余热发电技术在钢铁企业中的应用

余热发电技术在钢铁企业中的应用

顾秀平

(中天钢铁集团有限公司江苏常州213000)

摘要：近几年随着低温余热回收技术迅速发展，钢铁行业的余热回收项目造价大幅度降低，同时余热回收效率大幅提高，特别是双压余热锅炉技术的发展，为钢铁行业余热回收创造了优越的条件。

关键词:钢铁；低温余热；发电

引言

随着我国经济建设的快速发展，资源相对不足的矛盾日益突出，特别是在钢铁生产企业，寻找新的资源或可再生资源、合理利用现有宝贵资源将是确保我国钢铁行业经济可持续发展的关键所在。钢铁行业大力发展和推广的饱和蒸汽低温余热发电技术是遵循国家钢铁产业发展政策，符合当前可持续发展要求、实现循环经济的重要手段，是促进钢铁产业技术升级和结构调整、提高环境保护和资源综合利用水平的有效途径。进入21世纪，钢铁产业需求量趋于过剩阶段，钢铁企业的核心竞争力是提高产品质量和降低生产成本，故采取节能降耗措施以及废气再利用技术是对钢铁行业进行成本单耗降低，资源循环利用，增强产品市场竞争力的重要途径。

一、钢铁行业低温余热分布情况

钢铁企业的余热资源主要存在于烧结、炼铁、炼钢、轧钢等工序中。钢铁企业余热资源大部分以过程余热的形式耗散，具有载体多样、分布分散、衰变快、不可储存、稳定性差、数量和质量差别大、集中回收利用难度大等特点。传统的钢铁行业余热资源受能量品质低、不稳定、用户不匹配等因素的影响，在加上余热回收关键技术研发滞后，所以回收效率很低，经济性差。钢铁企业中各余热载体回收的下限温度是:固体载体500℃，液体载体80℃，气态载体200℃。其可利用的余热主要有:焦化工序中红焦、焦炉烟气和荒煤气的显热。烧结工序中烧结矿、烟气的显热。炼铁工序中高炉渣、高炉煤气以及热风炉的显热。炼钢工序中钢渣、转炉煤气、连铸坯的显热。轧钢工序中加热炉排放烟气的显热等。

二、钢铁企业中低温余热利用技术及其主要设备

热能是一种在不同条件下质量差别很大的能量，余热温度的差异使得质量存在很大的差别。钢铁企业中低温余热利用技术主要有3种:

1)余热发电技术，即利用钢铁企业生产过程中各工序排出的废气余热及冷却机排掉的废气余热发电。主要设备有余热锅炉、蒸汽汽轮发电机和发电机组。以400℃的烟气为例，每收集1万m3的烟气，余热锅炉可产生1t过热蒸汽，利用这些蒸汽推动汽轮机可产生约为200kWh的电力。

2)余热制冷技术，溴化锂吸收式制冷机是以溴化锂溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用水在高真空下蒸发吸热达到制冷的目的。

3)热管技术，多用于预热空气或煤气，回收各种中低温烟气余热。主要设备是热管换热器，一般为钢—水重力式热管。

三、成熟的低温余热发电技术

低温余热发电是低温余热利用的一个重要发展方向，在我国水泥等行业已经有了相当成熟的技术应用。余热发电的基本方法大致分为纯低温余热发电技术和带补燃锅炉余热发电技术2种，其中纯低温余热发电技术已经发展了三代。第一代纯低温余热发电技术是利用水泥窑窑尾预热器排出的350℃以下废气设置1台窑尾预热器余热锅炉;利用水泥窑窑头熟料冷却机排出的400℃以下废气设置1台熟料冷却机废气余热锅炉；2台锅炉连接1台蒸汽轮机、1台发电机。第二代纯低温余热发电技术是利用水泥窑窑尾排出的350℃以下废气设置1台窑尾预热器余热锅炉或同时利用窑尾C2级预热器内筒设置过热器;利用熟料冷却机排出的400℃以下废气设置1台熟料冷却机废气余热锅炉或者通过改变窑头熟料冷却机废气排放方式。利用熟料冷却机排出的部分360℃以下废气设置余热锅炉、利用熟料冷却机排出的部分500℃以下废气设置1台熟料冷却机废气余热过热器;将余热锅炉炉排出的废气部分或全部返回冷却机，窑头熟料冷却机冷却风采用循环风方式；利用2台锅炉或者增设的余热过热器设置补汽式蒸汽轮机和发电系统。第三代纯余热发电技术主要是在第二代技术的基础上进一步优化余热发电热力系统，增加水泥熟料冷却机的高温废气抽风口，并适当安排中温废气抽风口，采用特殊形式的窑头锅炉做到废气余热的梯级利用。

以上三代技术都是基于能量梯级利用的角度提出的。这三代技术都追求用相对较高品位的烟气余热产生较高品质蒸汽，而用相对较低品位的烟气余热产生相应品位的热水或蒸汽。这三代技术的不同点存在于对主蒸汽参数的追求上，第一代技术满足于低压低温蒸汽，第二代、第三代技术追求中压、中温蒸汽，所以系统的复杂程度增大，系统控制要求变高。

对于低温余热发电来说，带补燃锅炉的低温余热发电技术也是一种经常被采用的技术类型。其技术特点是主要采用窑尾预热器的300～350℃废气余热及窑头熟料冷却机的300～400℃废气余热生产高压饱和蒸汽及高温热水，通过补燃锅炉将蒸汽量、压力、温度调整到汽轮机所需要的参数。其次是利用熟料冷却机200℃左右的废气生产饱和蒸汽及120℃左右的热水，为锅炉给水除氧并取代汽轮机回热抽汽，降低汽轮机的发电汽耗率。

四、转炉余热发电工艺

转炉炼钢是钢铁冶炼生产过程中非常重要的工序，在转炉内把铁水炼成钢的过程主要是降碳、升温、脱磷等高温物理化学反应，最后排出大量的CO、CO2等高温废气。转炉工序能耗约占整个钢铁生产中能耗的8%～14%，仅次于炼铁工序，其中45%的能耗以废气的散热形式直接排放到大气中，不仅造成环境的污染，而且浪费了大量的热能资源(转炉排出的废气温度在1400～1600℃)。转炉余热发电技术主要是通过对转炉烟道中排出的余热废气进行再回收利用，通过余热锅炉产生的蒸汽，带动汽轮机系统发电。此项技术不但利用转炉余热，避免能源浪费，为企业创造了较好的经济效益，且在此工序中不产生额外的废气、废渣、粉尘和其他有害气体，是节能环保新技术。转炉蒸汽余热发电系统主要包括汽化冷却余热锅炉、饱和蒸汽汽轮机、发电机三大主体设备及蒸汽蓄热、排气冷却(空冷系统或水冷系统)、给水除氧三大汽水系统，其工艺流程如图1所示。

图1转炉余热发电系统工艺图

转炉在吹炼过程中，产生大量的高温烟气(1300℃以上)，为降低烟气温度、回收高温烟气中的余热，转炉配套设置了烟道式气化冷却余热锅炉。余热锅炉由于受到转炉吹炼时烟气波动的影响，余热锅炉产生的蒸汽量也随之急剧波动。因此，为保证汽轮机进汽流量的连续性和稳定性，设置了蓄热器系统。在吹炼期内，余热锅炉产生的蒸汽被引入蓄热器内，蒸汽将蓄热器内的水加热后并凝结成水，使蓄热器内水焓值升高，这样就完成了低温余热发电技术在钢铁行业的应用。低温余热发电技术的经济性不仅体现在发电供电产生的效益，还有产生了CDM(清洁发展机制项目)效益和环境效益。但目前钢铁企业对余热余能还普遍存在低效回收的情况。当企业燃烧排气的设备数量较多，单台余热量较小，且热源较分散时，可采取按工序区域或余热的品位划分成若干个相对集中的独立电站，所产生的蒸汽通过各自的管网，向发电系统供汽。根据一般钢铁企业厂区布置情况，余热回收可分为炼铁和炼钢两大区域。针对钢铁工业的低温余热品位和煤气资源状况，又可采取饱和蒸汽发电技术或过热蒸汽发电技术。

比如说轧钢加热炉中对出加热炉温度为650～800℃的高温烟气，可以先通过各种换热器预热空气或煤气，换热器后≤400℃较难回收的低温烟气采用低温余热发电技术进一步回收，经过余热锅炉后排入烟囱的温度可降至100℃以下。理论计算表明，在烟气温度为400℃时，每1万m3的烟气具有200kW的发电能力。国内钢铁企业的轧钢加热炉普遍特点是单台加热炉容量偏小，但数量较多，应采用多台加热炉联合发电的方案。这样既可减少由于输汽管路过长，造成的蒸汽压力损失和温降，提高系统循环热效率，又可避免单台小机组重复建设带来的投资效益降低、系统运行不稳定的缺陷。

蓄热器的充热过程，同时供出饱和蒸汽;在非吹炼阶段，余热锅炉不产生蒸汽，调压阀前的压力不断下降，蓄热器中的饱和水降压后迅速闪蒸，饱和水成为过热水，立即沸腾而自然蒸发，产生连续蒸汽，经调压阀调压至0.8～1.3MPa的饱和蒸汽进入汽轮机，在汽轮机内膨胀做功，驱动发电机发电。

五、钢铁低温余热发电难点和研究方向

目前，我国钢铁企业低温余热发电技术已经投产运行的主要有烧结低温余热发电和炼钢转炉饱和蒸汽余热发电。

其中最成熟的技术是应用于烧结工序的低温余热发电。该项技术在日本1979年就有设备成功运行。烧结工序由于其自身工序的特点，存在一些技术难点:漏风率高导致废气温度降低，又要保证进入除尘器前废气温度在露点以上，对用于回收余热的锅炉要求很高，同时烧结工序变工况参数不稳定。因此，要开发余热发电系统的稳定运动调控技术。

这种情况在转炉工序中更加突出，因为转炉是间歇性作业，所以还要增加蓄热室以保证余热连续发电。此外由于转炉汽化冷却烟道为负压运行，炉口会吸入一定量的氧气，当温度低于800℃时，可能会引发爆炸的危险，造成汽化冷却后烟气余热无法回收。

针对上述技术难点以及自身专业和工程经验，应在以下几个方面开展研究工作:

1)钢铁行业低温余热的总体评估。

对钢铁行业的各个工序的余热资源进行汇总整理和整体评估。根据钢铁行业的特点，对于设备数量较多、单台余热量较小，且热源较分散的工序，可采取按工序区域或余热的品位划分成相对集中的独立电站，采用综合发电方案。而对于烧结、转炉等产生大量低温余热的设备，可采取单点发电方案，针对不同的方案评估其低温余热利用的效率。

2)从整体流程出发，分析不同的方案低温余热发电技术的可行性和经济型，并用流程热力学方法对整体流程和附加发电系统分别划分大小2个系统进行分析和对比，评价最合理的方案，指出其节能方向。

3)针对单体设备和各项技术，在已有的研究工作基础上研究提高发电效率的方法。目前，我国对钢铁行业的各个流程原理和节能方向都有深厚的理论基础，在该基础上进一步把流程本身和低温余热发电技术结合起来，研究其最佳的组合方式，以期达到节能减排的最优值。

a.烧结工序低温余热发电。

烧结的余热主要集中在固体物料和烧结烟气中。深入挖掘烧结机理，在此基础上针对余热回收的技术难点进行研究。对加入新的节能技术本身和整个系统进行模拟和对比，提出新的节能点。

b.转炉工序低温余热发电。

目前，普遍采用的炼钢转炉烟气湿法处理工艺和干法处理工艺，能够较好地满足炼钢生产和烟气除尘的需要，但在回收烟气余热方面效率不够高。在现有的基础上，增加转炉汽化冷却烟道的直径，可有效提高烟气在高温段的换热;在烟气的低温段增设换热器或余热锅炉是实现烟气热量彻底回收的必要手段。把这些新的技术与低温余热发电结合起来，综合性地评估转炉炼钢的整体消耗和节能潜力。

c.电炉工序低温余热发电。

电炉也是周期性作业。而且其在国内的个体差异比较大，有的是全废钢冶炼，有的混合冶炼，所以余热量和品位比较复杂。电炉烟气的主要成分为CO，热值较小，一般直接充分燃烧后送入预热系统，达到预热废钢的目的。而换热后的低温余热很少回收。所以要在传统的电炉余热回收的基础上研究余热回收发电方法，提高余热回收效率。

d.加热炉及其他工序低温余热发电。

对各种加热炉的热力学模拟和研究已经非常成熟。在深入分析加热炉的机理的基础上努力提高其工作效率、挖掘其节能潜力。但是对于低温余热回收做的并不够好，这是因为国内冶金企业普遍存在单台加热炉容量偏小，数量较多的特点，余热回收困难。单台发电成本很高，而多台加热炉的联合发电又存在蒸汽管网的压力和温度损失。可通过对单台小容量的发电和集中联合发电方案进行热力学分析，评价各方案的可能性和合理性。

结束语：烧结废气温度较低，大多数企业对此不够重视，且数量较多。利用低温余热产生低品质蒸汽供汽轮机发电，是一种技术可行经济合理的能量回收利用方法，不仅可以为企业自身带来经济效益，而且通过余热锅炉使烟尘沉降，可有效收集烟尘，减少颗粒污染物排放。

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