鋼鐵行業工藝余廢熱梯級綜合利用的供熱系統實例研究

文/李振 郭曉達 孫金鵬 張萌

一、引言

當前，北方城鎮采暖面積達到152 億平方米，相應產生二氧化碳排放5.5 億噸[1]，采暖熱源結構和清潔化程度已成為影響我國煤炭消費、能源消費、溫室氣體排放和大氣污染物排放水平的重要因素。國家“十三五”規劃實施以來，散煤采暖和小燃煤鍋爐等低效高污染的取暖設施基本被淘汰，大中型區域燃煤供熱熱源的環保污染治理措施不斷完善，煤改氣、煤改電工作有序推進，采暖季空氣質量明顯改觀[2]。但北方以煤炭為主要能源的供熱結構尚未得到根本改變，建筑供暖剛性增長與煤炭消費壓減及城鄉建設領域低碳發展的矛盾日益凸顯，實施供熱行業能源結構的轉型，成為迫在眉睫的重大課題。

與此同時，北方城鎮低品位工業余廢熱資源十分豐富，鋼鐵、化工、熱電、有色、建材等行業冬季排放的低品位余熱以各類循環冷卻水、煙氣為主。據測算，如回收上述余熱的20%，可滿足未來北方地區近五分之一采暖面積的供熱需求[3]。工業余廢熱的有效利用，可與既有供熱熱源形成“一網多源、余熱優先”的新型供熱系統，在經濟性和環保性上具備巨大的優勢。

本文以濟南市工程咨詢院開展的某鋼鐵集團節能診斷成果為例，通過調研余熱資源、設計分系統余熱提取方案、構建梯級加熱供熱系統的技術路線，再結合合理利用鋼鐵行業余廢熱實現對外供熱和替代小燃煤供熱鍋爐的具體案例進行了具體分析。經實踐驗證，該余熱利用系統實現了提升企業能效水平、降低民生采暖熱價和區域節能降碳減排壓煤的綜合效果。

二、負荷分析及余熱資源調研

該鋼鐵集團位于A 鎮，向西距A 鎮10 公里內有B 鎮，兩個鎮區現狀采暖熱源的2 臺燃煤鏈條鍋爐將限期關停，因此尋找新的熱源已迫在眉睫。根據熱負荷調研結果，兩個鎮區合計入網面積達140 萬平方米，近期規劃采暖面積合計達200 萬平方米，要求規劃熱源供熱能力不低于90兆瓦。

位于A 鎮的鋼鐵集團下設5個分廠或車間，分別為長流程煉鋼廠、鋼管車間、鍛造車間、造紙廠、燃煤氣/煤自備電廠。從工藝流程來看，主要的生產工序如燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼及鋼管生產、發電等，均有較為集中可用的低品位余熱資源：一是各分廠的產品、廢渣、廢水、廢氣中所蘊含的余熱資源，例如燒結機生產的燒結礦、主排煙煙氣、高爐沖渣水、煉鋼鋼渣、熱風爐煙氣、燒結煙氣、燃氣鍋爐煙氣等；二是相關冷卻系統的冷卻循環水或汽化冷卻所蘊含的余熱資源，如軋鋼加熱爐的汽化冷卻水、煤氣發電的循環冷卻水等；三是焦炭未完全氧化所剩余的化學熱，例如高爐煤氣、轉爐煤氣等，經二次利用轉換為各類煙氣余熱和蒸汽熱量。

經與各車間溝通和測算，從當前余熱利用現狀、外部負荷需求、技術成熟性和經濟合理性等多方面考慮，確定本次近期利用的工業余廢熱包括高爐沖渣水余熱、燒結機主煙氣余熱和全集團低壓蒸汽總管網間歇性排空的蒸汽余熱；隨著供熱需求的增加，遠期可進一步考慮采用吸收式熱泵技術、高背壓技術和熱管換熱技術等，提取自備電廠和各類凝汽式工業汽輪機的循環冷卻水余熱、煉鋼鋼渣余熱、鍋爐煙氣余熱。

三、余熱資源測算和分系統利用方案

1.高爐沖渣水余熱利用方案

高爐煉鐵后產生的大量高溫爐渣通過沖渣水進行冷卻，相應產生70℃左右的沖渣水，此部分低溫余熱具有熱源溫度較低、流量大的特點。企業煉鐵車間設置2 座1080 立方米高爐，采用水沖制箱處理爐渣。經測算，高爐爐渣可利用熱量為42 兆瓦。為充分提取高爐沖渣水熱量，同時考慮沖渣水水質成分復雜的特點，最終采用非接觸式渣水換熱技術的余熱利用方案，即讓高溫渣水進入真空狀態的蒸發器內發生沸騰蒸發產生蒸氣，水蒸汽攜帶潛熱進入冷凝器與采暖熱網水進行換熱，系統原理及技術流程見圖1。

圖1 非接觸式渣水換熱技術流程

2.燒結煙氣余熱利用方案

燒結車間配置2×180 平方米燒結機，可利用余熱包括燒結礦成品顯熱及燒結煙氣顯熱，目前燒結礦成品余熱已通過環冷機余熱鍋爐進行回收，但燒結機尾部大煙道內高溫煙氣余熱尚未回收利用，目前燒結機煙氣處理流程如圖2 所示。

圖2 燒結機頭部主煙氣處理流程

經調研評估，上述流程中可利用的余熱有三處：一是靜電除塵和濕法脫硫之間的煙道，利用煙氣水直接換熱提取煙氣顯熱；二是濕法脫硫后的高濕潛煙氣，可利用噴淋塔和吸收式熱泵技術提取煙氣潛熱；三是脫硝后增壓風機至煙囪之間煙道內的煙氣顯熱。經技術經濟比選，暫不考慮濕法脫硫后的潛熱回收，確定以兩級煙氣-水間接換熱的形式梯級提取脫硝后與脫硫前兩處煙氣的顯熱量。

綜合考慮換熱器及支架安裝要求、煙風系統阻力穩定和技術經濟合理性等因素，考慮在兩臺燒結機主抽風機后至脫硫塔之間的高架煙道處，采用設置煙氣旁路煙道換熱器的方式，提取約50%的煙氣的余熱量，將煙氣由150℃降為120℃后再進脫硫塔。脫硝后煙氣成分較為單一，對換熱盤管沖刷磨損相對較輕，借助接入煙囪前的煙道變徑進行換熱盤管的安裝，使煙氣溫度由100℃降至80℃后排放。最終確定采用采暖熱網水與脫硝后和脫硫前兩級加熱的取熱流程，設計取熱量16 兆瓦。經核算，上述兩級取熱系統在不對煙氣系統整體壓力工況產生影響的前提下，不僅實現了煙氣余熱的有效回收，而且減少了濕法脫硫的耗水量，并對煙氣排放起到了一定的“消白”效果。

3.工藝副產蒸汽綜合利用方案

作為長流程煉鋼企業，燒結、煉鋼、軋鋼、鍛造、鋼管和電廠工序均副產低壓蒸汽，同時鍛造的VOD 爐、高爐除塵、制氧車間和造紙廠等單位消耗蒸汽。診斷過程中，通過對該鋼鐵集團各車間之間低壓蒸汽管網進行梳理和分析，繪制全廠蒸汽管線流程示意圖（見圖3）。通過對各工序蒸汽產供特性和整體平衡的分析，得到整個集團低壓蒸汽供應表（見表1）和使用表（見表2）。

表1 低壓蒸汽供應一覽表

表2 低壓蒸汽使用一覽表

圖3 低壓蒸汽產供流程圖

由表1 和表2 可知，綜合考慮煉鋼和軋鋼并網蒸汽不外供的特點以及在VOD 爐的不運行和運行兩個時段，系統富余小時蒸汽流量分別為54.8 噸和28.2 噸。考慮到靈活調度和統籌保障的需要，本次余熱利用系統設計為向新建汽水換熱首站接入兩路汽源，一路為熱電廠、軋鋼車間及煉鋼車間的供汽母管，另外一路為燒結環冷余熱鍋爐蒸汽母管。由于燒結蒸汽參數較高，設置減溫減壓器后與第一路蒸汽母管連通。最終方案確定為以全廠蒸汽系統放空和未有效利用的部分蒸汽作為熱源，以電廠抽汽為保障的調峰加熱系統。

四、系統整體流程設計方案

在前述確定高爐沖渣水、燒結煙氣和工藝副產蒸汽三個分系統余熱利用方案后，本研究遵循余熱優先、梯級利用、鋼電協同、靈活調度的規劃原則[4]，最終構建起三級梯級加熱的熱源配置和取熱流程系統。

1.最大采暖負荷下的取熱流程

在最大采暖負荷工況下，熱源設計供熱能力達95 兆瓦，設計供/回水溫度85/45℃，設計循環水量2050 立方米/ 小時。采暖回水進廠后分成兩部分：一部分接至沖渣水換熱車間，進入四臺沖渣水直熱機的冷凝器，吸收沖渣水閃蒸汽的熱量后被加熱至65℃；另一部分接至燒結車間，分別接脫硝后煙氣汽水換熱器和脫硫前煙氣汽水換熱器，經兩級余熱回收裝置后加熱至83℃，兩部分回水在汽水換熱首站內混合后溫度為68℃，進入四臺管殼式汽水換熱器，與低壓余熱蒸汽進行換熱，達到85℃設計供水溫度后外供。汽水換熱站首站內同時設置閉式凝結水回水裝置、減溫減壓器和各類循環水泵。最大采暖負荷設計工況如圖4 所示。

圖4 最大負荷設計工況下的取熱流程

當采暖負荷達不到上述設計最大負荷時，可根據外部熱負荷需求和廠內各類余熱產供平衡，適時調節汽水換熱站的蒸汽來源和蒸汽量，優先使用軋鋼、煉鋼線副產蒸汽，從而保證軋鋼與煉鋼原放散蒸汽的有效利用，不足的部分由燒結蒸汽補充。燒結線蒸汽與電廠外供蒸汽實現連網，確保新增燒結蒸汽的有效利用，減少電廠抽汽量，提高發電量。隨著負荷進一步增長，當采暖回水溫度過低時，利用電廠抽汽進行調峰保障，從而實現技術經濟合理和節能降碳的雙重目標。

2.事故工況下的取熱流程

作為承擔區域供暖的熱源，需考慮在事故工況下的供熱保障性。當鋼廠一臺高爐發生故障而停運時，沖渣水余熱減半，僅可提供20 兆瓦的供熱量；相應的對應于停運高爐上游的燒結工序停運一臺燒結機，燒結煙氣脫硝后和脫硫前設置的煙氣-熱水換熱器均僅運行一臺時，供熱能力為8 兆瓦；汽水換熱站4 臺10兆瓦汽水換熱器最大可提供40兆瓦負荷。系統合計供熱能力為68 兆瓦，因此，事故工況下最低供熱保障率可達到72%。

五、效益測算

經測算，項目實施后，由于高爐、燒結兩個車間實現了工藝余廢熱的外供，工序能耗明顯降低，其中高爐工序單位產品能耗降低3.2 千克標準煤/噸，燒結工序單位產品能耗降低1.3 千克標準煤/噸。

經采暖季實際運行測試數據的驗證，改造后的該系統方案可實現利用余廢熱供熱量723700吉焦，與燃煤小鍋爐供熱相比，可實現節能量6173 噸標準煤，減少煤炭消費量43000 噸，減少二氧化碳排放量15000 噸。經濟性分析測算結果表明，由于工業余廢熱產熱成本低，可使外售熱價降低至燃煤小鍋爐熱價的40%，具備明顯的社會和經濟效益。

六、結束語

以煤炭為主的熱源向以工業余廢熱、可再生能源為主的熱源轉變是當前城鄉建設和工業領域實現碳達峰、碳中和目標的迫切要求。在具體工程實踐中，需要應用各類熱交換技術和系統設計理念，充分考慮上游工業生產穩定、中游余廢熱熱源設計和下游熱用戶響應等因素，構建高效、可靠、靈活、低碳的余熱供熱系統。本研究按照余熱優先、梯級利用、統籌保障的原則，給出了高爐沖渣水余熱、燒結機主煙氣余熱和工藝副產蒸汽余熱的利用方案、流程設計和運行調度方法，構建了以鋼鐵企業作為區域供熱熱源中心的低碳供熱模式。在提升工業能源利用效率的同時，可實現全社會節能降碳減排壓煤的綜合效果，具備明顯的環保和社會效益。相關經驗和做法可在鋼鐵、化工、有色、建材等行業進一步推廣，實現行業節能降碳和綠色發展的目標。