中小規模鋼廠余熱資源耦合利用解決方案

吳 夢，張 宏，李 磊

（中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471039）

前言

鋼鐵工業是我國能源消耗最大的產業，全國鋼鐵工業年能源消耗超過4 億噸標準煤，占全國總能耗的15%以上［1］。鋼鐵工業制造流程是一個大規模能源循環系統，在構成該系統的工序內部，在各工序之間進行復雜的能量消耗、轉換、再生、輸送，而且鋼鐵聯合流程具有很強的熱管理特征。目前我國生產噸鋼產生的余熱余能資源量約為8～9 GJ，主要分為副產煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢氣廢水余熱。

在中小規模的鋼鐵企業，由于在各個工序生產過程中產生的余熱存在形式不同、分布分散、余熱量小、參數差異大等特點，導致目前存在較多的余熱資源得不到充分利用的問題。這種能源結構也在客觀上造成了我國鋼鐵工業能耗較高、能源利用率較低、污染嚴重。因此探索適合中小規模鋼鐵工業節能減排是我國節能減排工作的重要方面，其節能潛力巨大。

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80 萬t 鋼廠為例，企業目前建設有包括90 m2帶式燒結機1 臺，550 m3高爐1 座，50 t轉爐1座。其生產工序中主要余熱資源及利用方式如下。

1.1 燒結工序

燒結過程余熱資源主要由兩部分組成：一部分是來自于燒結機尾部、溫度為700～800 ℃燒結礦所攜帶的熱量，即燒結礦顯熱。這部分顯熱約占燒結過程余熱資源總量的70%；另一部分來自于燒結機主排大煙管道的燒結煙氣顯熱，這部分約占余熱資源總量的30%。

該企業目前燒結機大煙道余熱煙氣未利用。90 m2帶式燒結機配置的90 m2環冷機，可設置熱風循環系統進行余熱回收。環冷機1/2 段煙罩可回收利用的余熱煙氣參數表1。

表1 燒結機余熱煙氣參數表

1.2 煉鋼工序

轉爐煉鋼是鋼鐵冶煉生產過程中非常重要的工序，在轉爐內把鐵水煉成鋼的過程主要是降碳、升溫、脫磷等高溫物理化學反應，最后排出大量的CO、CO2等高溫廢氣［2］。轉爐工序能耗占整個鋼鐵生產中能耗的8%～14%。

該企業50 t 轉爐已經配套建設轉爐汽化煙道，目前所產蒸汽除部分去后續烘干用，大部分對空排放，余熱資源浪費的同時，造成嚴重的噪聲污染和水資源浪費，轉爐汽化煙道軟水補充系統耗水量巨大。高熱值的轉爐煤氣在經過凈化后也直接送至燃燒塔“點天燈”，造成能源浪費和環境污染。

轉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表

1.3 煉鐵工序

煉鐵工序的余熱余能資源種類比較多，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有回收或很少回收［3］，而熱風爐煙氣顯熱則主要通過換熱器進行回收利用，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能，前者主要通過高爐爐頂TRT 裝置發電進行回收，回收率25.1%。

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

轉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表

2 余熱利用方案

針對鋼鐵生產過程中高、中、低品質余熱種類齊全，缺少高效綜合利用技術的問題，以余熱（余能）利用最充分、發電效率最大化、發電成本最低為目標，以工藝重構、流程節能為技術突破口，進行了工藝優化和系統集成創新，著重解決了多種類、多品質、非連續余熱耦合利用技術及工程關鍵問題，通過采用補汽式汽輪機，實現高低品味蒸汽的分別利用，整個項目僅采用1 臺高溫高壓補汽凝汽式汽輪機組。

通過設置轉爐煤氣柜，存儲并穩定轉爐煤氣流量，將煉鐵工序高爐煤氣和轉爐煤氣送至燃氣鍋爐，采用分層布置燃燒器，通過換熱產生8.83 MPa、540 ℃高溫高壓蒸汽送至汽輪機；燒結環冷機通過設置自除氧余熱回收鍋爐產生0.7 MPa、320 ℃的過熱蒸汽；轉爐汽化煙道產生的飽和蒸汽通過設置蒸汽蓄熱器消除周期波動，可連續產出0.6 MPa、165 ℃飽和蒸汽，將蓄熱器與環冷余熱鍋爐供應的低壓過熱蒸汽并汽后送至汽輪機。汽輪機采用雙壓補汽式。

2.1 工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

通過煤氣摻燒鍋爐利用高爐煤氣及轉爐煤氣產生高參數的蒸汽，提高發電效率，設置補汽式汽輪機，將環冷機余熱產生的低參數蒸汽及轉爐汽化煙道產生的低參數飽和蒸汽合理利用，全廠多種余熱僅配置一臺汽輪發電機組，合理高效耦合利用各種類及各品質余熱資源，簡化系統，便于全廠能源管理。

2.2 系統主要設備選型

主要設備選型及參數見表4。

表4 系統主要設備參數表

2.3 社會經濟效益

按照設計工況計算，系統年運行時間按7 500 h，該系統年發電量為1.65 億kWh，年供電量為1.49億kWh，按照工業電價0.57 元/kWh 計算，每年為公司節約電費為8 493 萬元，經濟效益可觀。另外，通過設置環冷機余熱鍋爐，煙氣內循環，燒結礦冷卻的煙氣不再直接對外排放，燒結礦粉塵污染基本消除，高爐煤氣和轉爐煤氣不再通過放散塔直接燃燒，噪音及熱污染都消除。

3 結語

通過調研分析鋼廠生產工藝，全流程分析生產工藝中能量分布及利用情況，總結全流程余熱利用參數，以余熱（余能）利用最充分，以工藝重構、流程節能為技術突破口，針對鋼廠生產余熱（余能）分布廣、總量大、品位等級多、非連續的特點，進行余熱回收系統工藝重構和發電參數的優化；針對鋼鐵生產過程中高、中、低品質余熱種類齊全，缺少高效綜合利用技術的問題，創新采用了流程節能理念，開發了多工序、多參數余熱耦合發電技術，實現了余熱（余能）資源的最優化利用；并完成鋼廠多源低參數余熱高效耦合利用工藝解決方案。高效地回收利用各類生產工序中產生的余熱，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，對中小規模鋼廠節能減排思路有重要的意義。