工藝對蒸汽的需求約為鋼鐵企業(yè)總能耗的10%,鋼鐵企業(yè)回收的余熱蒸汽主要用于滿足各生產(chǎn)工藝對蒸汽的需求,由于各生產(chǎn)工藝對蒸汽需求的總量大于余熱蒸汽產(chǎn)生的量,需要從鍋爐產(chǎn)生的發(fā)電蒸汽系統(tǒng)中抽取部分蒸汽用于滿足各生產(chǎn)工藝對蒸汽的需求,如圖3中A,該部分蒸汽的能量約占鋼鐵企業(yè)總能耗的3%左右。假如鋼鐵企業(yè)對余熱資源的回收利用率提高到60%,即將圖3中B部分的余熱全部回收產(chǎn)生蒸汽,則余熱蒸汽的能量將達(dá)到鋼鐵企業(yè)總能耗的20%左右,將超過鋼鐵企業(yè)各工藝過程對蒸汽的總需求量,富裕蒸汽的能量占鋼鐵企業(yè)總能耗的10%,如圖3中C所示。分析鋼鐵企業(yè)對一次能源的需求,除了一部分直接用于還原、加熱等工藝外,相當(dāng)大一部分用于燃燒產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,因此,余熱蒸汽滿足主要工藝對蒸汽的需求后,富裕蒸汽的最佳利用方式是用于發(fā)電,減少鋼鐵企業(yè)購電量或者為發(fā)電使用的一次能源的量。由于余熱蒸汽的參數(shù)較低,含相同熱量的蒸汽?較低,按50%計(jì)算,可以減少一次能源需求5%,再加上圖3中A的部分,通過加強(qiáng)余熱蒸汽的回收和發(fā)展余熱蒸汽發(fā)電技術(shù),理論上可以使鋼鐵企業(yè)對一次能源的需求量減少約8%。設(shè)計(jì)鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)時,要結(jié)合余熱蒸汽的特點(diǎn)選擇合適的動力機(jī)種類和參數(shù),宜在蒸汽回收裝置附近就地建設(shè)分布式發(fā)電機(jī)組,或者利用蒸汽動力機(jī)帶動就近的泵、風(fēng)機(jī)等。利用余熱蒸汽發(fā)電的動力機(jī)通常采用螺桿膨脹動力機(jī),目前,螺桿膨脹動力機(jī)技術(shù)在國內(nèi)已基本成熟,為利用鋼鐵企業(yè)余熱蒸汽發(fā)電創(chuàng)