鋼鐵工業冷床余熱利用潛力分析

余蔚茗

（廣州漢德工業技術服務有限公司上海分公司，上海 200001）

1 引言

能源是支撐人類文明進步的物質基礎，是現代社會發展不可或缺的基本條件，但同時也是長遠制約經濟發展的重要因素之一。隨著低碳經濟的到來，提高能源利用效率已形成全球共識。

據《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，鋼鐵產業的能耗約占全國總能耗的16.1%，鋼鐵工業排放的CO2占我國CO2排放總量的12%，因此推行鋼鐵工業節能減排是我國未來能源發展的重點。

在鋼鐵工業生產過程中，消耗能源推動物料轉變的同時會產生大量的余能，如何有效回收利用這些余能已成為鋼鐵業實現節能減排的重要途徑之一。近年來，國內外學者已對鋼鐵工業余熱余能回收利用的重要性及可行的技術理論問題展開了大量的研究[2～4]，對我國鋼鐵工業節能減排戰略的實施發揮了重要作用。

2 中國鋼鐵業余能回收利用技術現狀

鋼鐵生產消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放，生產過程中產生的余能資源通常包括余熱、余壓以及副產品能源。當前，對于我國鋼鐵業余能回收利用的技術情況如下。

2.1 高爐爐頂煤氣余壓透平發電技術

高爐爐頂煤氣余壓回收發電（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化為機械能并驅動發電機發電[5]。現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電技術（TRT），將煤氣的壓力能轉化為機械能并驅動發電機發電。爐頂煤氣壓力大于120kPa的高爐均應有TRT裝置，目前我國TRT普及率已達90%以上。

2.2 干熄焦技術

干法熄焦是目前國外較廣泛應用的一項節能技術，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生蒸汽，被冷卻的惰性氣體再由循環風機重新鼓入干熄爐冷卻紅焦，而鍋爐產生的蒸汽或并入廠內蒸汽管網或用于發電。在干熄焦過程中，80%的紅焦顯熱被回收，干熄每噸焦炭可產生0.42～0.45t中壓蒸汽（450℃，4.6MPa），比傳統濕熄焦工藝節水0.5t，同時可避免濕熄焦過程中產生的含有大量酚，氰化物和硫化物蒸汽排入大氣中，從而有效改善生態環境。

2.3 自產煤氣回收利用

鋼鐵生產過程中，主要副產3種煤氣，分別是高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣，它們的熱值見表1[6]。

表1 副產煤氣熱值

據統計，自產煤氣占鋼鐵生產總能耗的17%左右，除少量煤氣泄漏損失外，其余均可利用。自產煤氣主要用于加熱爐加熱，各種鐵包、鋼包烘烤，焦爐煤氣還可用于連鑄切割，制氫等。

焦化的化產工序要回收粗焦爐煤氣中的化工產品，所采用的工藝工種多樣。然而，當前煉鐵高爐煤氣、煉鋼轉爐煤氣均有干法回收技術替代早先的濕法回收技術。與傳統的濕法相比，高爐煤氣采用干法除塵技術，可以提高高爐煤氣的溫度，減少煤氣中的水含量，節約水資源；轉爐煤氣干法除塵技術，取消了規模龐大的濁環水處理系統以及笨重的機械設施，操作靈活，略可提高轉爐煤氣的回收量。

2.4 低溫煙氣回收技術

目前，我國鋼鐵業高溫煙氣余熱的回收利用較普及，而中低溫煙氣余熱的回收利用率較低。企業通常用高溫煙氣預熱助燃空氣，而通過空氣預熱器后約400～500℃的中溫煙氣則沒有被大部分企業加以利用，至于大量400℃以下的低溫煙氣余熱由于其投資回報差利用更少。為將低溫余熱轉化為各種環境都可利用的能源，利用低溫余熱發電成為低溫余熱利用技術研究的主要方向。其中，有機工質郎肯循環發電的研究和應用[7]最為廣泛，該技術可通過采用不同低沸點的有機物作為工質，可回收55℃以上的低溫熱源。

2.5 蓄熱式高溫空氣燃燒技術

蓄熱式高溫空氣燃燒技術的全名稱為高溫低氧空氣燃燒技術（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion－HTLOAC），也稱作 HTAC（High Temperature Air Combustion）技術[8]。其特征是極大限度地回收燃燒產物中的顯熱，實現超高溫（助燃空氣可預熱至800～1000℃，甚至更高）、超貧氧（氧氣提及濃度3%～15%）燃燒。該技術可實現燃料化學能的高效利用和低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，又節約了能源，是滿足當前資源和環境要求的先進技術。

2.6 低熱值高爐煤氣聯合循環發電（CCPP）技術

該技術可回收放散的低熱值煤氣用于發電，是一種煤氣、燃氣、蒸汽聯合循環發電系統以及將煤的氣化技術和高效的聯合循環相結合的先進發電系統[9]。在不外供熱時熱電轉換效率可達40%～45%，已接近天燃氣和柴油為燃料的類似燃氣輪機聯合循環發電水平，比常規鍋爐蒸汽轉換效率高出近一倍。此外，該發電技術CO2排放比常規火力電廠減少45%～50%，無SO2、飛灰及灰渣排放，NOX排放少，回收了鋼鐵生產中的二次能源，可用水量相當于同容量常規燃煤電廠的1／3.

2.7 余熱蒸汽發電技術

余熱蒸汽發電原理與傳統蒸汽發電原理相同，區別在于熱源來源。余熱蒸汽的熱源來源主要有高爐、轉爐、電爐及其他冶煉爐高溫煙氣，熱軋廠燃氣均熱爐，燒結熱料及高溫煙氣等。

2.8 轉爐負能煉鋼技術

轉爐負能煉鋼是計算轉爐工序同一生產周期內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：

轉爐工序能源消耗部分由焦炭、水、電、蒸汽、氧氣、氮氣、氬氣、焦爐煤氣等能源介質構成。由于生產工藝、生產品種和轉爐大小等技術條件的差別，轉爐工序能耗一般波動在25～37kgce／t。轉爐工序回收的能量主要有煤氣和蒸汽兩部分構成。轉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。采用回收技術通常可回收能量30～36kgce／t，其中70%為轉爐煤氣，30%為蒸汽，即可實現負能煉鋼[10]。

3 冷床余熱回收利用潛力分析

從20世紀70年代末，發達國家已經意識到提高鋼鐵企業生產效率以及進一步降低能耗的重要性，經過幾十年的不斷地改進和探索，這些技術現在已經相對成熟，開始大范圍推廣。然而至今，作為鋼鐵業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研究幾乎空白。本文以國內某鋼廠無縫鋼管軋制冷卻工序為例，統計分析了可利用的余熱潛力，希望以此為鋼鐵業節能減排新技術的發展拓寬思路。

3.1 車間主要生產概況

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定徑精軋后，進入冷床前后溫度參數見表2。

表2 溫度參數

3.2 冷床余熱分析

根據比熱容原理，冷床上放散的熱量的計算公式如下：

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，故國際上習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》規定，將低位發熱量等于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于8638tce，噸鋼冷床放散熱量為12kgce，約占《工業節能“十二五”規劃》[11]要求鋼鐵業噸鋼綜合能耗目標（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想換熱方案，如圖1所示。冷空氣從冷床出口處下方循環鼓入換熱裝置，隨著與軋制的高溫鋼管逐步換熱，空氣受熱溫度提升，當空氣換熱至冷床入口處時，溫度可達800℃以上，之后高溫熱空氣隨著循環系統送入余熱鍋爐，產生的蒸汽既可以用于發電又可以直接并入廠區蒸汽管網，而經余熱鍋爐換熱后的冷空氣經除塵后再次鼓入冷床換熱系統，從而實現節能減排。

4 結語

對于當前快速發展的鋼鐵工業而言，能源生產面臨難以滿足能源需求，鋼鐵工業耗能占全國總能耗比重歷年來穩中有升，能源對鋼鐵工業發展的約束日益顯著。雖然我國節能減排取得了巨大的進步，但CO2排放仍高于發達國家，在低碳經濟時代，我們有必要加快推廣TRT，CDQ及CCPP等節能技術的應用。

圖1 冷床余熱回收示意

冷床冷卻是鋼鐵工業軋制工序中一個必要環節，其余熱利用潛力巨大，為了順應我國鋼鐵業的快速發展，加快冷床余熱回收應用技術任重道遠。

[1]國務院新聞辦公室.中國能源政策[R].北京：國務院新聞辦公室，2012.

[2]王維興.鋼鐵工業的節能潛力分析[J].冶金能源，2002，21（3）：5～6.

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[6]張 琦，蔡九菊，王建軍，等.鋼鐵廠煤氣資源的回收與利用[J].鋼鐵，2009，12（44）：95～99.

[7]Badr O.Thermodynamic and Thermo－physical Properties of Organic Working Fluids for Rankine Cycle Engines[J].Applied Energy，1985，19（1）：1～40.

[8]羅國名.蓄熱式高溫空氣燃燒技術[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[9]張懷東，李志全，賈文君，等.邯鋼CCPP發電技術的選擇與應用[J].能源研究與應用，2006（6）：38～41.

[10]劉 瀏.我國轉爐“負能煉鋼”的技術現狀和發展[J].鋼鐵，2005（6）：133～137.

[11]工業與信息化部.工業節能“十二五”規劃[R].北京：工業與信息化部，2012.