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我国冶金企业废气余热利用的现状
发布时间:2015-10-17 15:50:37                  点击次数:479

冶金企业属于费能型企业,其能耗占全国能耗的10%左右,占工业部门能耗的15.25%。目前,能源生产的增长速度尚难以适应国民经济发展的要求,能源价格仍呈上升趋势,这对于能源费用占企业生产总成本20%~30%的冶金企业将是新的挑战。因此,节能降耗是冶金企业长期的战略任务。冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣,同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产品和半成品。充分回收和利用这些能量,是企业现代化程度的标志之一。

在各种工业炉窑的能量支出中,废气余热约占15%~35%,这些废气净化处理后是一种输送和使用方便、燃烧后又无需排渣和除尘、不易造成环境污染的优质能源。若能按工艺要求提供合适热值的煤气作能源,还有利于改善产品质量。但是由于企业生产结构和工业炉窑配置等原因,目前我国许多冶金企业仍排放大量废气。这是造成企业能源消耗高的一个重要原因。本文将介绍国内各冶金企业废气余热回收利用的现状及存在的主要问题。


2 废气余热回收利用设备的种类及其选用的原则


冶金企业常用的废气余热利用方式有:①安装换热器;②在换热器后安装余热锅炉;③炉底管汽化冷却;④发电(热电联产);⑤制冷。回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。对电炉而言,预热废钢或进料可减少电炉的电能消耗,缩短熔炼时间;对加热炉而言,预热空气、燃料或工件,烟气余热返回炉内,可使火焰稳定、提高燃料温度和燃烧效率以及炉子的热效率。

我国冶金企业使用的废气余热回收利用设备主要有:(1)管式换热器,约有40%的钢铁企业采用。其特点是允许入口烟气温度达1000℃以上、出口烟温达600℃,平均温差约300℃;热回收率低,平均在26%~30%;工作时间平均为6151h;结构简单、密封性好,应用面广。(2)片状管换热器,联合企业及中小企业采用的较多。其特点是全部用于预热助燃空气,并返回本工艺;热回收率平均为28%~35%;允许入口废气温度700℃左右,出口亦高达360℃左右。(3)辐射式换热器,是使用较为广泛的一种换热器,多用在均热炉或加热炉上。其特点是入口烟气温度高达1176℃,平均入口烟气温度876℃,出口烟气温度亦高达600℃左右;可将空气预热至400℃左右,助燃效果好,温度效率可达40%以上,但热回收率较低,平均为26%~35%;对材质有一定的耐高温要求。(4)余热锅炉,联合企业采用的较多,而且主要用于平炉,回收的热量70%用于生产,其特点是工作状态稳定,年平均工作时间6279h;入口烟气温度约650℃,出口烟气温度约250℃。(5)热管换热器,中小企业安装使用的较多,一般为钢-水重力式热管,多用于预热空气或煤气,回收热风炉烟气余热,90%用于生产。其特点是入口烟气温度约250℃,出口烟气温度约150℃,预热空气温度可达125~150℃;温度效率超过45%,热回收率一般在50%以上。(6)余热锅炉-汽轮机发电装置,以电力回收余热是最好的形式,但受动力设备运转的连续性以及电力并网等条件的限制,此种设备应用的较少。国内各冶金企业换热器的发展趋势是:①换热器的形式由简单的低效型走向强化传热的高效型;②热风温度一般在300℃以上,比过去提高了80~100℃;③出换热器的烟温由过去的400~500℃降低到250~400℃,说明余热回收率有了明显提高。

生产蒸汽的余热回收设备主要是余热锅炉和汽化冷却装置。有条件的企业应设置余热锅炉,不过有时使用余热锅炉并不合算,因为余热锅炉属于低温炉,可以而且应当使用低品质的热源,高温炉的烟气余热应当回到高温炉内,以节省高品质燃料。各企业应根据余热的种类、介质温度、数量及利用的可能性来确定使用回收利用设备的类型及规模,总的原则是:①余热回收后应优先用于本系统设备,降低一次能源消耗;用于其它工序时应尽量选择距离近,产、供时间一致的方案。②高温余热要尽可能用于需要高温的设备,尽量减少能量转换次数而谋求直接利用,并加强回收后的保温措施。③安全措施要齐备,确保发生意外事故时不影响本工艺的正常生产。

工业炉窑余热回收差的原因,除了排烟温度高和换热器能力小之外,鲜为人注意的是烟气和热风的显热未能有效保存,烟气由炉膛冒出、吸入冷风,地下烟道漏水、漏气,旁通烟道短路和管道绝热不良,使多数炉子在回收装置前的烟气热损失高达30%~50%,回炉热风的显热损失为20%~33%。针对这种情况,提出了一系列降低出炉烟温的措施和能充分保存与回收余热的排烟-供风系统,使上述两项热损失分别降到5%和3%左右,同时开发了各种高效、经济的换热器和能使用全热风的燃烧装置,回收后烟温可下降到180~250℃,不再需要安装价格昂贵而利用率不高的余热锅炉,使炉气余热从炉外回收转到炉内回收的方向来,正是在这种形势下提出了“余热全自回收”的新概念:首先设法降低炉子排出的烟温和烟量,并使余热回收过程中的各项热损失减少,然后通过高效换热器将余热最大限度地回收并全部送入炉内。根据“余热全自回收”的原理,马鞍山钢铁设计研究院开发设计了一批高回收率、低热损失型燃油加热炉,其热效率普遍达到60%~65%,有的达到71.4%,赶上了日本川崎节能型炉72%的国际最高热效率。还设计投产了一批炉顶辐射供热的高效高炉煤气加热炉,使以往不能用于轧钢生产而大量放空的超低热值高炉煤气能成功地用于轧钢加热炉,其热效率也在国际领先,达到了62%〔1〕。最近,鞍山热能研究院又提出了一种使烟气直接入炉循环的新节能措施〔2〕。它将火焰炉上的普通煤气烧嘴、粉煤烧嘴、低压油喷嘴或高速烧嘴改造成带有循环烟气通路的“烟气自循环烧嘴”,利用烧嘴喷口流出的燃料空气混合物引射循环烟气,在烧嘴砖燃烧通道内进行燃烧和混合,形成新旧燃烧产物的均匀混合物,再喷入炉膛。采用这种方式,炉窑不需配置换热器即可节能15%左右。烟气自循环烧嘴结构简单,与一般金属换热器相比造价低而节能效率高,同时还能节省因用换热器而产生的动力消耗。所以对安装换热器在技术或经济上有困难的企业来说,是一种经济而有效的节能方法。


3 各种废气的利用方式


(1)烧结废气

在钢铁生产过程中,烧结工序的能耗约占总能耗的10%,仅次于炼铁工序而位居第二。在烧结工序总能耗中,有近50%的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气,既浪费了热能又污染了环境。由于烧结废气的温度不高,以往人们对这部分热能的回收利用重视不够。但实际上大有文章可做,因为烧结废气不仅数量大,而且可供回收的热量也大。不过,烧结余热回收装置的投资费用较大,是否对烧结机或冷却机实施余热回收还需要视全厂的蒸汽需要情况进行技术经济分析后才能作出决断。冷却机废气属于中低温热源,其中中温部分(大于300℃)的开发技术比较成熟,用作点火器或保温炉的助燃风,生产蒸汽或余热发电。而低温部分(200℃左右,约占废气的2/3),由于热效率低,应用的很少。鞍钢设计研究院在90年代初开发了以环冷机低温段(200℃左右)废气作为风源的热风烧结技术,将其应用于鞍钢新三烧1号烧结机和2号烧结机取得节能、优质、经济效益高的效果,其中,固体燃料消耗降低13.8%,年创经济效益889万元〔3〕。热管蒸汽发生器是南京化工学院热管技术开发研究院研制的一种烧结废气余热回收系统。在国内数家烧结厂投入运行后取得了明显的经济效益。

(2)高炉煤气

高炉煤气的回收利用比其它废气的回收利用意义更为重大,因为这涉及到冶金企业的气体燃料平衡、减少烧油等重要的能源问题,所以是废气余热、余能回收利用的重点之一,应当加快进程。对钢铁联合企业来说,目标应当是努力降低高炉煤气的放散率,增加混合煤气量,或采用低热值煤气燃烧技术将其用于轧钢加热炉;对独立铁厂而言,则应尽快建设高炉煤气电站。高炉煤气属于超低热值燃料,且气源压力不稳定,不适宜远距离输送或用作城市生活煤气,回收利用有较大的难度,除热风炉和锅炉外,目前只能用于复热式加热的焦炉和具有双预热功能的轧钢加热炉。转换利用高炉煤气的常用方式是燃烧发电。高炉的大型化使高炉煤气的产量成倍增加,燃用高炉煤气的中低参数发电机组从锅炉容量和能源的利用率等方面均已不能满足需要,因此,发展高参数大容量全燃高炉煤气发电机组势在必行。近年来,我国在回收利用高炉煤气方面作了不少工作,但是放散率仍然较高。许多企业在大量放散高炉煤气的同时,工业炉窑及热工设备都在燃用高价油和优质煤,不仅浪费能源、污染环境,而且提高了生产成本。解决煤气放散的根本措施是钢铁厂应普遍采用煤和煤气两用锅炉作为煤气的缓冲用户。因为冶金企业均有一定规模的热(蒸汽)用户,而热电联产又是锅炉蒸汽既灵活又便利的出路。这样,富余的煤气经锅炉转换为蒸汽,在满足供热的同时,根据需要和可能还可以部分地转化为电力供生产使用,从而缓解企业用电的紧张局面,减少企业的一次能源消耗,具有节能和降低成本的双重经济效益。

高炉煤气的超低热值并呈降低趋势是限制高炉煤气使用的最重要原因。1965年高炉煤气的平均热值为4180kJ/m3,而现在我国大型高炉的煤气热值已降到3135kJ/m3,中、小高炉分别降到3340~3550和3760~3970kJ/m3。它们在不预热时的理论燃烧温度分别为1236、1290和1420℃〔4〕。随着高炉原料条件的进一步改善、装备水平及操作水平的日益提高,高炉煤气的发热值会越来越低,解决这个问题的主要途径有:①在热风炉烟道中安装换热器,预热助燃空气及高炉煤气,从而达到提高燃烧温度和热效率的目的。200~300℃烟气可使助燃空气的预热温度达到150℃以上,高炉煤气的预热温度达到100℃以上。②富氧燃烧也是提高燃烧温度的有效措施之一。以热值为3767kJ/m3的高炉煤气为例,若把空气中的含氧量从21%提高到30%,其理论燃烧温度可达1900℃左右,相当于空气、煤气双预热到950℃的效果。在有条件的企业,富氧燃烧较之安装换热器技术经济上更为有利。1985年,马鞍山钢铁设计研究院与无锡第二钢铁厂合作,研制了国内第一座燃烧高炉煤气的管坯斜底式加热炉,使烧单一高炉煤气的轧钢加热炉的热效率提高到接近于使用高热值燃料的炉子,这是高炉煤气首次成功地应用于高温加热炉。随后,此项技术又在南京钢铁厂、南京第二钢铁厂和韶关钢铁总厂得到推广应用〔5〕。

从稳定生产、确保安全的角度出发,冶金企业,尤其是仅有1~3座高炉的中、小企业有必要设置高炉煤气柜。利用煤气柜可以及时吞吐煤气,回收企业内部因高炉炉况的变动及煤气用户生产不均衡性所造成的瞬时煤气放散量。提高高炉煤气使用率,减少放散率,稳定调节高炉煤气管网压力。

(3)转炉煤气

据不完全统计,我国目前已投产的转炉达140余座,其中15t以上(含15t)的转炉共有102座。早在“七五”期间,我国冶金企业就已经掌握了转炉煤气回收技术,但此后相当长的一段时间里,一直未得到推广应用。近几年这方面发展很快:“七五”初期,全国15t以上转炉煤气的回收利用率不到5%,而现在,已经有上钢一厂、宝钢总厂、武钢和鞍钢等20多家企业的40多座转炉回收了转炉煤气,占应回收量的1/3以上〔6〕。回收工艺也由原来的手动控制回收发展到了自动监测成分并由计算机控制自动回收;煤气成分由过去CO含量不足40%提高到现在的60%左右;使用范围由过去的自收自用发展到高炉、焦炉、转炉煤气联网,这样既拓宽了转炉煤气的使用范围,又大幅度提高了转炉煤气的回收量。不过,与先进国家接近100%的转炉煤气回收利用率相比,我国转炉煤气的利用水平仍有很大差距,回收利用率只有55%〔7〕。

由于转炉生产呈周期性,因此排出的烟气余热也是间断的、周期性的,使转炉余热锅炉只能间断地产生蒸汽。为使间断供气变为连续的、稳定的气源,以利于用户使用和转炉冶金工厂锅炉的负荷稳定,可以在供气系统中设置蒸汽蓄热器,这样一般可提高锅炉热效率3%~5%〔8〕。

影响转炉煤气回收的原因之一是转炉煤气回收过程中存在不安全因素。这是由于转炉煤气回收工艺和转炉煤气本身的特性所决定的。在高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气和转炉煤气中,转炉煤气的毒性最大,其CO含量高达70%。此外,转炉煤气的断续生产性使得生产过程中很容易发生事故并增大了回收利用的难度。但是只要掌握转炉煤气的特性和生产规律并采取相应的措施,是完全可以做到安全回收的。宝钢、武钢、鞍钢和济钢就实现了转炉煤气的安全回收。

(4)电炉烟气

在电弧炉的热平衡中,烟气显热一般占电炉热量的20%。目前,国内电弧炉烟气的余热利用尚不普及。回收利用电炉烟气常用的两种装置是废钢预热器和余热锅炉。从二者回收能量的数量来看,余热锅炉回收的热能较多(为预热废钢的2.5倍);但若从能量质量的角度看,则是预热废钢的方式高,即预热废钢回收的热量中可用能较多、能级较高、热价较高;从主体设备的生产工艺来看,也以预热废钢为优。因为电炉炼钢是以炼钢为目的,回收废气余热来预热废钢具有综合效益。

80年代后,日本、西德、美国等国家已普遍在炼钢电弧炉上推广使用废钢预热器。回收的热量可达烟气显热的30%,相当于电炉输入热量的6.2%。一台100t电弧炉废钢预热器的综合效益为:①废钢平均预热温度可达200~250℃;②电能消耗减少40~50kWh/t;③熔炼时间缩短5~8min;④电极消耗下降0.2~0.4kg/t;⑤电炉热效率达70%(不预热废钢时一般为50%~60%)〔9〕。

(5)轧钢加热炉烟气

目前,我国轧钢加热炉烟气余热回收率平均为20%~25%。重点冶金企业略高些,地方中小企业要低一些。宝钢轧钢加热炉烟气的余热回收率已达到45%以上〔10〕。截止到1992年,国内有代表性的33个冶金企业200座轧钢加热炉的助燃空气平均温度已上升到276℃,比1985年提高了24.3%。但是进一步提高助燃空气的预热温度还有很大的潜力。对轧钢加热炉的烟气余热应该随烟温的由高到低逐级回收利用。对出炉温度为650~800℃的高温烟气,可以通过各种换热器预热空气或煤气,换热器后400~500℃左右较难回收的中温烟气可以通过热管或余热锅炉进一步回收利用。在我国现有的技术水平条件下,排入烟囱的最佳烟温为150~180℃,工业先进国家(如日本)已经做到排入烟囱的烟温小于100℃。

可通过以下措施来提高轧钢加热炉烟气回收利用率:采用高保温性能、高密封性能的轻型地上烟道和高回收率的多行程优化排列的翅片或插入件强化传热的金属换热器;采用绝热性能良好的热回收管路;采用炉顶间隔墙来改善炉内热交换及降低排烟温度;采用能在高预热温度下以全热风方式工作的高效燃烧装置。保存烟气余热的有效方法是采用上排烟或钢板烟道,使炉尾排出的烟气全部流经换热器。整个烟道和烟管的密闭性使进入换热器的烟气温降不超过20~30℃。

从国内若干冶金企业轧钢加热炉用换热器的使用情况来看,第一,大部分冶金企业已经能控制和掌握烟气在经济烟温下出炉,基本解决了烟气出炉温度过高的问题;第二,预热空气的温度比过去提高100℃左右,达到400~500℃,温度效率接近60%;第三,换热器的综合传热系数一般都在20W/(m2.K)以上,有的达到30W/(m2.K)。在回收同样热量的情况下,现用换热器的换热面积和单位体积都比过去有所减少;第四,换热器的单位造价比过去有所下降,如插件管式空气换热器的造价约650~750元/m2,仍有进一步降低的潜力。


4 我国几个大型冶金企业废气余热利用的情况


(1)宝山钢铁公司

宝钢的能源消耗在全国重点钢铁企业中是最低的,目前余能余热回收率约在45%左右,已跨入世界能耗的一流水平行列。烧结工艺中,一期工程一号烧结机采用环冷机热风预热煤气装置,将环冷机产生的部分废气用作点火炉和保温炉的助燃风,以降低焦炉煤气的消耗量。二号烧结机投产后,自行开发了主排风烟气废热和环冷机烧结矿显热回收装置,与余热锅炉连接产生蒸汽,参与全厂蒸汽平衡。该装置每小时能生产过热蒸汽56.6~80.2t,即每吨烧结矿能产汽90.5~128.3kg。高炉工艺中,三座高炉全部采用炉顶余压回收发电装置,产生电力并入全厂供配电网络。热风炉烟气废热的回收利用主要是预热热风炉燃烧需用的煤气或空气,1号高炉热风炉采用了水媒式余热回收装置;2号和3号高炉采用了热管式余热回收装置。转炉工艺中,三座大型300t转炉配置了煤气回收装置,回收率为每吨钢95~100m3,达到世界先进水平,并实现了转炉工序负能炼钢。轧钢系统的各种加热炉都带有预热空气装置,钢管环形加热炉还设有烟气余热锅炉,产生的蒸汽并入内部管网。1985年宝钢一期工程投产以来,已先后有3座300t转炉采用OG法对转炉煤气进行净化回收。1994年,宝钢又引进奥钢联“LT法”用于两座250t转炉。1997年转炉煤气的回收率已超过103.7m3/t钢,达到世界先进水平。

(2)武汉钢铁公司

经过多年的努力,目前烟气余热的回收利用率约为25%。已利用的基本集中在600℃以上的高温烟气(已回收利用了42%),中低温烟气的余热仅回收利用了不到3%。其中高温余热中又以转炉烟气为主,占已回收利用的高温余热总量的62%〔11〕。武钢采用了烧结冷却机排烟余热回收技术及炉顶煤气余压发电技术。1995年,武钢5号高炉发电量达31.8kWh/t铁,比宝钢低4.68kWh/t铁,而目前先进水平已达40kWh/t铁。1992年,武钢新建的5号高炉采用了分离式热管换热器技术对热风炉燃烧用高炉煤气和助燃空气进行双预热,在只烧低发热值的高炉煤气的情况下仍取得了高风温操作的业绩:1997年1~6月平均风温达1150℃,高炉可降低焦比8kg/t〔12〕。武钢第二炼钢厂从1985年开始回收转炉煤气,吨钢回收量由初期的12m3增加到1994年的70m3。目前,转炉煤气的回收率达到86%。武钢第三炼钢厂转炉煤气回收系统于1997年投入运行,几个月后即创下武钢转炉煤气回收的最高纪录,吨钢回收量达到96.87m3/t〔13〕。该系统采用新型的全汽化冷却结构,系统操作与转炉吹炼过程实现全自动控制和安全联锁,具有90年代世界先进水平。武钢现有轧钢用高温加热炉10座,只有4座采用了汽化冷却技术,纯利用烟气余热的余热锅炉基本上没有。

(3)鞍山钢铁公司

鞍钢作为大型钢铁联合企业,1988年余热资源回收率达30.94%。据1989年统计,鞍钢共有余热回收装置:余热锅炉21台,额定蒸汽量400t/h;空气换热器67台,预热风温100~400℃;煤气换热器5台,预热温度200℃左右;若干个自身预热烧嘴、汽化冷却及冷却水余热利用装置等。截止到1992年,鞍钢新烧结分厂的全部冷却废气的余热都得到回收利用,其技术达到世界先进水平:环冷机一段(中温)废气用于余热锅炉生产蒸汽,每小时产汽7~10t;环冷机二段(低温)废气分别用于循环烧结和代替天然气解冻原料,前者可降低固体燃料消耗10%~15%,后者每年节省600万m3天然气。1997年,鞍山热能院在鞍钢烧结厂三烧车间改造工程中为1号和4号烧结带冷机设计并安装了翅片管式余热锅炉,获得的过热蒸汽温度为160~250℃,过热蒸汽压力为0.3~0.7MPa,产汽量达到2.8~5.5t/h。1995年,鞍钢10号高炉进行了用纯高炉煤气通过自身预热工艺获得1200℃高风温的工业试验,证实:利用低热值高炉煤气,在助燃空气预热到600℃、煤气预热到150℃的情况下可获得1200℃的高风温〔14〕。

(4)马鞍山钢铁公司

目前,马钢余热的回收利用率达到61.6%,共有余热回收装置53台(套),其中空气、煤气预热器23台、余热锅炉11台、煤气柜3座、余能发电机组5套、汽化冷却器3台。马钢焦化厂建成两台1500kW蒸汽背压发电机组,年发电1000万kWh;炼铁厂普遍采用热管换热器回收高炉热风炉烟气来预热空气和煤气,助燃空气预热到190℃,煤气预热到147℃,使热风炉效率达到82%,高炉的综合焦比下降12kg/t铁,高炉的利用系数提高到2.36t/(m3.d)。第三炼钢厂近期将对转炉煤气净化回收系统进行改造,主要内容包括:改进活动烟罩及其控制装置;增设CO、O2在线连续检测设施;改三通水封阀为钟罩式水封阀;采用威金斯型干式柜代替现有的湿式柜,柜后设电除尘;转炉煤气在3号加压站机前混合并网等。第二轧钢厂于1989年对加热炉烟气余热回收系统进行了改造,用密封性好的新型调节烟阀代替烟道闸板;采用四行程逆流式带插件的高效管式换热器;热风管道内绝热,并用JQR全热风烧嘴代替原有的烧嘴。第三轧钢厂为解决使用换热器给烟气排放带来的困难,在余热锅炉后加设引风机,增加排烟抽力。


5 存在的主要问题


(1)高温废气余热的利用情况较好,而中低温废气余热的回收利用率较低。各企业一般只回收利用了烟气温度较高的部分,如用它来预热助燃空气,而通过空气预热器后约400~500℃的中温烟气则大部分企业没有加以利用,至于温度更低的如300℃以下的低温烟气更谈不上充分利用。而国外对于200℃以下的低温烟气余热,已有研究利用其集中供暖及制冷。

(2)各企业废气余热回收利用水平参差不齐,相差悬殊。以高炉煤气的放散率为例,1995年国内18个重点冶金企业高炉煤气平均放散率在11.99%左右,其中放散率6%以下的企业只有鞍钢、重钢、湘钢三个企业;包钢、武钢等12家企业的放散率为6.36%~20.44%;宣钢、上钢一厂、唐钢三家企业的放散率高达22.35%~25.78%。38家地方骨干冶金企业中,仅有略阳钢铁厂、张店钢铁厂等5家企业的高炉煤气放散率在7%以下;20家冶金企业放散率在7.01%~20.58%;13家冶金企业放散率在21%以上,其中成都钢铁厂、通化钢铁公司放散率高达45%左右,新疆钢铁公司放散率竟高达60%左右〔15〕。

(3)废气余热回收利用设备陈旧。根据80年代末对冶金部所属117家冶金企业余热资源情况的调查结果,我国钢铁工业余热回收利用的大方向是正确的(回收后用于生产的占70%,用于生活的占30%),但热回收率低,回收设备比较落后,109家企业使用的余热回收利用设备有几十种,其中使用较多的有:管式换热器142台、余热锅炉102台、片状管换热器74台、辐射式换热器62台、余热锅炉-换热器联合装置52台、热管换热器21台、喷流式换热器16台,汽化冷却装置133套〔16〕。

(4)废气余热回收利用的领域比较窄,回收的热量都是用来制热(产生热风、热煤气、蒸汽或热水等),很少涉及制冷。特别是夏季剩余蒸汽多,用于制冷能节约更多的能量,其意义十分重大。由于溴化锂制冷机只需要0.6MPa以下的低压蒸汽或热水,因而热源广泛,尤其适合冶金企业采用〔17〕。石家庄钢铁厂等企业已开始着手利用余热进行溴化锂制冷的工作,它将给冶金企业的节能工作带来新的生机。此外,许多冶金企业还有一种高品位的热能资源没有得到重视,那就是自备锅炉(包括余热锅炉)所产生的压力不低于1.28MPa的过热或饱和蒸汽。由于热用户所要求的蒸汽大多是0.2~0.3MPa的饱和蒸汽,如果直接把高品位的蒸汽供给热用户,就浪费了本来可以用于发电的热能。利用供热蒸汽余压发电实行热电联产是钢铁厂的一种新的节能方法〔18〕。


6 结束语


我国钢铁工业余热资源丰富,回收利用的潜力很大,但“七五”后期以来乃至整个“八五”期间,节能工作进展缓慢。“八五”以来,能源涨价幅度加大,能源费用在产品成本中的比重不断增加,长期卖方市场的格局被打破,市场竞争的形势要求企业寻求降低生产成本的措施,节能这一重要观念在经过一段低谷中的徘徊之后已重新被提到议事日程上来。节能降耗已成为冶金企业实现两个根本转变、提高竞争力的重要途径。相信未来的21世纪,我国钢铁工业的废气余热利用会有较大的进展。


, bidi-language: AR-SA">℃)的开发技术比较成熟,用作点火器或保温炉的助燃风,生产蒸汽或余热发电。而低温部分(200℃左右,约占废气的2/3),由于热效率低,应用的很少。鞍钢设计研究院在90年代初开发了以环冷机低温段(200℃左右)废气作为风源的热风烧结技术,将其应用于鞍钢新三烧1号烧结机和2号烧结机取得节能、优质、经济效益高的效果,其中,固体燃料消耗降低13.8%,年创经济效益889万元〔3〕。热管蒸汽发生器是南京化工学院热管技术开发研究院研制的一种烧结废气余热回收系统。在国内数家烧结厂投入运行后取得了明显的经济效益。

(2)高炉煤气

高炉煤气的回收利用比其它废气的回收利用意义更为重大,因为这涉及到冶金企业的气体燃料平衡、减少烧油等重要的能源问题,所以是废气余热、余能回收利用的重点之一,应当加快进程。对钢铁联合企业来说,目标应当是努力降低高炉煤气的放散率,增加混合煤气量,或采用低热值煤气燃烧技术将其用于轧钢加热炉;对独立铁厂而言,则应尽快建设高炉煤气电站。高炉煤气属于超低热值燃料,且气源压力不稳定,不适宜远距离输送或用作城市生活煤气,回收利用有较大的难度,除热风炉和锅炉外,目前只能用于复热式加热的焦炉和具有双预热功能的轧钢加热炉。转换利用高炉煤气的常用方式是燃烧发电。高炉的大型化使高炉煤气的产量成倍增加,燃用高炉煤气的中低参数发电机组从锅炉容量和能源的利用率等方面均已不能满足需要,因此,发展高参数大容量全燃高炉煤气发电机组势在必行。近年来,我国在回收利用高炉煤气方面作了不少工作,但是放散率仍然较高。许多企业在大量放散高炉煤气的同时,工业炉窑及热工设备都在燃用高价油和优质煤,不仅浪费能源、污染环境,而且提高了生产成本。解决煤气放散的根本措施是钢铁厂应普遍采用煤和煤气两用锅炉作为煤气的缓冲用户。因为冶金企业均有一定规模的热(蒸汽)用户,而热电联产又是锅炉蒸汽既灵活又便利的出路。这样,富余的煤气经锅炉转换为蒸汽,在满足供热的同时,根据需要和可能还可以部分地转化为电力供生产使用,从而缓解企业用电的紧张局面,减少企业的一次能源消耗,具有节能和降低成本的双重经济效益。

高炉煤气的超低热值并呈降低趋势是限制高炉煤气使用的最重要原因。1965年高炉煤气的平均热值为4180kJ/m3,而现在我国大型高炉的煤气热值已降到3135kJ/m3,中、小高炉分别降到3340~3550和3760~3970kJ/m3。它们在不预热时的理论燃烧温度分别为1236、1290和1420℃〔4〕。随着高炉原料条件的进一步改善、装备水平及操作水平的日益提高,高炉煤气的发热值会越来越低,解决这个问题的主要途径有:①在热风炉烟道中安装换热器,预热助燃空气及高炉煤气,从而达到提高燃烧温度和热效率的目的。200~300℃烟气可使助燃空气的预热温度达到150℃以上,高炉煤气的预热温度达到100℃以上。②富氧燃烧也是提高燃烧温度的有效措施之一。以热值为3767kJ/m3的高炉煤气为例,若把空气中的含氧量从21%提高到30%,其理论燃烧温度可达1900℃左右,相当于空气、煤气双预热到950℃的效果。在有条件的企业,富氧燃烧较之安装换热器技术经济上更为有利。1985年,马鞍山钢铁设计研究院与无锡第二钢铁厂合作,研制了国内第一座燃烧高炉煤气的管坯斜底式加热炉,使烧单一高炉煤气的轧钢加热炉的热效率提高到接近于使用高热值燃料的炉子,这是高炉煤气首次成功地应用于高温加热炉。随后,此项技术又在南京钢铁厂、南京第二钢铁厂和韶关钢铁总厂得到推广应用〔5〕。

从稳定生产、确保安全的角度出发,冶金企业,尤其是仅有1~3座高炉的中、小企业有必要设置高炉煤气柜。利用煤气柜可以及时吞吐煤气,回收企业内部因高炉炉况的变动及煤气用户生产不均衡性所造成的瞬时煤气放散量。提高高炉煤气使用率,减少放散率,稳定调节高炉煤气管网压力。

(3)转炉煤气

据不完全统计,我国目前已投产的转炉达140余座,其中15t以上(含15t)的转炉共有102座。早在“七五”期间,我国冶金企业就已经掌握了转炉煤气回收技术,但此后相当长的一段时间里,一直未得到推广应用。近几年这方面发展很快:“七五”初期,全国15t以上转炉煤气的回收利用率不到5%,而现在,已经有上钢一厂、宝钢总厂、武钢和鞍钢等20多家企业的40多座转炉回收了转炉煤气,占应回收量的1/3以上〔6〕。回收工艺也由原来的手动控制回收发展到了自动监测成分并由计算机控制自动回收;煤气成分由过去CO含量不足40%提高到现在的60%左右;使用范围由过去的自收自用发展到高炉、焦炉、转炉煤气联网,这样既拓宽了转炉煤气的使用范围,又大幅度提高了转炉煤气的回收量。不过,与先进国家接近100%的转炉煤气回收利用率相比,我国转炉煤气的利用水平仍有很大差距,回收利用率只有55%〔7〕。

由于转炉生产呈周期性,因此排出的烟气余热也是间断的、周期性的,使转炉余热锅炉只能间断地产生蒸汽。为使间断供气变为连续的、稳定的气源,以利于用户使用和转炉冶金工厂锅炉的负荷稳定,可以在供气系统中设置蒸汽蓄热器,这样一般可提高锅炉热效率3%~5%〔8〕。

影响转炉煤气回收的原因之一是转炉煤气回收过程中存在不安全因素。这是由于转炉煤气回收工艺和转炉煤气本身的特性所决定的。在高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气和转炉煤气中,转炉煤气的毒性最大,其CO含量高达70%。此外,转炉煤气的断续生产性使得生产过程中很容易发生事故并增大了回收利用的难度。但是只要掌握转炉煤气的特性和生产规律并采取相应的措施,是完全可以做到安全回收的。宝钢、武钢、鞍钢和济钢就实现了转炉煤气的安全回收。

(4)电炉烟气

在电弧炉的热平衡中,烟气显热一般占电炉热量的20%。目前,国内电弧炉烟气的余热利用尚不普及。回收利用电炉烟气常用的两种装置是废钢预热器和余热锅炉。从二者回收能量的数量来看,余热锅炉回收的热能较多(为预热废钢的2.5倍);但若从能量质量的角度看,则是预热废钢的方式高,即预热废钢回收的热量中可用能较多、能级较高、热价较高;从主体设备的生产工艺来看,也以预热废钢为优。因为电炉炼钢是以炼钢为目的,回收废气余热来预热废钢具有综合效益。

80年代后,日本、西德、美国等国家已普遍在炼钢电弧炉上推广使用废钢预热器。回收的热量可达烟气显热的30%,相当于电炉输入热量的6.2%。一台100t电弧炉废钢预热器的综合效益为:①废钢平均预热温度可达200~250℃;②电能消耗减少40~50kWh/t;③熔炼时间缩短5~8min;④电极消耗下降0.2~0.4kg/t;⑤电炉热效率达70%(不预热废钢时一般为50%~60%)〔9〕。

(5)轧钢加热炉烟气

目前,我国轧钢加热炉烟气余热回收率平均为20%~25%。重点冶金企业略高些,地方中小企业要低一些。宝钢轧钢加热炉烟气的余热回收率已达到45%以上〔10〕。截止到1992年,国内有代表性的33个冶金企业200座轧钢加热炉的助燃空气平均温度已上升到276℃,比1985年提高了24.3%。但是进一步提高助燃空气的预热温度还有很大的潜力。对轧钢加热炉的烟气余热应该随烟温的由高到低逐级回收利用。对出炉温度为650~800℃的高温烟气,可以通过各种换热器预热空气或煤气,换热器后400~500℃左右较难回收的中温烟气可以通过热管或余热锅炉进一步回收利用。在我国现有的技术水平条件下,排入烟囱的最佳烟温为150~180℃,工业先进国家(如日本)已经做到排入烟囱的烟温小于100℃。

可通过以下措施来提高轧钢加热炉烟气回收利用率:采用高保温性能、高密封性能的轻型地上烟道和高回收率的多行程优化排列的翅片或插入件强化传热的金属换热器;采用绝热性能良好的热回收管路;采用炉顶间隔墙来改善炉内热交换及降低排烟温度;采用能在高预热温度下以全热风方式工作的高效燃烧装置。保存烟气余热的有效方法是采用上排烟或钢板烟道,使炉尾排出的烟气全部流经换热器。整个烟道和烟管的密闭性使进入换热器的烟气温降不超过20~30℃。

从国内若干冶金企业轧钢加热炉用换热器的使用情况来看,第一,大部分冶金企业已经能控制和掌握烟气在经济烟温下出炉,基本解决了烟气出炉温度过高的问题;第二,预热空气的温度比过去提高100℃左右,达到400~500℃,温度效率接近60%;第三,换热器的综合传热系数一般都在20W/(m2.K)以上,有的达到30W/(m2.K)。在回收同样热量的情况下,现用换热器的换热面积和单位体积都比过去有所减少;第四,换热器的单位造价比过去有所下降,如插件管式空气换热器的造价约650~750元/m2,仍有进一步降低的潜力。


4 我国几个大型冶金企业废气余热利用的情况


(1)宝山钢铁公司

宝钢的能源消耗在全国重点钢铁企业中是最低的,目前余能余热回收率约在45%左右,已跨入世界能耗的一流水平行列。烧结工艺中,一期工程一号烧结机采用环冷机热风预热煤气装置,将环冷机产生的部分废气用作点火炉和保温炉的助燃风,以降低焦炉煤气的消耗量。二号烧结机投产后,自行开发了主排风烟气废热和环冷机烧结矿显热回收装置,与余热锅炉连接产生蒸汽,参与全厂蒸汽平衡。该装置每小时能生产过热蒸汽56.6~80.2t,即每吨烧结矿能产汽90.5~128.3kg。高炉工艺中,三座高炉全部采用炉顶余压回收发电装置,产生电力并入全厂供配电网络。热风炉烟气废热的回收利用主要是预热热风炉燃烧需用的煤气或空气,1号高炉热风炉采用了水媒式余热回收装置;2号和3号高炉采用了热管式余热回收装置。转炉工艺中,三座大型300t转炉配置了煤气回收装置,回收率为每吨钢95~100m3,达到世界先进水平,并实现了转炉工序负能炼钢。轧钢系统的各种加热炉都带有预热空气装置,钢管环形加热炉还设有烟气余热锅炉,产生的蒸汽并入内部管网。1985年宝钢一期工程投产以来,已先后有3座300t转炉采用OG法对转炉煤气进行净化回收。1994年,宝钢又引进奥钢联“LT法”用于两座250t转炉。1997年转炉煤气的回收率已超过103.7m3/t钢,达到世界先进水平。

(2)武汉钢铁公司

经过多年的努力,目前烟气余热的回收利用率约为25%。已利用的基本集中在600℃以上的高温烟气(已回收利用了42%),中低温烟气的余热仅回收利用了不到3%。其中高温余热中又以转炉烟气为主,占已回收利用的高温余热总量的62%〔11〕。武钢采用了烧结冷却机排烟余热回收技术及炉顶煤气余压发电技术。1995年,武钢5号高炉发电量达31.8kWh/t铁,比宝钢低4.68kWh/t铁,而目前先进水平已达40kWh/t铁。1992年,武钢新建的5号高炉采用了分离式热管换热器技术对热风炉燃烧用高炉煤气和助燃空气进行双预热,在只烧低发热值的高炉煤气的情况下仍取得了高风温操作的业绩:1997年1~6月平均风温达1150℃,高炉可降低焦比8kg/t〔12〕。武钢第二炼钢厂从1985年开始回收转炉煤气,吨钢回收量由初期的12m3增加到1994年的70m3。目前,转炉煤气的回收率达到86%。武钢第三炼钢厂转炉煤气回收系统于1997年投入运行,几个月后即创下武钢转炉煤气回收的最高纪录,吨钢回收量达到96.87m3/t〔13〕。该系统采用新型的全汽化冷却结构,系统操作与转炉吹炼过程实现全自动控制和安全联锁,具有90年代世界先进水平。武钢现有轧钢用高温加热炉10座,只有4座采用了汽化冷却技术,纯利用烟气余热的余热锅炉基本上没有。

(3)鞍山钢铁公司

鞍钢作为大型钢铁联合企业,1988年余热资源回收率达30.94%。据1989年统计,鞍钢共有余热回收装置:余热锅炉21台,额定蒸汽量400t/h;空气换热器67台,预热风温100~400℃;煤气换热器5台,预热温度200℃左右;若干个自身预热烧嘴、汽化冷却及冷却水余热利用装置等。截止到1992年,鞍钢新烧结分厂的全部冷却废气的余热都得到回收利用,其技术达到世界先进水平:环冷机一段(中温)废气用于余热锅炉生产蒸汽,每小时产汽7~10t;环冷机二段(低温)废气分别用于循环烧结和代替天然气解冻原料,前者可降低固体燃料消耗10%~15%,后者每年节省600万m3天然气。1997年,鞍山热能院在鞍钢烧结厂三烧车间改造工程中为1号和4号烧结带冷机设计并安装了翅片管式余热锅炉,获得的过热蒸汽温度为160~250℃,过热蒸汽压力为0.3~0.7MPa,产汽量达到2.8~5.5t/h。1995年,鞍钢10号高炉进行了用纯高炉煤气通过自身预热工艺获得1200℃高风温的工业试验,证实:利用低热值高炉煤气,在助燃空气预热到600℃、煤气预热到150℃的情况下可获得1200℃的高风温〔14〕。

(4)马鞍山钢铁公司

目前,马钢余热的回收利用率达到61.6%,共有余热回收装置53台(套),其中空气、煤气预热器23台、余热锅炉11台、煤气柜3座、余能发电机组5套、汽化冷却器3台。马钢焦化厂建成两台1500kW蒸汽背压发电机组,年发电1000万kWh;炼铁厂普遍采用热管换热器回收高炉热风炉烟气来预热空气和煤气,助燃空气预热到190℃,煤气预热到147℃,使热风炉效率达到82%,高炉的综合焦比下降12kg/t铁,高炉的利用系数提高到2.36t/(m3.d)。第三炼钢厂近期将对转炉煤气净化回收系统进行改造,主要内容包括:改进活动烟罩及其控制装置;增设CO、O2在线连续检测设施;改三通水封阀为钟罩式水封阀;采用威金斯型干式柜代替现有的湿式柜,柜后设电除尘;转炉煤气在3号加压站机前混合并网等。第二轧钢厂于1989年对加热炉烟气余热回收系统进行了改造,用密封性好的新型调节烟阀代替烟道闸板;采用四行程逆流式带插件的高效管式换热器;热风管道内绝热,并用JQR全热风烧嘴代替原有的烧嘴。第三轧钢厂为解决使用换热器给烟气排放带来的困难,在余热锅炉后加设引风机,增加排烟抽力。


5 存在的主要问题


(1)高温废气余热的利用情况较好,而中低温废气余热的回收利用率较低。各企业一般只回收利用了烟气温度较高的部分,如用它来预热助燃空气,而通过空气预热器后约400~500℃的中温烟气则大部分企业没有加以利用,至于温度更低的如300℃以下的低温烟气更谈不上充分利用。而国外对于200℃以下的低温烟气余热,已有研究利用其集中供暖及制冷。

(2)各企业废气余热回收利用水平参差不齐,相差悬殊。以高炉煤气的放散率为例,1995年国内18个重点冶金企业高炉煤气平均放散率在11.99%左右,其中放散率6%以下的企业只有鞍钢、重钢、湘钢三个企业;包钢、武钢等12家企业的放散率为6.36%~20.44%;宣钢、上钢一厂、唐钢三家企业的放散率高达22.35%~25.78%。38家地方骨干冶金企业中,仅有略阳钢铁厂、张店钢铁厂等5家企业的高炉煤气放散率在7%以下;20家冶金企业放散率在7.01%~20.58%;13家冶金企业放散率在21%以上,其中成都钢铁厂、通化钢铁公司放散率高达45%左右,新疆钢铁公司放散率竟高达60%左右〔15〕。

(3)废气余热回收利用设备陈旧。根据80年代末对冶金部所属117家冶金企业余热资源情况的调查结果,我国钢铁工业余热回收利用的大方向是正确的(回收后用于生产的占70%,用于生活的占30%),但热回收率低,回收设备比较落后,109家企业使用的余热回收利用设备有几十种,其中使用较多的有:管式换热器142台、余热锅炉102台、片状管换热器74台、辐射式换热器62台、余热锅炉-换热器联合装置52台、热管换热器21台、喷流式换热器16台,汽化冷却装置133套〔16〕。

(4)废气余热回收利用的领域比较窄,回收的热量都是用来制热(产生热风、热煤气、蒸汽或热水等),很少涉及制冷。特别是夏季剩余蒸汽多,用于制冷能节约更多的能量,其意义十分重大。由于溴化锂制冷机只需要0.6MPa以下的低压蒸汽或热水,因而热源广泛,尤其适合冶金企业采用〔17〕。石家庄钢铁厂等企业已开始着手利用余热进行溴化锂制冷的工作,它将给冶金企业的节能工作带来新的生机。此外,许多冶金企业还有一种高品位的热能资源没有得到重视,那就是自备锅炉(包括余热锅炉)所产生的压力不低于1.28MPa的过热或饱和蒸汽。由于热用户所要求的蒸汽大多是0.2~0.3MPa的饱和蒸汽,如果直接把高品位的蒸汽供给热用户,就浪费了本来可以用于发电的热能。利用供热蒸汽余压发电实行热电联产是钢铁厂的一种新的节能方法〔18〕。


6 结束语


我国钢铁工业余热资源丰富,回收利用的潜力很大,但“七五”后期以来乃至整个“八五”期间,节能工作进展缓慢。“八五”以来,能源涨价幅度加大,能源费用在产品成本中的比重不断增加,长期卖方市场的格局被打破,市场竞争的形势要求企业寻求降低生产成本的措施,节能这一重要观念在经过一段低谷中的徘徊之后已重新被提到议事日程上来。节能降耗已成为冶金企业实现两个根本转变、提高竞争力的重要途径。相信未来的21世纪,我国钢铁工业的废气余热利用会有较大的进展。


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