1 引言
能源是支撐人類文明進步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代社會發(fā)展不可或缺的基本條件，但同時也是長遠制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。隨著低碳經(jīng)濟的到來，提高能源利用效率已形成全球共識。
據(jù)《中國的能源政策(2012)》指出，鋼鐵、有色、化工、建材四大高耗能行業(yè)用能占到全社會用能的40%左右[1]，且能源效率相對較低，單位增加值能耗較高。其中，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的能耗約占全國總能耗的16.1%，鋼鐵工業(yè)排放的CO2占我國CO2排放總量的12%，因此推行鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排是我國未來能源發(fā)展的重點。
在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中，消耗能源推動物料轉(zhuǎn)變的同時會產(chǎn)生大量的余能，如何有效回收利用這些余能已成為鋼鐵業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已對鋼鐵工業(yè)余熱余能回收利用的重要性及可行的技術(shù)理論問題展開了大量的研究[2～4]，對我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施發(fā)揮了重要作用。
2 中國鋼鐵業(yè)余能回收利用技術(shù)現(xiàn)狀
鋼鐵生產(chǎn)消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能資源通常包括余熱、余壓以及副產(chǎn)品能源。當(dāng)前，對于我國鋼鐵業(yè)余能回收利用的技術(shù)情況如下。
2.1 高爐爐頂煤氣余壓透平發(fā)電技術(shù)
高爐爐頂煤氣余壓回收發(fā)電(Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT)是利用高爐爐頂排出的高爐煤氣中的壓力能與熱能轉(zhuǎn)化為機械能并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電[5]。現(xiàn)代高爐大都采用高壓爐頂，從爐頂排出的高爐煤氣除具有化學(xué)能外，還具有一定的物理能，為促進這些可燃廢氣的綜合利用，通常采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電技術(shù)(TRT)，將煤氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。爐頂煤氣壓力大于120kPa的高爐均應(yīng)有TRT裝置，目前我國TRT普及率已達90%以上。
2.2 干熄焦技術(shù)
干法熄焦是目前國外較廣泛應(yīng)用的一項節(jié)能技術(shù)，其英文名稱為Coke Dry Quenching，簡稱CDQ。干熄焦是利用惰性氣體，在干熄爐中與紅焦換熱從而冷卻紅焦。吸收了紅焦熱量的惰性氣體將熱量傳給干熄焦鍋爐產(chǎn)生蒸汽，被冷卻的惰性氣體再由循環(huán)風(fēng)機重新鼓入干熄爐冷卻紅焦，而鍋爐產(chǎn)生的蒸汽或并入廠內(nèi)蒸汽管網(wǎng)或用于發(fā)電。在干熄焦過程中，80%的紅焦顯熱被回收，干熄每噸焦炭可產(chǎn)生0.42～0.45t中壓蒸汽(450℃，4.6MPa)，比傳統(tǒng)濕熄焦工藝節(jié)水0.5t，同時可避免濕熄焦過程中產(chǎn)生的含有大量酚，氰化物和硫化物蒸汽排入大氣中，從而有效改善生態(tài)環(huán)境。
2.3 自產(chǎn)煤氣回收利用
鋼鐵生產(chǎn)過程中，主要副產(chǎn)3種煤氣，分別是高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，它們的熱值見表1[6]。
據(jù)統(tǒng)計，自產(chǎn)煤氣占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的17%左右，除少量煤氣泄漏損失外，其余均可利用。自產(chǎn)煤氣主要用于加熱爐加熱，各種鐵包、鋼包烘烤，焦?fàn)t煤氣還可用于連鑄切割，制氫等。
焦化的化產(chǎn)工序要回收粗焦?fàn)t煤氣中的化工產(chǎn)品，所采用的工藝工種多樣。然而，當(dāng)前煉鐵高爐煤氣、煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣均有干法回收技術(shù)替代早先的濕法回收技術(shù)。與傳統(tǒng)的濕法相比，高爐煤氣采用干法除塵技術(shù)，可以提高高爐煤氣的溫度，減少煤氣中的水含量，節(jié)約水資源;轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)，取消了規(guī)模龐大的濁環(huán)水處理系統(tǒng)以及笨重的機械設(shè)施，操作靈活，略可提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量。
2.4 低溫?zé)煔饣厥占夹g(shù)
目前，我國鋼鐵業(yè)高溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽幂^普及，而中低溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽寐瘦^低。企業(yè)通常用高溫?zé)煔忸A(yù)熱助燃空氣，而通過空氣預(yù)熱器后約400～500℃的中溫?zé)煔鈩t沒有被大部分企業(yè)加以利用，至于大量400℃以下的低溫?zé)煔庥酂嵊捎谄渫顿Y回報差利用更少。為將低溫余熱轉(zhuǎn)化為各種環(huán)境都可利用的能源，利用低溫余熱發(fā)電成為低溫余熱利用技術(shù)研究的主要方向。其中，有機工質(zhì)郎肯循環(huán)發(fā)電的研究和應(yīng)用[7]最為廣泛，該技術(shù)可通過采用不同低沸點的有機物作為工質(zhì)，可回收55℃以上的低溫?zé)嵩础?/span>
2.5 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)
蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的全名稱為高溫低氧空氣燃燒技術(shù)(High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC)，也稱作HTAC (High Temperature Air Combustion)技術(shù)[8]。其特征是極大限度地回收燃燒產(chǎn)物中的顯熱，實現(xiàn)超高溫(助燃空氣可預(yù)熱至800～1000℃，甚至更高)、超貧氧(氧氣提及濃度3%～15%)燃燒。該技術(shù)可實現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效利用和低NOX排放，從根本上提高了加熱爐的能源利用率(熱回收效率80%以上)，特別是在鋼鐵業(yè)對低熱值高爐煤氣的合理利用，既減少了污染物高爐煤氣的排放，又節(jié)約了能源，是滿足當(dāng)前資源和環(huán)境要求的先進技術(shù)。
2.6 低熱值高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)技術(shù)
該技術(shù)可回收放散的低熱值煤氣用于發(fā)電，是一種煤氣、燃氣、蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以及將煤的氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進發(fā)電系統(tǒng)[9]。在不外供熱時熱電轉(zhuǎn)換效率可達40%～45%，已接近天燃氣和柴油為燃料的類似燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電水平，比常規(guī)鍋爐蒸汽轉(zhuǎn)換效率高出近一倍。此外，該發(fā)電技術(shù)CO2排放比常規(guī)火力電廠減少45%～50%，無SO2、飛灰及灰渣排放，NOX排放少，回收了鋼鐵生產(chǎn)中的二次能源，可用水量相當(dāng)于同容量常規(guī)燃煤電廠的1/3. 2.7 余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)
余熱蒸汽發(fā)電原理與傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電原理相同，區(qū)別在于熱源來源。余熱蒸汽的熱源來源主要有高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐及其他冶煉爐高溫?zé)煔猓瑹彳垙S燃氣均熱爐，燒結(jié)熱料及高溫?zé)煔獾取?/span>
2.8 轉(zhuǎn)爐負能煉鋼技術(shù)
轉(zhuǎn)爐負能煉鋼是計算轉(zhuǎn)爐工序同一生產(chǎn)周期內(nèi)的能源消耗量與能源回收量的差值，煉鋼工序能耗公式如下：
工序單位能耗=能源消耗量-能源回收量鋼產(chǎn)量。
轉(zhuǎn)爐工序能源消耗部分由焦炭、水、電、蒸汽、氧氣、氮氣、氬氣、焦?fàn)t煤氣等能源介質(zhì)構(gòu)成。由于生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)品種和轉(zhuǎn)爐大小等技術(shù)條件的差別，轉(zhuǎn)爐工序能耗一般波動在25～37kgce/t。轉(zhuǎn)爐工序回收的能量主要有煤氣和蒸汽兩部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)爐出口煙氣的總熱量約為38.3kgce/t，其中81.8%為潛熱，18.2%為顯熱。采用回收技術(shù)通常可回收能量30～36kgce/t，其中70%為轉(zhuǎn)爐煤氣，30%為蒸汽，即可實現(xiàn)負能煉鋼[10]。
3 冷床余熱回收利用潛力分析
從20世紀70年代末，發(fā)達國家已經(jīng)意識到提高鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率以及進一步降低能耗的重要性，經(jīng)過幾十年的不斷地改進和探索，這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)相對成熟，開始大范圍推廣。然而至今，作為鋼鐵業(yè)非常重要的一道工序冷床，其余熱非常高，但對其余熱的回收技術(shù)研究幾乎空白。本文以國內(nèi)某鋼廠無縫鋼管軋制冷卻工序為例，統(tǒng)計分析了可利用的余熱潛力，希望以此為鋼鐵業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)的發(fā)展拓寬思路。
3.1 車間主要生產(chǎn)概況
該車間主要加工外徑220mm、280mm和330mm的低碳鋼管坯，其主要加工工序有管坯加熱、旋轉(zhuǎn)穿孔、多輥連軋、再加熱、定徑精軋以及冷床自然空冷等。3種不同外徑的管坯經(jīng)定徑精軋后，進入冷床前后溫度參數(shù)見表2。
3.2 冷床余熱分析
根據(jù)比熱容原理，冷床上放散的熱量的計算公式如下：
Q放熱=mC×(t進-t出)。
式中Q放熱為冷床上自然放散的熱量，J;m為冷床處理的鋼管量，t;C為低碳鋼的比熱容，取465J/kg˙℃;t進為鋼管進入冷床的溫度，℃;t出為鋼管退出冷床的溫度，℃。
基于以上，該無縫鋼管車間近3年的年均排放熱量結(jié)果為：外徑220mm管坯加工放散熱量為6.47×1013J/年，外徑280mm管坯加工放散熱量為9.62×1013J/年，外徑330mm管坯加工放散熱量為9.22×1013J/年，全車間共計2.531×1014J/年的熱量放散，不僅給環(huán)境帶來熱污染，同時也造成二次能源浪費。
由于熱量是能源利用的最一般形態(tài)，故國際上習(xí)慣采用熱量為能源的共同換算單位，我國主要采用標準煤來折算能耗。我國的GB2589-2008《綜合能耗計算通則》規(guī)定，將低位發(fā)熱量等于29.3MJ(7000kcal)的燃料，稱為1kg標準煤(1kgce)。通過綜合換算，該無縫鋼管車間近3年年均放散熱量相當(dāng)于8638tce，噸鋼冷床放散熱量為12kgce，約占《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》[11]要求鋼鐵業(yè)噸鋼綜合能耗目標(580kgce)的2%，因此冷床可利用余熱潛力巨大。
3.3 冷床余熱回收方案
為了能充分回收這部分放散的熱量，本文提出了一個半封閉式的預(yù)想換熱方案，如圖1所示。冷空氣從冷床出口處下方循環(huán)鼓入換熱裝置，隨著與軋制的高溫鋼管逐步換熱，空氣受熱溫度提升，當(dāng)空氣換熱至冷床入口處時，溫度可達800℃以上，之后高溫?zé)峥諝怆S著循環(huán)系統(tǒng)送入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽既可以用于發(fā)電又可以直接并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，而經(jīng)余熱鍋爐換熱后的冷空氣經(jīng)除塵后再次鼓入冷床換熱系統(tǒng)，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。
4 結(jié)語
對于當(dāng)前快速發(fā)展的鋼鐵工業(yè)而言，能源生產(chǎn)面臨難以滿足能源需求，鋼鐵工業(yè)耗能占全國總能耗比重歷年來穩(wěn)中有升，能源對鋼鐵工業(yè)發(fā)展的約束日益顯著。雖然我國節(jié)能減排取得了巨大的進步，但CO2排放仍高于發(fā)達國家，在低碳經(jīng)濟時代，我們有必要加快推廣TRT，CDQ及CCPP等節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。
|
