寶鋼不銹鋼公司余熱余能利用探索與實(shí)踐

寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部 金 周

寶鋼不銹鋼公司余熱余能利用探索與實(shí)踐

寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部 金 周

以寶鋼不銹鋼有限公司余熱余能資源回收利用工作實(shí)踐為切入點(diǎn)，在深入總結(jié)和現(xiàn)狀分析及行業(yè)對標(biāo)前提下，提出了在余熱余能資源總量開源、合理與高效利用、深度和前沿技術(shù)應(yīng)用等方面拓展思路和觀點(diǎn)。

鋼鐵工業(yè)；節(jié)能技術(shù)；余熱余能；回收利用

0 前言

不銹鋼公司的碳鋼與不銹鋼全流程冶煉工藝，存在著豐富的余熱余能資源，自不銹鋼工程建設(shè)以來，以擴(kuò)大回收與高效利用并行為指導(dǎo)思想，堅持技術(shù)與管理并重、綜合利用多樣化的策略,著力對標(biāo)行業(yè)先進(jìn)，依托科研攻關(guān),探索低品位余熱回收和高價值利用途徑,并不遺余力地開展深層次余能回收挖潛工作，為公司余能余熱回收利用持續(xù)提升提供了保障。

1 不銹鋼余熱余能資源潛力分析

鋼鐵流程包含著物理、化學(xué)和物流的復(fù)雜過程，尤其是一個冷-熱物理變化極為顯著的工藝流程，具有很強(qiáng)的熱管理特征，用于冶煉生產(chǎn)消耗的一次能源約40%左右以其他形式的熱能釋放，釋放物質(zhì)的溫度從環(huán)境溫度～正常排放150℃～顯熱1500℃階段性往復(fù)交替變化。圖1為不銹鋼生產(chǎn)過程存在相對應(yīng)的“工藝流程與產(chǎn)品溫度變化”的曲線關(guān)系。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)：

（1）整個工藝流程產(chǎn)品隨工藝變化，流程內(nèi)產(chǎn)品所含溫度從常溫到1000或1450℃左右存在顯著的寬幅波動，溫度的寬幅變化意味著物質(zhì)攜帶著大量且品質(zhì)較高的熱能資源；

（2）從燒結(jié)原料到高爐(入爐)、鋼水冶煉到板坯產(chǎn)出（入熱軋前）、從熱軋流程到冷軋流程存在交替往復(fù)的近常溫<-->高溫<-->近常溫的溫度變化趨勢和過程,這些溫度變化的過程意味著攜帶的大量能源（余熱）的產(chǎn)生與消失。基于工藝與物流變化所蘊(yùn)含熱能的總體分析，在做余熱資源系統(tǒng)化設(shè)計與挖潛時，須充分考慮工藝變化中的能量變化，并可以按溫度變化分段、分區(qū)域?qū)嵤┗厥绽谩?/p>

圖1 不銹鋼工藝流程與產(chǎn)品溫度變化

2 不銹鋼余熱余能潛力探索與拓展

2.1 過程產(chǎn)品物理顯熱利用

不銹鋼“蘊(yùn)含熱能總體分析”表明，可見生產(chǎn)過程中存在著形態(tài)多樣且熱能富集的產(chǎn)品和過程顯熱資源，主要包括紅熱燒結(jié)礦、液態(tài)高爐渣和鋼渣、輸送過程中的連鑄扳坯、軋制后高溫鋼材、出爐窯的石灰等，而這些熱能資源在工藝控制和過程需求下,呈現(xiàn)或主動或被動的加以控制或消除，從而形成的熱能產(chǎn)生與傳遞的能源斷鏈，該部分資源有較大拓展?jié)摿?本文將分別對燒結(jié)礦、爐渣、板坯顯熱利用予以闡述。首先，以行業(yè)應(yīng)用效果較為成熟的燒結(jié)過程及燒結(jié)礦余熱利用為例，不銹鋼目前對燒結(jié)余熱資源總量的利用估計在40%左右，一方面2臺燒結(jié)機(jī)中僅1臺實(shí)現(xiàn)了環(huán)冷煙氣回收利用，產(chǎn)生蒸汽和熱風(fēng)燒結(jié)；另一方面2臺燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)段煙氣余熱、環(huán)冷段低溫?zé)煔膺€未回收利用。如表1所示，2#、3#燒結(jié)余能潛力中僅燒結(jié)礦顯熱即蘊(yùn)含熱能3.3萬tce，該部分資源可用于余熱發(fā)電與產(chǎn)汽、預(yù)熱空氣及熱風(fēng)燒結(jié)等用。

表1 燒結(jié)礦能量潛力分析

2.2 能介供配過程余能余壓利用

（1）高爐爐頂煤氣余壓利用

煉鐵高爐爐頂余壓發(fā)電，是一種不消耗燃料、無污染的發(fā)電技術(shù)。公司目前2500m3高爐已實(shí)施干法TRT發(fā)電，而750高爐煤氣頂壓在100kPa左右，該部分可以持續(xù)作功的壓差動能未曾利用，若實(shí)施行業(yè)極為成熟達(dá)干法TRT發(fā)電，預(yù)計可年發(fā)電1800多萬kWh。與此同時，近幾年高爐煤氣BPRT（Blast Furnace Power Recovery Turbine煤氣透平與電機(jī)同軸驅(qū)動的高爐鼓風(fēng)能量回收成套機(jī)組）技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)已將高爐煤氣透平產(chǎn)生壓力能直接用于鼓風(fēng)實(shí)施同軸驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)噸鐵節(jié)電25%～30%，目前國內(nèi)天津天鋼、濟(jì)鋼等已實(shí)施。

（2）能介輸配調(diào)壓過程余能利用

對于氣體類能介的供應(yīng)，由于需要考慮從氣源至用戶端輸送過程中的壓能損失，因此管網(wǎng)供應(yīng)壓力相對偏高，而用戶端則根據(jù)工藝和設(shè)備壓力需要實(shí)施調(diào)壓（減壓）控制，設(shè)置減壓、減溫等裝置，這樣系統(tǒng)調(diào)壓所致的壓差損失就不可避免地產(chǎn)生。以不銹鋼公司為例，系統(tǒng)調(diào)壓現(xiàn)象存在于包括“公司天然氣調(diào)壓站、冷軋氮?dú)鉁p壓站、冷軋蒸汽減溫減壓站、生活用蒸汽減壓”等工藝裝置和輸配過程，其中對冷軋氮?dú)馀c蒸汽的輸配減壓均存在0.6～0.8MPa的壓差損失，該部分余壓潛力可通過目前行業(yè)推廣的螺桿膨脹機(jī)技術(shù)實(shí)施壓差發(fā)電或余壓驅(qū)動其他設(shè)備。

（3）水系統(tǒng)余壓與回水勢能利用

由于設(shè)計預(yù)留、安全運(yùn)行、末端控制等因素，水系統(tǒng)供水端高壓輸送會使系統(tǒng)部分工藝產(chǎn)生一定壓力冗余，例如：

1）經(jīng)過設(shè)備冷卻后回冷卻塔前水系統(tǒng)普遍存在通過上塔閥門開度控制，緩沖回收壓力（0.15～0.2MPa），該部分余壓即可以通過“水輪機(jī)驅(qū)動”等形式將余壓利用，以替代冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行，該技術(shù)在本行業(yè)運(yùn)用較為成熟，不銹鋼公司30多座冷卻塔目前僅1座使用，潛力較大；

2）高爐爐壁所需冷卻水，需要通過提升泵將冷卻水打上高爐爐頂，這部分水在爐壁冷卻后回入原系統(tǒng)前存在20～30m的水力落差勢能，由于其每小時3000～5000m3的循環(huán)用量，可采取水輪機(jī)等技術(shù)實(shí)施直接驅(qū)動或落差發(fā)電。該技術(shù)在馬鋼一鐵廠已成功實(shí)施。

2.3 爐渣固態(tài)顯熱余熱利用

對于長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來講，不可避免將產(chǎn)生高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、氧化鐵皮等伴隨產(chǎn)品產(chǎn)出的“副產(chǎn)品”，其溫度一般在1200～1500℃。由于高爐、轉(zhuǎn)爐爐渣的物理性質(zhì)和出渣的不連續(xù)性使得熔渣顯熱回收存在困難。隨著對熔渣利用價值的挖掘和技術(shù)攻關(guān)，目前本行業(yè)已形成較為成熟的兼顧熔渣本身處理和熱能回收利用的工藝，主要包括風(fēng)淬、熱燜、滾筒等鋼渣處理技術(shù)，通過對熔渣顯熱利用轉(zhuǎn)化為蒸汽或形成蒸汽-發(fā)電的工藝裝備，歐美、日本及韓國主要鋼企對于熔渣基本上都考慮先回收顯熱再渣體處理。

不銹鋼公司平均年產(chǎn)生高爐渣75萬t（300kg/ t鐵）、鋼渣70萬t（225kg/t鋼），如圖2。目前采用冷棄法（放置環(huán)境自然降溫，冷卻后繼續(xù)噴水冷卻處理）處置,僅利用部分物質(zhì),而高質(zhì)量的能量幾乎全部浪費(fèi)，既消耗大量水、又使蘊(yùn)含豐富的爐渣物理熱無法回收，污染環(huán)境。若爐渣熱焓按448kcal/kg計算，噸鐵所產(chǎn)爐渣顯熱為561792萬kJ，噸鋼所產(chǎn)爐渣顯熱為539220萬kJ，該部分熔渣顯熱蘊(yùn)含熱量足以配備一套熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。

2.4 水系統(tǒng)“廢熱”資源利用

圖2 不銹鋼轉(zhuǎn)爐與高爐渣總量情況

（1）工業(yè)用冷卻水余熱利用

工業(yè)冷卻水主要用來冷卻工藝設(shè)備，一般回水溫度在38～45℃不等（夏季略高），由于其循環(huán)量總量大且穩(wěn)定，目前本行業(yè)已有通過水源熱泵技術(shù)實(shí)施該部分低溫余熱的提取和利用，包括低溫?zé)崴l(fā)電、供生活區(qū)域取暖等。不銹鋼公司目前有各類水處理冷卻塔28個,月均總量在6400萬m3，平均9萬m3/h，可在循環(huán)水對應(yīng)區(qū)域?qū)嵤﹨^(qū)域余熱利用。

（2）鍋爐廢熱利用

鍋爐廢汽余熱包括蒸汽冷凝水、鍋爐汽包排污水（90℃～100℃），太鋼、濟(jì)鋼、寶鋼等企業(yè)已初步嘗試采用高效換熱、螺桿膨脹動力機(jī)等技術(shù)將鍋爐連排水熱量回收利用實(shí)施發(fā)電，另外沙鋼、唐鋼、濟(jì)鋼均通過積蓄余熱資源，給城市供熱、外賣熱源，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)之間與社會之間的能源循環(huán)利用。不銹鋼公司有3個不同功能的燃?xì)忮仩t,也存在著大量排污水和高溫冷凝水，若實(shí)施集中管理,可形成每小時4～6t的廢熱水。

（3）高爐沖渣水余熱利用

考慮到投資回報因素,當(dāng)前冶金爐窯的冷卻水余熱回收難度大、價值小，但若從低品位余熱利用角度出發(fā)，高爐沖渣用水所含熱能資源就能實(shí)現(xiàn)高附加值利用。高爐沖渣水普遍溫度高（70℃～90℃）且循環(huán)量大，行業(yè)中相當(dāng)多企業(yè)為降低冷卻水溫度還搭配了冷卻塔等設(shè)施，因此可將高爐沖渣水進(jìn)行沉淀、過濾，處理后的高爐沖渣水和冷凝水由熱水泵供市區(qū)采暖，供暖后沖渣水返回高爐沖渣系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本。2012年不銹鋼公司通過技術(shù)改造率先實(shí)現(xiàn)了750高爐沖渣水廢熱的回收利用，換熱生成90℃左右的生活熱水，并完成公司浴室熱水替代蒸汽和外供周邊社區(qū)、學(xué)校、浴室等1500t左右的熱水，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和履行社會責(zé)任的雙贏。

2.5 “乏汽”與“閃蒸汽”能源利用

由于工藝要求和管網(wǎng)限制,零星放散蒸汽資源在冶金企業(yè)較為普遍,例如:余熱鍋爐的零排和定排“閃蒸汽”、生產(chǎn)過程降級使用（加熱、干燥等）的乏汽等，同時受技術(shù)裝備與汽源特點(diǎn)限制回收利用價值不高，回收意愿和積極性也不高。通過全面現(xiàn)場調(diào)研分析,目前不銹鋼公司在包括煉鋼蓄熱器系統(tǒng)、公司管網(wǎng)集中放散點(diǎn)、鍋爐系統(tǒng)定排、熱軋余熱鍋爐安全零排等處，存在一定蒸汽放散，尤其公司管網(wǎng)集中放散點(diǎn)，受煉鋼冶煉間歇性產(chǎn)汽對系統(tǒng)管網(wǎng)沖擊因素影響，集中而間歇性放散蒸汽作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)無法徹底消除，該部分蒸汽不僅影響環(huán)境，同時造成能源浪費(fèi)。對于該類資源，借鑒本行業(yè)先進(jìn)工藝技術(shù)，可通過緩沖蓄熱裝置將放散的過熱蒸汽實(shí)施二次回收，一方面可以采用低投入高效率的螺桿發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電和回收冷凝水,初步估計可回收利用蒸汽4～5t/h，發(fā)電307萬kWh/a,另一方面通過高效換熱器換熱形成熱水源,供企業(yè)取暖用,預(yù)計可產(chǎn)熱水1500～3000t/d。

3 結(jié)束語

鋼鐵生產(chǎn)過程中余熱余壓能的回收利用對降低生產(chǎn)的總能耗和節(jié)約成本具有重要意義，特別是余熱余能的小循環(huán)利用。在回收利用余熱余能時，要根據(jù)余熱余能資源的“數(shù)量”和“質(zhì)量”，以及用戶對能量品質(zhì)的需求，在供需之間盡量做到能級匹配、溫度對口、梯級利用，在符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的條件下，選擇適宜的用能系統(tǒng)和設(shè)備，使回收的余熱余能發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

[1]翁宇慶通過能源管理、技術(shù)節(jié)能推動能耗降低[N]《中國冶金報》2012年7月3日版

[2]李順.“國內(nèi)外熔融高爐渣顯熱回收方”.《工業(yè)加熱》第38卷2009年第三期

[3]“全國冶金節(jié)能減排與低碳技術(shù)發(fā)展研討會文集”[R].中國金屬學(xué)會、河北省冶金學(xué)會.2011年9月

[4]“冶金行業(yè)節(jié)能新技術(shù)培訓(xùn)講義”[R].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院能效檢測與評估研究中心.2013年11月

[5]“2013年上海工業(yè)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新及推廣應(yīng)用研討會報告集”[R].2013年8月29日上海

Waste Heat&Waste Energy Recovery Exploration and Practice in Baosteel Stainless Company

Jin zhou

This article introduces the current situation on recovery and reuse of waste heat and energy in Baosteel stainless steel Iron&Steel Group.Based on the analysis of the present problems and Industry benchmarking,raises The total resources of open source in thewastelheat,existing problems of rational and effective utilization of waste heat and energy and sustainable development,Practice and application of advanced technology.

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