钢铁企业余热资源回收利用技术现状综述

引言

在《工业绿色发展规划》逐渐深入落实的时代背景下, 节能减排已成为国家的重大决策之一,各地工业企业积极 推行低碳化发展,探寻能源损耗最小的发展路径。 钢铁企业面临着来自资源、环境的挑战,现已进入转型升级的重要时期。 然而,在钢铁制造工艺流程中,仅有30%～50%的能量得到有效利用[2],剩余大量能量则以余热形式存在, 回收潜力巨大。 实现余热资源的高效回收利用,降低企业的能源成本是钢铁企业在研究中需考虑的重大问题。

目前,钢铁企业余热资源广泛分布于各工序生产过程 中,余热资源丰富且回收利用技术多样。 因此,本文从焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等钢铁生产工序出发,对我国钢铁企业余热资源的主要回收利用技术进行综述,为钢铁企 业余热回收利用技术发展提供参考。

钢铁企业余热资源分布与利用现状概述

111 钢铁企业各生产工序余热资源状况

我国钢铁企业90%是以高炉—转炉为主的长流程企 业[2],生产流程一般包括炼铁、炼钢、轧钢、烧结、焦化等工序。 钢铁生产流程中各工序能耗不尽相同,其中炼铁工序的能耗比重最大, 约占整个钢铁生产流程总能耗的59%。 各生产工序能耗占总能耗百分比如图2所示。

图1 钢铁生产各工序能耗占总能耗百分比[.]

在各生产工序中,炼铁工序的能源利用效率最高,约达89.2%:烧结工序的能源利用效率最低,仅有约25.3%[4]。

1.2钢铁企业余热资源回收利用现状

我国钢铁企业余热资源的回收利用目前仍存在一些问题,具有较大的发展潜力。

在炼铁工序中,现有高炉渣余热回收技术可分为通过 介质交换热量和与化学反应结合以吸收余热,对于显热处 理有提高余热回收率和促进高附加值产品生产两种偏向, 但仍然没有相关成熟技术可以兼顾两者:炼钢烟气余热回 收量少,且能级损失很大,大部分高温烟气仍未得到有效 回收利用:轧钢工序中加热炉烟气排放量大、排烟温度较高、余热利用率低:烧结工序的烧结矿的高温余热基本没有回收利用,仅中低温部分的余热得到有效利用:焦化工 序副产煤气利用率偏低,同时还存在大气污染和难以处理 的固体废弃物排放量高等问题。

各工序余热回收利用技术应用现状

炼铁工序余热回收利用

钢铁生产流程中会产生大量余热,此外还伴有烟(煤） 气、高炉渣、冷却水等物质的产生。 其中炼铁工序高炉渣显热约占30%的余热资源,且回收率较低。 现有余热回收利用方法可分为物理回收方法和化学回收方法两大类。

物理回收方法

炼铁过程中产生大量高炉渣,且其出炉温度高,含有 巨大的物理潜热。 因此,现有许多物理回收方法对其进行余热回收以获取经济效益。 钢铁企业中常用的物理余热回收利用方法主要有风淬法、水淬法、旋转杯粒化法、双鼓法、甲烷水蒸气法和冶金熔渣射流干法粒化。

(2）风淬法:首先将高温熔渣粉碎,这个过程需利用高速空气对其冲击,使用多段流化床回收粉碎后的渣粒,获 取高温热风或用于发电,这个过程回收了余热的同时也生 产了高附加值的产品,这些炉渣产品可用于水泥生产等[5], 提高了经济效益。

(2）水淬法:水淬法主要包括底滤法、因巴法、明特克法、拉萨法、图拉法5种[5-6],将冷却水喷洒在破碎的高温炉渣上实现热量转移,冷却水吸收高温炉渣的部分热量蒸 发成为中压蒸汽,蒸汽被收集进入蒸汽系统从而得以被利用[7]。

(3）旋转杯粒化法:利用高速旋转的多孔旋转杯所带来的离心力,熔渣被甩出粒化,甩出过程中冷空气与高温 粒渣相遇升温,回收高温空气对高温渣粒进行余热回收[5]。

（4）双鼓法:双鼓法余热回收设备中转鼓内部填充低 沸点流动介质,转鼓具有良好的导热性,液态炉渣倒入转 鼓,由炉渣向下重力和转鼓向上转力两合力调节转速,转 动过程中,高温炉渣热量传导至转鼓内流动介质,升温后 介质导出实现炉渣余热回收[5]。

(5）甲烷水蒸气法:高炉熔渣粒化过程中的显热用于化学反应,被甲烷和水蒸气的吸热反应吸收,并且生成了 H2和Co等物质,将余热转变为化学能。

（6）冶金熔渣射流干法粒化:张衍国提出以水为载体,

通过高速射流冲击的方式粒化熔融渣,再辅以流化床和移 动床的梯级热能回收技术可实现高热回收率,这种方法耗 水量小、污染少且具有很高的安全性[8]。

化学回收方法

钢铁企业中常用的高炉渣显热化学回收利用方法主要有高炉渣生产渣棉、高炉渣制备微晶玻璃、利用高炉渣显热制煤气技术、化学粒化工艺。

（1）高炉渣生产渣棉:首先在高温状态下往高炉渣中 加入配置好的混合料,如铁尾矿、废石等,待其融化,将压缩空气或蒸汽作为工具,安装在高炉渣沟末端的喷嘴处, 利用酸性尾矿和废石作为调质剂,这些预先配置好的混合 料将被高压气体喷吹成为丝状,从而形成了具有高附加值 的渣棉纤维。 这一方法回收了大量废弃材料和余热资源, 有利于环境保护[9]。

(2）高炉渣制备微晶玻璃:有部分研究表明,可将高炉渣作为原料,用于制备高附加值的微晶玻璃,利于提高高 炉渣利用率。 许莹等[10]通过熔融法制备微晶玻璃:樊涌等[11]利用污泥焚烧灰渣和高炉渣以特定配比混合,通过在高温熔融炉中加热等方式制备出冶金渣微晶玻璃:程向 前[12]研究将高炉渣作为陶瓷的助烧结剂,降低了烧结温度且改善了陶瓷的材料性能:国外部分学者利用钢铁炉渣制 造富Cao的微晶玻璃、透明和彩色玻璃陶瓷等。 回收高炉渣制备高附加值的陶瓷产品的同时,又间接利用了炉渣的 显热。

(3）利用高炉渣显热制煤气技术:刘宏雄等提出在高炉渣粒化的过程中,会释放出大量热量,用以确保煤的气 化过程温度,放出热能转化为煤气化所需要的化学能。 此方法也可能存在气化反应不彻底存在残渣影响转化的问题[13]。

(4）化学粒化工艺:首先通过气体冲击将炉渣粒化,其过程中的显热将通过化学反应被吸收,以化学能的形式被 储存,最后,在热交换器中进行逆向化学反应,这个过程重 新释放热量[14],如此,余热将以作为化学反应热源的形式

循环而被利用。

炼钢工序余热回收

在炼钢工序中,主要采用蒸汽转换发电技术回收烟气余热。 用汽化冷却装置将炼钢工序中所产生的大量约1 400 ℃高温烟气进行降温以满足后续的除尘要求,同时产生蒸汽。 将所产蒸汽送至蒸汽蓄热器,使热能以饱和水的形式被存储,在使用时将部分饱和水闪蒸转化为饱和蒸 汽输送给用户。

汽化冷却烟道余热过程中产生的低压饱和蒸汽还可 以直接用于发电,发电系统简单,易于运行操作,在不需要 另外补充燃料或能源的同时,又能够保障安全性和可靠性。转炉余热饱和蒸汽也可以作为真空炉气源用于真空精炼。

轧钢工序余热回收

轧钢工序产生的余热资源主要通过蓄热式燃烧技术 进行回收利用。 蓄热式燃烧技术是一种在高温低氧环境下燃烧轧钢加热炉内燃料的生产技术。 此种燃烧模式取消了传统的静态火焰局部高温燃烧,采用大空间扩散燃烧,使 得加热炉均匀燃烧,炉温也更加稳定。 该技术一定程度上减少了温度集中带来的氧化损害,消除了由于局部高温引 起的空气体系过剩,在减少废弃物排放量的同时提高了加 热锅炉的质量。

烧结工序余热回收

对于烧结工序中存在的余热资源,多数企业采用烧结

环冷机进行回收利用。

按照烧结型环冷机的燃烧烟气质量不同,可分为三个 阶段一一高温段、中温段、低温段。 高温阶段主要用于对工业生产的水蒸气和热风进行点火:中温阶段主要用于发电 系统在降低温度后的余热发电:在低温阶段主要目的就是 引入一个大型热风遮盖罩,实施对大气的热风烧结,减少 大气中的废气排放。

环冷机根据高温阶段针对烟气特别地设计了一个带 有直联炉盖形式的余热锅炉,为双压立式无补燃的天然循 环锅炉,并且在加热时还采用了由烟气部分组成的自然循 环系统。 环冷机中温段烟气的最大热量来源于空气利用低温余热oRC发电工艺技术进行空气回收后的热能,余热再利用回收使得废气最高温度由约180 ℃降低至约115 ℃。

焦化工序余热回收

在焦化工序中,生产焦炭的过程中伴随着焦炉煤气等 副产品。 焦化工序主要存在的余热资源包括红焦显热、焦炉荒煤气显热和焦炉烟气显热等。 目前,钢铁企业主要利用干熄焦技术回收红焦显热及煤调湿技术回收焦炉烟气 显热:对于焦炉荒煤气显热回收,部分钢铁企业则采用上 升管余热回收技术进行回收利用。

干熄焦技术

干熄焦技术的主要工艺流程是将高温焦炭从顶部放入密闭式干熄炉,采用低温稀有气体置换高温焦炭的热量,焦炭待冷却至约200 ℃后即可排出。高温状态稀有气体通过余热锅炉后产生蒸汽,能够广泛应用于太阳能发电、采暖等:冷却后的稀有气体又可以直接鼓入空调干熄锅炉 进行循环[15]。

干熄焦技术可以将红焦显热转化为蒸汽用于发电,从 而实现节能并提高能源利用率。 干熄焦技术同时还具备腐蚀程度较低、蒸汽循环利用以降低发电能耗、焦炭强度高等优点,具有较高的清洁效益和生产效益。

煤调湿技术

煤调湿技术是在装炉前对炼焦煤材料进行加热处理, 去除部分水分,控制装炉煤材料水分处于较低水平(大约6%）,然后进行装炉炼焦生产的一项生产技术[26]。

在炼焦过程中,煤调湿技术可以将焦炉中废气、煤气

等余热以及发电机组中的热量综合起来,之后对进入到焦 炉中的煤气进行加热,通过焦炉中的余热将煤气中的含水 量降低至5%～6%[27],减少煤气中含水量,以起到煤气预热和调湿的作用。 煤调湿技术能够有效减少炼焦过程的能源损耗,提高焦化产品的回收率[27]。

上升管余热回收技术

焦化工序中产生的焦炉荒煤气温度高达650～800 ℃, 携带约36%的焦炉热量,具有较高的回收意义[18]。 在近些年钢铁行业关于回收焦炉荒煤气的各项研究中,焦炉上升 管余热回收技术相比其他技术更符合企业实际生产要求。焦炉上升管回收工艺采用水一蒸汽一水封闭循环,借

助上升管换热器及辅助系统吸收荒煤气显热产生的饱和 蒸汽。 上升管余热回收技术能够保证上升管内部焦油不产生凝结现象,同时最大化地回收荒煤气热量,提高余热利 用率。

余热回收利用新技术进展

除各项生产工序中已广为人知的余热回收利用技术以外,近些年还出现了部分余热回收利用的新技术和新方 法,具有较大的经济效益和环保效益。

热管技术

热管依次可分为蒸发段、绝热段与冷凝段三个工作段。 工作原理主要为热管在受热后系统内的工作流体会呈现出蒸发形态,同时液态物品呈现出气态变化,此过程能 够对热量进行有效吸收。 管内温度的增加导致蒸发段内蒸汽压逐渐增加。 在增至大于冷凝段气压时,蒸汽便向冷凝段进行传递,此时管道内工作流体从气体转变回液体[19]。

以某烧结余热发电系统为例,数据显示,在系统运转过程中,运用热管技术能在发电量达1.82亿kw·h的基础上,节省5万t煤炭资源,有效回收240亿m3余热。 与此同时, 热管技术在进行余热回收时也可以对废渣和粉尘等有害 物质进行一定程度的规避,符合企业节能环保的发展理念, 能够有效提升钢铁企业的经济效益。

富氧燃烧技术

富氧燃烧(0xygen-EnrichedCombustion）技术是将富氧气体中的氮含量浓度高于2l%的部分作为主要助燃气体 而进行的一种高效增强式燃烧。 其特点在于减少了助燃炉锅内空气的排放和燃烧炉中废气的排放,使得燃烧反应速 度加快,提高了局部火焰的温度,能够在很大程度上改善 炉窑的导热性能[20]。

富氧燃烧技术带来的益处之一是可以减少烟气量,降 低烟气余热的能量损耗。 同时,富氧燃烧技术能够在源头减少N03排放,降低氧化烧损[21]。该技术现已正式列入我国 推荐的节能减排技术目录。

余热回收利用进一步探索优化关键问题

降低烧结环冷机漏风率

环冷机作为烧结工序中的重要生产设备,也是目前国 内外采用最为广泛的一种烧结冷却设备,其运行效率影响 着烧结矿生产效益和相关技术指标。 但在钢铁企业实际生产过程中,环冷机底部、栏板、横梁和烟罩等处可能存在漏风现象[22],导致烧结环冷余热回收量偏低、电耗增加。 采用液体密封等更加严密的方式来完善烧结环冷密封装置,能 够降低漏风率, 增加余热回收量, 有利于提升余热产汽能力[23]。

低温余热用于采暖、制冷

厂区内部的低温余热大多是通过空冷器、冷却塔等设备直接排放进入大气,会产生一定的空气污染和资源浪 费。 若能把工业中的低温废热、废气以及热水等余热资源综合利用成为一种驱动性的热源,将具有较大的环保意义 和经济效益,为降低生产成本和节能减排做出贡献。

在制冷方面,目前可以利用的低温余热制冷方法主要 有喷射式制冷、吸附式制冷和吸收式制冷,其中吸收式制冷系统应用最为广泛[24]。 采暖方面可使用吸收式换热技术,将原本难以利用的工业低温余热有效应用于供热系 统,提高供热一次水温差[25]。

深度回收热轧加热炉烟气余热

轧钢加热炉中存在70%～80%的热量损失,其中烟气带走的热损耗占30%～35%[26]。 热轧加热炉烟气在锅炉中加热煤气和助燃空气后仍以300 ℃以上的温度外排。 通过建设外置余热锅炉或锅炉中的内置蒸发器对烟气系统进 行改造,回收加热炉中预热空气、煤气后的烟气余热,能够使加热炉尾部的烟气温度由回收前的约300 ℃下降至约150 ℃,同时改善炉压调控,增加低压蒸汽产量[24]。

加强副产煤气的优化与利用

加强副产煤气资源优化与利用是钢铁企业发展过程 中制造流程伴生煤气高效利用和功能拓展的重要发展方 向之一[27]。 目前已研究的副产煤气利用方法除燃烧供热及发电、生产石灰、生产直接还原铁外,还有分离提取二氧化碳、分离提取合成气生产化工产品以及合成甲烷制备替代天然气等[28]。

结语

随着余热回收利用技术所带来的节能环保效益和经 济效益得到普遍认可,钢铁企业在余热回收利用领域所进 行的研究工作也越来越深入。 利用好钢铁生产过程中的余热资源对钢铁企业的改革发展起着十分重要的作用,特别 是在当前倡导节能减排的时代大背景下,钢铁企业的余热 回收利用也更具现实意义。

本文从钢铁企业各工序余热资源状况出发,对各工序 中余热回收利用技术应用进行了综述:介绍了近些年新兴的两项余热回收利用技术———热管技术和富氧燃烧技术:总结了钢铁企业余热回收利用进一步探索优化所存在的 关键问题,为钢铁企业余热回收利用技术创新提供了新思 路。 钢铁企业需结合现有余热回收技术和自身生产实际情况,推进余热利用技术与工艺节能相结合,优化余热利用 技术,最大化回收余热资源,提高企业经济效益,为全社会 节能环保发展助力。