中小規(guī)模鋼廠余熱資源耦合利用解決方案

吳 夢(mèng)，張 宏，李 磊

（中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039）

前言

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)能源消耗最大的產(chǎn)業(yè)，全國(guó)鋼鐵工業(yè)年能源消耗超過(guò)4 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)總能耗的15%以上［1］。鋼鐵工業(yè)制造流程是一個(gè)大規(guī)模能源循環(huán)系統(tǒng)，在構(gòu)成該系統(tǒng)的工序內(nèi)部，在各工序之間進(jìn)行復(fù)雜的能量消耗、轉(zhuǎn)換、再生、輸送，而且鋼鐵聯(lián)合流程具有很強(qiáng)的熱管理特征。目前我國(guó)生產(chǎn)噸鋼產(chǎn)生的余熱余能資源量約為8～9 GJ，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢氣廢水余熱。

在中小規(guī)模的鋼鐵企業(yè)，由于在各個(gè)工序生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱存在形式不同、分布分散、余熱量小、參數(shù)差異大等特點(diǎn)，導(dǎo)致目前存在較多的余熱資源得不到充分利用的問(wèn)題。這種能源結(jié)構(gòu)也在客觀上造成了我國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗較高、能源利用率較低、污染嚴(yán)重。因此探索適合中小規(guī)模鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排是我國(guó)節(jié)能減排工作的重要方面，其節(jié)能潛力巨大。

1 鋼廠主要流程余熱資源分布及回收利用方法

以廣州某年產(chǎn)80 萬(wàn)t 鋼廠為例，企業(yè)目前建設(shè)有包括90 m2帶式燒結(jié)機(jī)1 臺(tái)，550 m3高爐1 座，50 t轉(zhuǎn)爐1座。其生產(chǎn)工序中主要余熱資源及利用方式如下。

1.1 燒結(jié)工序

燒結(jié)過(guò)程余熱資源主要由兩部分組成：一部分是來(lái)自于燒結(jié)機(jī)尾部、溫度為700～800 ℃燒結(jié)礦所攜帶的熱量，即燒結(jié)礦顯熱。這部分顯熱約占燒結(jié)過(guò)程余熱資源總量的70%；另一部分來(lái)自于燒結(jié)機(jī)主排大煙管道的燒結(jié)煙氣顯熱，這部分約占余熱資源總量的30%。

該企業(yè)目前燒結(jié)機(jī)大煙道余熱煙氣未利用。90 m2帶式燒結(jié)機(jī)配置的90 m2環(huán)冷機(jī)，可設(shè)置熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。環(huán)冷機(jī)1/2 段煙罩可回收利用的余熱煙氣參數(shù)表1。

表1 燒結(jié)機(jī)余熱煙氣參數(shù)表

1.2 煉鋼工序

轉(zhuǎn)爐煉鋼是鋼鐵冶煉生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的工序，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)把鐵水煉成鋼的過(guò)程主要是降碳、升溫、脫磷等高溫物理化學(xué)反應(yīng)，最后排出大量的CO、CO2等高溫廢氣［2］。轉(zhuǎn)爐工序能耗占整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)中能耗的8%～14%。

該企業(yè)50 t 轉(zhuǎn)爐已經(jīng)配套建設(shè)轉(zhuǎn)爐汽化煙道，目前所產(chǎn)蒸汽除部分去后續(xù)烘干用，大部分對(duì)空排放，余熱資源浪費(fèi)的同時(shí)，造成嚴(yán)重的噪聲污染和水資源浪費(fèi)，轉(zhuǎn)爐汽化煙道軟水補(bǔ)充系統(tǒng)耗水量巨大。高熱值的轉(zhuǎn)爐煤氣在經(jīng)過(guò)凈化后也直接送至燃燒塔“點(diǎn)天燈”，造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

轉(zhuǎn)爐工序可利用余熱資源如表2。

表2 煉鋼工序余熱資源參數(shù)表

1.3 煉鐵工序

煉鐵工序的余熱余能資源種類(lèi)比較多，而且量比較大。余熱主要有高爐渣顯熱、高爐冷卻水顯熱、高爐煤氣顯熱及潛熱、熱風(fēng)爐煙氣顯熱等，其中高爐渣顯熱、高爐冷卻水顯熱、高爐煤氣顯熱目前基本沒(méi)有回收或很少回收［3］，而熱風(fēng)爐煙氣顯熱則主要通過(guò)換熱器進(jìn)行回收利用，回收率30.1%。煉鐵工序的余能資源主要由高爐煤氣余壓和高爐煤氣化學(xué)能，前者主要通過(guò)高爐爐頂TRT 裝置發(fā)電進(jìn)行回收，回收率25.1%。

該企業(yè)550 m3高爐已經(jīng)配套建設(shè)干法除塵及TRT 高爐煤氣余壓回收，但是高爐煤氣化學(xué)能除部分用于熱風(fēng)爐烘爐及烤包外，剩余較大部分與轉(zhuǎn)爐煤氣一起送至放散塔燃燒。

轉(zhuǎn)爐工序可利用余熱資源如表3。

表3 煉鐵工序余熱資源參數(shù)表

2 余熱利用方案

針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中高、中、低品質(zhì)余熱種類(lèi)齊全，缺少高效綜合利用技術(shù)的問(wèn)題，以余熱（余能）利用最充分、發(fā)電效率最大化、發(fā)電成本最低為目標(biāo)，以工藝重構(gòu)、流程節(jié)能為技術(shù)突破口，進(jìn)行了工藝優(yōu)化和系統(tǒng)集成創(chuàng)新，著重解決了多種類(lèi)、多品質(zhì)、非連續(xù)余熱耦合利用技術(shù)及工程關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)高低品味蒸汽的分別利用，整個(gè)項(xiàng)目?jī)H采用1 臺(tái)高溫高壓補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組。

通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)爐煤氣柜，存儲(chǔ)并穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐煤氣流量，將煉鐵工序高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣送至燃?xì)忮仩t，采用分層布置燃燒器，通過(guò)換熱產(chǎn)生8.83 MPa、540 ℃高溫高壓蒸汽送至汽輪機(jī)；燒結(jié)環(huán)冷機(jī)通過(guò)設(shè)置自除氧余熱回收鍋爐產(chǎn)生0.7 MPa、320 ℃的過(guò)熱蒸汽；轉(zhuǎn)爐汽化煙道產(chǎn)生的飽和蒸汽通過(guò)設(shè)置蒸汽蓄熱器消除周期波動(dòng)，可連續(xù)產(chǎn)出0.6 MPa、165 ℃飽和蒸汽，將蓄熱器與環(huán)冷余熱鍋爐供應(yīng)的低壓過(guò)熱蒸汽并汽后送至汽輪機(jī)。汽輪機(jī)采用雙壓補(bǔ)汽式。

2.1 工藝流程

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

通過(guò)煤氣摻燒鍋爐利用高爐煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽，提高發(fā)電效率，設(shè)置補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，將環(huán)冷機(jī)余熱產(chǎn)生的低參數(shù)蒸汽及轉(zhuǎn)爐汽化煙道產(chǎn)生的低參數(shù)飽和蒸汽合理利用，全廠多種余熱僅配置一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，合理高效耦合利用各種類(lèi)及各品質(zhì)余熱資源，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，便于全廠能源管理。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型及參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)表

2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

按照設(shè)計(jì)工況計(jì)算，系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間按7 500 h，該系統(tǒng)年發(fā)電量為1.65 億kWh，年供電量為1.49億kWh，按照工業(yè)電價(jià)0.57 元/kWh 計(jì)算，每年為公司節(jié)約電費(fèi)為8 493 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。另外，通過(guò)設(shè)置環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐，煙氣內(nèi)循環(huán)，燒結(jié)礦冷卻的煙氣不再直接對(duì)外排放，燒結(jié)礦粉塵污染基本消除，高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣不再通過(guò)放散塔直接燃燒，噪音及熱污染都消除。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研分析鋼廠生產(chǎn)工藝，全流程分析生產(chǎn)工藝中能量分布及利用情況，總結(jié)全流程余熱利用參數(shù)，以余熱（余能）利用最充分，以工藝重構(gòu)、流程節(jié)能為技術(shù)突破口，針對(duì)鋼廠生產(chǎn)余熱（余能）分布廣、總量大、品位等級(jí)多、非連續(xù)的特點(diǎn)，進(jìn)行余熱回收系統(tǒng)工藝重構(gòu)和發(fā)電參數(shù)的優(yōu)化；針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中高、中、低品質(zhì)余熱種類(lèi)齊全，缺少高效綜合利用技術(shù)的問(wèn)題，創(chuàng)新采用了流程節(jié)能理念，開(kāi)發(fā)了多工序、多參數(shù)余熱耦合發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了余熱（余能）資源的最優(yōu)化利用；并完成鋼廠多源低參數(shù)余熱高效耦合利用工藝解決方案。高效地回收利用各類(lèi)生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的余熱，并有效降低投資，集成化地回收鋼廠余熱資源，便于全廠能源管理，對(duì)中小規(guī)模鋼廠節(jié)能減排思路有重要的意義。