有色冶金行業廢氣余熱回收利用技術及研究展望

李益 李行

（湖南華電長沙發電有限公司，湖南 長沙 410000）

有色冶金行業廢氣余熱回收利用技術及研究展望

李益 李行

（湖南華電長沙發電有限公司，湖南 長沙 410000）

節能減排是經濟社會發展的長期戰略方針,回收余熱對實現節能減排戰略意義重大。廢氣在余熱資源中占很大比重，在介紹廢氣余熱回收利用設備及不同爐型廢氣余熱的利用方式基礎上，提出廢氣余熱利用技術的相關進展,為科學合理利用余熱資源提供借鑒。

有色冶金；廢氣余熱；回收利用

我國能源消費量逐年增長，成為僅次于美國的第二大能源消費國，其中工業能源消費量已超過總消費量70%，環境污染、資源和能源短缺成為經濟增長的“瓶頸”。余熱屬二次能源，分高溫煙氣余熱、高溫爐渣余熱、高溫蒸汽余熱、冷卻介質余熱、可燃廢氣余熱等。在各種工業爐窯能量支出中，廢氣余熱約占15%～35%。近年來，我國余熱利用方面技術有了很大進步，但與世界先進水平相比還有差距。大多數有色冶金企業的能源消耗都比較大，占全國能源消耗的10%，占工業部門能源消耗的15%。能源價格攀升成為有色冶金企業的新挑戰，節能降耗應作為有色冶金企業的長期戰略任務[1]。

1 廢氣余熱回收利用概述

1.1 余熱回收利用現狀

中國能源利用率僅為30%，大部分余熱未經利用直接排放。目前回收利用的余熱主要是高溫煙氣和生產過程中排放的可燃氣，中低溫余熱回收利用量極少。相對于高品位能源來說，低品位余熱能量低，利用難度大，有效利用低品位余熱是產能和用能的關鍵。低品位余熱回收利用普遍采用水冷介質，受水資源、運輸、地域等因素制約，難以推廣應用。以色列低溫余熱發電技術在全球處于領先地位，日本、美國、俄羅斯也進行了大量研究，并開發了有機朗肯循環余熱鍋爐發電系統等。上世紀末，美國Recurrent工程公司開發Kalina系統的工業廢熱回收發電系統已在少數鋼鐵廠和化工廠進行中試。我國少數高校和科研院所也進行了相關研究，并取得成果[1-2]。

1.2 余熱回收利用原則

生產蒸汽的余熱回收設備有余熱鍋爐和汽化冷卻裝置等。余熱鍋爐屬低溫爐，在高溫爐后直接安裝效果并不理想，在選用回收利用設備過程中應充分考慮企業余熱的種類、介質溫度、數量及利用可行性。總原則就是要將回收的余熱優先用于自身系統能耗設備，減少一次能源消耗量，且高溫余熱必須盡可能地用于有高溫需求的工藝設備，減少能量轉換次數，同時要有相應的安保措施，在發生事故時不影響本體的正常生產[2]。

1.3 余熱回收利用設備

有色冶金企業廢氣余熱回收利用設備有輻射式換熱器、管式換熱器、片狀管換熱器、熱管換熱器、余熱鍋爐、余熱鍋爐-汽輪機發電裝置等。輻射式換熱器是使用較廣的換熱器，多用在均熱爐或加熱爐上，助燃效果較好，溫度效率超過40%，不過其熱回收率僅為30%左右。管式換熱器約被40%的鋼鐵企業所采用，其熱回收率平均在26%～30%。片狀管換熱器在聯合企業及中小企業中采用得較多，其熱回收率平均為28%～35%。熱管換熱器在中小企業應用較為廣泛，主要用于預熱空氣或煤氣，回收熱風爐的煙氣余熱，熱回收率超過50%。余熱鍋爐在聯合企業應用比較多，主要用于平爐，回收的熱量中70%用于企業生產。通過電力回收余熱是目前最好的利用方式，但余熱鍋爐-汽輪機發電裝置受限于動力設備運轉連續性及電力并網等因素[3]。

2 各種廢氣的利用方式

2.1 燒結廢氣

鋼鐵企業燒結工序的能耗份額占總能耗份額的10%左右，僅次于煉鐵工序。燒結總能耗中大部分熱能以煙氣或冷卻機廢氣顯熱形式排入周圍環境。由于燒結廢氣的溫度不高，余熱回收裝置的投資較大，要根據全廠蒸汽需求分析是否對燒結廢氣進行回收。在冷卻機廢氣回收中，其中溫部分技術比較成熟，而低溫部分由于熱效率低，應用的很少。

2.2 高爐煤氣

我國在高爐煤氣回收利用方面做了大量研究，但目前放散率仍比較高。大部分企業在放散高爐煤氣的同時使用高價油和優質煤，既浪費了能源，又污染了環境，而且生產成本增加。高爐煤氣的超低熱值是限制其推廣使用的主要原因。為解決此難題可在熱風爐煙道中安裝換熱器以預熱助燃空氣及高爐煤氣，此外還可進行富氧燃燒。

2.3 轉爐煤氣

轉爐生產呈周期性，排出的煙氣余熱也不是連續的，轉爐余熱鍋爐也只能間斷生產蒸汽。為改變不連續供氣，可在供氣系統中設蒸汽蓄熱器，鍋爐熱效率可提高5%左右。由于轉爐煤氣中CO的含量高達70%，在回收過程中存在不安全性，且其不連續性導致事故頻率增加，回收利用難度增大，因此必須掌握轉爐煤氣的特性和生產規律并采取相應的措施以確保安全。

2.4 電爐煙氣

回收利用電爐煙氣的裝置主要有余熱鍋爐和廢鋼預熱器。余熱鍋爐回收的熱能大約為廢鋼預熱器回收熱能的2.5倍，但預熱廢鋼回收的熱能中可用能較多、能級較高。從主體設備的生產工藝來看，預熱廢鋼方式也比較好[4]。

2.5 軋鋼加熱爐煙氣

在我國現有技術水平下，排入煙囪的最佳煙溫為150～180℃，發達國家可使排入煙囪的煙溫小于100℃。軋鋼加熱爐煙氣余熱應該隨煙溫由高到低逐級回收利用。可以通過使用密封性能、保溫性能較好的輕型地上煙道和多行程優化排列翅片以及插入件強化傳熱的金屬換熱器以提高煙氣利用率，還可以采用絕熱性能良好的熱回收管路等[3]。

3 廢氣余熱回收利用展望

3.1 余熱發電系統優化

余熱發電系統的優化可以從以下幾個方面進行：一是研究余熱系統熱工參數對系統的影響。二是發展高效除塵技術，減少入爐粉塵量。三是優化余熱鍋爐結構，合理布置受熱面。四是研究新式密封機構降低鍋爐漏氣產生的熱損失。五是優化汽輪機變工況適應能力以優化控制系統。

3.2 新工質循環余熱發電

余熱發電均為中低溫參數，若以水為工質的朗肯循環，用低品位熱能汽輪機發電機組回收利用余熱，其循環效率低，系統復雜，而以有機工質朗肯循環（ORC）和氨水混合物為工質的Kalina循環系統能更高效地利用余熱資源[5]。

3.3 螺桿膨脹動力機應用

有色冶金行業有許多用氣設備，消耗大量低壓蒸汽，大部分通過在系統中設減溫、減壓裝置獲得低溫低壓蒸汽，造成熱能的巨大浪費。螺桿膨脹動力機是一種回收低壓飽和蒸汽余熱的源動機，可用于驅動風機和發電機等，有效解決了低品味余熱難以回收利用的難題。

3.4 合同能源管理的應用

對于鍋爐設備的升級改造，供熱企業受限于資金和技術等因素，從而進程較為緩慢。合同能源管理模式可以很好地利用各方面生產要素，充分整合社會資源，加快原有鍋爐設備的升級改造，實現供熱企業通過節能降耗有效控制成本的目標[6-7]。

4 結語

國家逐步加大節能減排資金的投入力度，在工業窯爐余熱發電方面，通過科研工作者們的不懈努力，純低溫余熱發電技術越來越成熟，尤其是補汽式汽輪機的研制成功，使得我國余熱發電技術總體水平已接近歐美發達國家。

[1]李海燕.低品位余熱利用技術的研究現狀、困境和新策略[N].科技導報，2010，28（17）：112-115.

[2]趙欽新.我國余熱利用現狀與技術進展[J].工業鍋爐，2009（5）：8-10.

[3]萬航.鐵合金生產中的節能——余熱利用[J].甘肅冶金，2009（3）：13-14.

[4]程竹靜.我國現代電爐余熱回收的發展趨勢[N].世界金屬導報，2010（2）：23-24.

[5]尹剛.低溫余熱發電技術的特點和發展趨勢探討[J].電工文摘，2012（4）：63-66.

[6]賀濤.鍋爐系統煙氣余熱利用技術研究[J].機械管理開發，2012（4）：47-48.

[7]胡曉冬.合同能源管理在鍋爐煙氣余熱利用中的應用[J].區域供熱，2013（6）：85-87.

TM 6

A

1671-0037（2014）04-26-1.5

李益（1983-），男，本科，研究方向：電廠運行與維護管理。

李行（1985-），男，本科，研究方向：電廠的自動化運行與管理。