工業(yè)余熱兩種利用方式的案例及分析

方麗華

（天津市安居集團(tuán)有限公司 天津 300022）

引言

在“雙碳”目標(biāo)引導(dǎo)下，資源全面節(jié)約已成為社會(huì)各界共識(shí)。其中，能源節(jié)約（尤其是化石能源節(jié)約）成為企業(yè)生產(chǎn)所關(guān)注的重點(diǎn)。在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中，消耗能源的同時(shí)，也排放了大量二氧化碳和其他污染物，余熱便是其中之一。余熱利用起來是資源，排放出去就是熱污染。加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)余熱利用，是實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和污染物減排的有效手段。認(rèn)真分析工業(yè)余熱利用的途徑，并結(jié)合鋼鐵行業(yè)實(shí)際，研究提出針對(duì)不同品味的余熱利用方式，對(duì)推進(jìn)能源資源節(jié)約，減少污染物排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和具有重要意義。

1 工業(yè)余熱利用的方式

目前，我國(guó)工業(yè)余熱熱量接近72 億GJ[1]，主要集中在鋼鐵、電力、建材、化工等行業(yè)。但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)企業(yè)能耗會(huì)逐漸下降，余熱量也會(huì)隨之降低，預(yù)計(jì)到2050年仍將有接近39 億GJ 的余熱量[1]，工業(yè)余熱利用將在一定時(shí)期內(nèi)持續(xù)推進(jìn)。目前，工業(yè)余熱的利用方式主要有動(dòng)能利用和熱能利用2 種[2]。動(dòng)能利用，即將熱能轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能[2]，如熱能轉(zhuǎn)換及燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）、余熱蒸汽發(fā)電等，也包括將熱能和勢(shì)能聯(lián)合使用，如TRT 就是利用高爐煤氣在高溫下產(chǎn)生的巨大壓力，推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。熱利用也有2 種，即一是在企業(yè)生產(chǎn)工藝中通過預(yù)熱、干燥等途徑進(jìn)行利用，二是通過向生活領(lǐng)域通過供熱、供暖等方式加以利用。

結(jié)合余熱品味的高低，在工業(yè)余熱利用的“熱利用”上，優(yōu)先選擇在生產(chǎn)工藝中利用，其次再選擇對(duì)外輸出，這樣在生產(chǎn)工藝中使用就具有時(shí)間上、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)上的雙重穩(wěn)定性。而對(duì)外供熱具有季節(jié)性，且生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱相對(duì)于供熱需要的熱能來說屬于高品位熱能，將高品位熱能轉(zhuǎn)化為低品位熱能來使用，本身就是對(duì)能源的浪費(fèi)。但隨著企業(yè)控成本和社會(huì)責(zé)任意識(shí)的提升、技術(shù)的迭代進(jìn)步，高品位余熱利用日益充分，而部分品味較低余熱由于在生產(chǎn)工藝上利用成本很高，如果放棄則又會(huì)產(chǎn)生能源浪費(fèi)，因此將工業(yè)余熱用于供熱是當(dāng)下的最優(yōu)選擇。

聚焦北方供熱，近年來北方供熱熱量消耗持續(xù)增長(zhǎng)，北方采暖地區(qū)2019 年底的城鎮(zhèn)建筑面積達(dá)到137 億m2，總熱量25 億GJ 左右，其中45%的熱量由煤炭、燃?xì)忮仩t提供，僅供熱直接消耗的化石能源年排放 CO2近10 億t。因此，考慮到未來人口發(fā)展，預(yù)計(jì)到2050 年，我國(guó)供暖區(qū)域居民建筑面積將達(dá)到200 多億m2，供熱熱量總需求將達(dá)到37 億GJ 左右[1]。而對(duì)上文所述的39 億GJ 的工業(yè)余熱量的充分利用，也將大大降低供熱對(duì)化石能源的直接消耗。本文以鋼鐵行業(yè)燒結(jié)工序余熱在生產(chǎn)工藝中利用、煉鋼工序余熱在生活供暖中應(yīng)用為例，簡(jiǎn)要介紹鋼鐵行業(yè)余熱“熱利用”的2 種途徑。

2 燒結(jié)機(jī)余熱利用改造內(nèi)容及技術(shù)方案

在鋼鐵企業(yè)的整個(gè)工藝流程中，燒結(jié)工序所要消耗的能源占總能耗的15%左右，也產(chǎn)生了鋼鐵企業(yè)20%左右的余熱。

2.1 燒結(jié)機(jī)概況及其余熱利用情況

2.1.1 燒結(jié)機(jī)概況

以規(guī)模為110m2燒結(jié)機(jī)為例，其設(shè)計(jì)作業(yè)率95%，利用系數(shù)為1.25t/（m2·h），每年可生產(chǎn)燒結(jié)礦110萬t，滿足高爐78%的燒結(jié)熟料需求。燒結(jié)機(jī)配套140m2鼓風(fēng)環(huán)冷機(jī)，環(huán)冷機(jī)配套設(shè)置4 組20個(gè)風(fēng)箱，每組風(fēng)箱由1 臺(tái)風(fēng)量為20100m3/h、風(fēng)壓4000Pa 的鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)。燒結(jié)車間實(shí)行365d 人歇機(jī)不歇的連續(xù)工作制，燒結(jié)機(jī)每年工作330d，4 班/d 運(yùn)行，每班6h，日作業(yè)率為90%。

2.1.2 余熱利用情況

在燒結(jié)產(chǎn)生過程中，需要對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行強(qiáng)制制冷，冷卻過程產(chǎn)生的廢氣帶走了大量顯熱，約占燒結(jié)耗熱量的30%，對(duì)此部分余熱進(jìn)行回收利用將產(chǎn)生很高的節(jié)能效益。改造前，主要通過熱風(fēng)燒結(jié)和預(yù)熱煤氣2 種方式，對(duì)環(huán)冷機(jī)I 段的高溫（310～370℃）煙氣加以利用，對(duì)II 段溫度相對(duì)較低（210～250℃）的煙氣直接排空，造成能源浪費(fèi)。

2.2 余熱回收利用的改造思路和內(nèi)容

2.2.1 改造思路

通過加強(qiáng)風(fēng)箱、煙道等密封減少煙氣泄露，通過余熱鍋爐高溫?fù)Q熱器對(duì)I 段煙氣余熱加以利用，通過余熱鍋爐低溫?fù)Q熱器對(duì)II 段煙氣余熱加以利用，同時(shí)通過除塵等方式增加煙氣純凈度，減少設(shè)備損壞。

2.2.2 改造內(nèi)容

對(duì)環(huán)冷機(jī)上部密封罩、下部進(jìn)風(fēng)箱、進(jìn)風(fēng)管道和煙道等全面檢修，并對(duì)密封罩和管道加裝絕熱材料，減少煙氣泄露和熱量損失。新建重力除塵器，將I 段的高溫?zé)煔獬龎m后送入余熱鍋爐高溫?fù)Q熱器換熱，將II 段的低溫?zé)煔馑腿胗酂徨仩t低溫?fù)Q熱器換熱，確保換熱后的排氣溫度小于120℃。

2.3 余熱改造工藝技術(shù)方案

余熱利用項(xiàng)目采用封閉式風(fēng)量全循環(huán)工藝，即煙氣在此工藝中經(jīng)過“環(huán)冷吸熱-余熱鍋爐放熱-環(huán)冷機(jī)風(fēng)箱-環(huán)冷再吸熱”密閉循環(huán)，煙氣無需外排，減少煙氣排放所需環(huán)保設(shè)施的投入和能耗，循環(huán)系統(tǒng)只需通過增加少量空氣對(duì)泄露的煙氣進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步降低了電機(jī)風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備能耗。而增加除塵環(huán)節(jié)可降低煙氣對(duì)循環(huán)管道、循環(huán)風(fēng)機(jī)葉片、余熱鍋爐換熱器的磨損，有利于燒結(jié)工序各個(gè)設(shè)施保持正常工況運(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保效益。余熱回收工藝系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 余熱回收工藝系統(tǒng)圖

2.3.1 余熱回收利用系統(tǒng)的構(gòu)成

燒結(jié)余熱回收利用系統(tǒng)主要由余熱收集換熱系統(tǒng)、煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)2 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，在余熱收集換熱系統(tǒng)中，廢氣經(jīng)管道、除塵等通道由環(huán)冷機(jī)進(jìn)入到余熱鍋爐，在余熱鍋爐換熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換。在煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)中，煙氣可通過煙氣管道、風(fēng)管、風(fēng)箱等通道由余熱鍋爐進(jìn)入環(huán)冷機(jī)，對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻。燒結(jié)余熱回收利用系統(tǒng)可通過2 個(gè)子系統(tǒng)的無縫銜接，實(shí)現(xiàn)煙氣零排放。

2.3.1.1 余熱收集換熱系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)正常運(yùn)行和I 段、II 段不同溫度的余熱均被充分利用，要做好2 個(gè)區(qū)段隔離和切換功能設(shè)計(jì)。改造的主要內(nèi)容為3 個(gè)方面，即①密封煙罩隔離，將密封煙罩分成2 個(gè)獨(dú)立空間，每個(gè)獨(dú)立空間配備放散管，為保燒結(jié)機(jī)運(yùn)行情況不受余熱鍋爐影響，在放散管上加裝三通管，煙氣流向通過蝶閥控制，余熱鍋爐正常工作時(shí)，放散管關(guān)閉、鍋爐流通管打開，煙氣通過流通管進(jìn)入余熱鍋爐；余熱鍋爐因?yàn)闄z修等原因停運(yùn)時(shí)，鍋爐流通管關(guān)閉、放散管打開，同時(shí)啟動(dòng)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)，保證燒結(jié)機(jī)正常運(yùn)行。②煙氣管的聯(lián)通和切換，將I 段、II 段的煙氣管道連通，為根據(jù)煙氣溫度壓力等參數(shù)靈活調(diào)節(jié)余熱鍋爐余熱鍋爐各段進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)溫度，在連通管上加裝蝶閥，對(duì)鍋爐進(jìn)風(fēng)進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，以確保余熱鍋爐在最佳工況下運(yùn)行，從而提升余熱利用效率。③配套管道優(yōu)化改造，為提高高溫?zé)煔庥酂崂眯剩脑旌驣 段高溫?zé)煔獾闹饕飨驗(yàn)椤俺龎m器除塵-余熱鍋爐高溫?zé)煔膺M(jìn)風(fēng)口-過熱器-蒸汽發(fā)生器-省煤器-循環(huán)利用管道”，此部分改造的主要內(nèi)容為連接上述各個(gè)部分的管道。

2.3.1.2 煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)

煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)和原鼓風(fēng)系統(tǒng)在燒結(jié)環(huán)冷機(jī)處具有相互替代功能，在余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)使用煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)，在余熱鍋爐停用時(shí)使用原鼓風(fēng)系統(tǒng)。煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容為在余熱鍋爐附近加裝循環(huán)風(fēng)機(jī)，在燒結(jié)環(huán)冷機(jī)風(fēng)管處設(shè)置三通管將煙氣接入送風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)在原鼓風(fēng)管道和煙氣循環(huán)管道分別加裝蝶閥，以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)和循環(huán)煙氣自由切換的目的。

2.3.2 主要設(shè)備

余熱回收利用系統(tǒng)主要設(shè)備包括低溫余熱鍋爐、給水泵、除氧器、擴(kuò)容器等（主要參數(shù)見表1），以及循環(huán)風(fēng)機(jī)（主要參數(shù)見表2）。

表1 余熱鍋爐參數(shù)表

表2 循環(huán)風(fēng)機(jī)參數(shù)表

2.4 燒結(jié)機(jī)余熱回收利用效益分析

2.4.1 燒結(jié)機(jī)余熱回收利用經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目通過環(huán)冷機(jī)I、II 段高溫?zé)煔饣厥沼酂?，年產(chǎn)蒸汽量可達(dá)105000t/a，實(shí)現(xiàn)節(jié)能收益1890 萬元。同時(shí)，燒結(jié)余熱回收系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)后每年將節(jié)約電費(fèi)約820 萬元、運(yùn)行軟水費(fèi)用254萬元，壓縮空氣費(fèi)1 萬元，循環(huán)冷卻水費(fèi)2 萬元。項(xiàng)目投入運(yùn)行后，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益1077 萬元。

2.4.2 燒結(jié)機(jī)余熱回收利用產(chǎn)生的社會(huì)效益

燒結(jié)機(jī)余熱回收系統(tǒng)投入運(yùn)行后，年產(chǎn)蒸汽量達(dá)105000t/a。按照35t/h 燃煤鍋爐的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)1t 蒸汽需要消耗150kg 動(dòng)力煤，燒結(jié)環(huán)冷余熱利用項(xiàng)目可減少燃煤消耗量15750t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤11250t。按照標(biāo)準(zhǔn)煤成分分析，含量硫占1%、灰分量約為20%。按照式量守恒，1t 的C 燃燒后產(chǎn)生2.841tCO2。整合項(xiàng)目運(yùn)行后可有效降低溫室氣體等污染物排放，詳見表3。

表3 工程節(jié)煤量及污染物減排量情況表

3 利用煉鋼余熱進(jìn)行供熱

3.1 余熱供熱面臨的主要問題和解決思路

利用工業(yè)余熱供暖，面臨的主要問題是供暖面積、供暖所需熱量的相對(duì)穩(wěn)定性與生產(chǎn)端余熱產(chǎn)生量變化性之間的矛盾，在余熱產(chǎn)生量遠(yuǎn)大于供熱需求量的時(shí)候，這種矛盾并不明顯，但也存在余熱利用不充分的問題，而在余熱產(chǎn)生量與供暖需求量緊平衡的時(shí)候，如果出現(xiàn)生產(chǎn)不穩(wěn)定，將對(duì)居民生活產(chǎn)生較大影響。針對(duì)上述問題，提出運(yùn)用系統(tǒng)思維，整合整個(gè)廠區(qū)或工業(yè)園區(qū)的余熱，進(jìn)行集中供暖，以達(dá)到增強(qiáng)調(diào)節(jié)能力，維持系統(tǒng)平衡的思路。

3.2 整合前企業(yè)余熱供暖情況

以某鋼鐵廠電爐余熱供暖為例，簡(jiǎn)單介紹余熱整合思路和路徑。該鋼鐵廠一共有150t、100t、100t 的電爐3 座，分別對(duì)應(yīng)A、B、C 這3個(gè)廠區(qū)。A 區(qū)以150t 電爐余熱為熱源，通過循環(huán)水換熱，建立1 套余熱供暖系統(tǒng)，對(duì)A 區(qū)的12萬m2區(qū)域進(jìn)行供熱，但其在正常生產(chǎn)的情況供熱能力能夠達(dá)到16 萬m2，余熱未能實(shí)現(xiàn)充分利用。B 區(qū)和C 區(qū)由于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的原因，2 座電爐多數(shù)時(shí)候采用“1 運(yùn)1 備”的形式進(jìn)行生產(chǎn)，改造前B 區(qū)建有1 套余熱供暖系統(tǒng)，可以為4.1 萬m2的區(qū)域進(jìn)行供暖，C 區(qū)沒有余熱供暖系統(tǒng)，導(dǎo)致當(dāng)C 區(qū)電爐運(yùn)行、B 區(qū)電爐停運(yùn)時(shí)，C 區(qū)余熱沒法被利用、而B 用戶需要從蒸汽等高品位熱能中通過汽水換熱的方式來獲得供暖，造成大量的能源浪費(fèi)。

3.3 整合利用的方案設(shè)計(jì)

利用A 區(qū)富余的4 萬m2的供熱能力，新增通過蒸汽供熱的食堂、辦公樓、浴室、變電站、調(diào)度樓、計(jì)控地泵房等區(qū)域，新增區(qū)域供熱面積達(dá)1.2 萬m2。將C 區(qū)的電爐循環(huán)水接入B 區(qū)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水互聯(lián)互通，在穩(wěn)定運(yùn)行（1 運(yùn)1 備）的情況下，可實(shí)現(xiàn)供熱能力15 萬m2。而對(duì)富余的10 余萬m2的供熱能力，通過替代周邊小型供熱站的形式加以利用，將供熱面積擴(kuò)大至14.5 萬m2。同時(shí)，將A 區(qū)與B 區(qū)、C 區(qū)電爐循環(huán)水系統(tǒng)雙向聯(lián)通，正常運(yùn)行時(shí)通過閥門將A 區(qū)與B 區(qū)、C 區(qū)斷開，緊急情況可實(shí)現(xiàn)互通有無。

3.4 整合后的熱平衡計(jì)算

供熱量計(jì)算見式（1）。經(jīng)計(jì)算，A 區(qū)余熱供暖熱平衡見表4，B 區(qū)、C 區(qū)余熱供暖熱平衡見表5。

表4 A 區(qū)余熱供暖熱平衡

表5 B 區(qū)、C 區(qū)余熱供暖熱平衡

式中c—水的比熱容，4200J/(kg.℃)；qm—質(zhì)量流量，kg/s；?t-供回水溫度差，℃。

3.5 整合后節(jié)約蒸汽量計(jì)算

換熱器的熱效率按η=0.9 計(jì)算，供熱能耗按50W/m2計(jì)算，熱負(fù)荷（kg/s）=質(zhì)量流量/3.6。通過測(cè)算，采暖季該鋼鐵廠可節(jié)約蒸汽量14.5t/h。

3.6 整合效益分析

在經(jīng)濟(jì)效益方面，整合改造項(xiàng)目增加了供暖面積12 萬m2，每個(gè)采暖季可以節(jié)約14.5t/h 蒸汽，按每噸蒸汽55 萬元計(jì)算，年節(jié)能效益約800 萬元。社會(huì)效益方面，每年采暖季可節(jié)約蒸汽耗量41760t。按照燃燒150kg 動(dòng)力煤可產(chǎn)生1t 蒸汽計(jì)算，該整合項(xiàng)目每年可以減少煤炭消耗6264t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4474t。按照標(biāo)準(zhǔn)煤成分分析，含量硫占1%、灰分量約為20%。按照式量守恒，1t的C 燃燒后產(chǎn)生2.841tCO2。整合項(xiàng)目運(yùn)行后可有效降低溫室氣體等污染物排放，詳見表6。

表6 項(xiàng)目節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量及污染物減排情況

結(jié)語

本文通過對(duì)工業(yè)余熱利用方式、北方供暖與工業(yè)余熱的銜接、燒結(jié)工序余熱工藝化利用、煉鋼工序余熱生活化利用等方面的分析，得出對(duì)燒結(jié)工序余熱利用需在環(huán)冷機(jī)I 段的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐前增設(shè)重力除塵器，讓環(huán)冷機(jī)I、II 段高溫經(jīng)余熱鍋爐后全部返回環(huán)冷機(jī)I、II 段風(fēng)箱，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)煙氣系統(tǒng)全循環(huán)且無煙氣集中外排；對(duì)煉鋼工序余熱利用需要運(yùn)用系統(tǒng)思維，整合整個(gè)廠區(qū)余熱資源，并在余熱盡可能充分利用的前提下實(shí)現(xiàn)供需穩(wěn)定。其實(shí)，余熱還有很多利用方式，隨著全面節(jié)約資源戰(zhàn)略的指引，余熱利用將越來越充分，因此余熱利用是一個(gè)值得持續(xù)關(guān)注的領(lǐng)域。