有色冶金行業(yè)廢氣余熱回收利用技術(shù)及研究展望

李益 李行

（湖南華電長沙發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410000）

有色冶金行業(yè)廢氣余熱回收利用技術(shù)及研究展望

李益 李行

（湖南華電長沙發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410000）

節(jié)能減排是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的長期戰(zhàn)略方針,回收余熱對實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略意義重大。廢氣在余熱資源中占很大比重，在介紹廢氣余熱回收利用設(shè)備及不同爐型廢氣余熱的利用方式基礎(chǔ)上，提出廢氣余熱利用技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展,為科學(xué)合理利用余熱資源提供借鑒。

有色冶金；廢氣余熱；回收利用

我國能源消費(fèi)量逐年增長，成為僅次于美國的第二大能源消費(fèi)國，其中工業(yè)能源消費(fèi)量已超過總消費(fèi)量70%，環(huán)境污染、資源和能源短缺成為經(jīng)濟(jì)增長的“瓶頸”。余熱屬二次能源，分高溫?zé)煔庥酂?、高溫爐渣余熱、高溫蒸汽余熱、冷卻介質(zhì)余熱、可燃廢氣余熱等。在各種工業(yè)爐窯能量支出中，廢氣余熱約占15%～35%。近年來，我國余熱利用方面技術(shù)有了很大進(jìn)步，但與世界先進(jìn)水平相比還有差距。大多數(shù)有色冶金企業(yè)的能源消耗都比較大，占全國能源消耗的10%，占工業(yè)部門能源消耗的15%。能源價格攀升成為有色冶金企業(yè)的新挑戰(zhàn)，節(jié)能降耗應(yīng)作為有色冶金企業(yè)的長期戰(zhàn)略任務(wù)[1]。

1 廢氣余熱回收利用概述

1.1 余熱回收利用現(xiàn)狀

中國能源利用率僅為30%，大部分余熱未經(jīng)利用直接排放。目前回收利用的余熱主要是高溫?zé)煔夂蜕a(chǎn)過程中排放的可燃?xì)?，中低溫余熱回收利用量極少。相對于高品位能源來說，低品位余熱能量低，利用難度大，有效利用低品位余熱是產(chǎn)能和用能的關(guān)鍵。低品位余熱回收利用普遍采用水冷介質(zhì)，受水資源、運(yùn)輸、地域等因素制約，難以推廣應(yīng)用。以色列低溫余熱發(fā)電技術(shù)在全球處于領(lǐng)先地位，日本、美國、俄羅斯也進(jìn)行了大量研究，并開發(fā)了有機(jī)朗肯循環(huán)余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)等。上世紀(jì)末，美國Recurrent工程公司開發(fā)Kalina系統(tǒng)的工業(yè)廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)已在少數(shù)鋼鐵廠和化工廠進(jìn)行中試。我國少數(shù)高校和科研院所也進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得成果[1-2]。

1.2 余熱回收利用原則

生產(chǎn)蒸汽的余熱回收設(shè)備有余熱鍋爐和汽化冷卻裝置等。余熱鍋爐屬低溫爐，在高溫爐后直接安裝效果并不理想，在選用回收利用設(shè)備過程中應(yīng)充分考慮企業(yè)余熱的種類、介質(zhì)溫度、數(shù)量及利用可行性?？傇瓌t就是要將回收的余熱優(yōu)先用于自身系統(tǒng)能耗設(shè)備，減少一次能源消耗量，且高溫余熱必須盡可能地用于有高溫需求的工藝設(shè)備，減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，同時要有相應(yīng)的安保措施，在發(fā)生事故時不影響本體的正常生產(chǎn)[2]。

1.3 余熱回收利用設(shè)備

有色冶金企業(yè)廢氣余熱回收利用設(shè)備有輻射式換熱器、管式換熱器、片狀管換熱器、熱管換熱器、余熱鍋爐、余熱鍋爐-汽輪機(jī)發(fā)電裝置等。輻射式換熱器是使用較廣的換熱器，多用在均熱爐或加熱爐上，助燃效果較好，溫度效率超過40%，不過其熱回收率僅為30%左右。管式換熱器約被40%的鋼鐵企業(yè)所采用，其熱回收率平均在26%～30%。片狀管換熱器在聯(lián)合企業(yè)及中小企業(yè)中采用得較多，其熱回收率平均為28%～35%。熱管換熱器在中小企業(yè)應(yīng)用較為廣泛，主要用于預(yù)熱空氣或煤氣，回收熱風(fēng)爐的煙氣余熱，熱回收率超過50%。余熱鍋爐在聯(lián)合企業(yè)應(yīng)用比較多，主要用于平爐，回收的熱量中70%用于企業(yè)生產(chǎn)。通過電力回收余熱是目前最好的利用方式，但余熱鍋爐-汽輪機(jī)發(fā)電裝置受限于動力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)性及電力并網(wǎng)等因素[3]。

2 各種廢氣的利用方式

2.1 燒結(jié)廢氣

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序的能耗份額占總能耗份額的10%左右，僅次于煉鐵工序。燒結(jié)總能耗中大部分熱能以煙氣或冷卻機(jī)廢氣顯熱形式排入周圍環(huán)境。由于燒結(jié)廢氣的溫度不高，余熱回收裝置的投資較大，要根據(jù)全廠蒸汽需求分析是否對燒結(jié)廢氣進(jìn)行回收。在冷卻機(jī)廢氣回收中，其中溫部分技術(shù)比較成熟，而低溫部分由于熱效率低，應(yīng)用的很少。

2.2 高爐煤氣

我國在高爐煤氣回收利用方面做了大量研究，但目前放散率仍比較高。大部分企業(yè)在放散高爐煤氣的同時使用高價油和優(yōu)質(zhì)煤，既浪費(fèi)了能源，又污染了環(huán)境，而且生產(chǎn)成本增加。高爐煤氣的超低熱值是限制其推廣使用的主要原因。為解決此難題可在熱風(fēng)爐煙道中安裝換熱器以預(yù)熱助燃空氣及高爐煤氣，此外還可進(jìn)行富氧燃燒。

2.3 轉(zhuǎn)爐煤氣

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)呈周期性，排出的煙氣余熱也不是連續(xù)的，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐也只能間斷生產(chǎn)蒸汽。為改變不連續(xù)供氣，可在供氣系統(tǒng)中設(shè)蒸汽蓄熱器，鍋爐熱效率可提高5%左右。由于轉(zhuǎn)爐煤氣中CO的含量高達(dá)70%，在回收過程中存在不安全性，且其不連續(xù)性導(dǎo)致事故頻率增加，回收利用難度增大，因此必須掌握轉(zhuǎn)爐煤氣的特性和生產(chǎn)規(guī)律并采取相應(yīng)的措施以確保安全。

2.4 電爐煙氣

回收利用電爐煙氣的裝置主要有余熱鍋爐和廢鋼預(yù)熱器。余熱鍋爐回收的熱能大約為廢鋼預(yù)熱器回收熱能的2.5倍，但預(yù)熱廢鋼回收的熱能中可用能較多、能級較高。從主體設(shè)備的生產(chǎn)工藝來看，預(yù)熱廢鋼方式也比較好[4]。

2.5 軋鋼加熱爐煙氣

在我國現(xiàn)有技術(shù)水平下，排入煙囪的最佳煙溫為150～180℃，發(fā)達(dá)國家可使排入煙囪的煙溫小于100℃。軋鋼加熱爐煙氣余熱應(yīng)該隨煙溫由高到低逐級回收利用?？梢酝ㄟ^使用密封性能、保溫性能較好的輕型地上煙道和多行程優(yōu)化排列翅片以及插入件強(qiáng)化傳熱的金屬換熱器以提高煙氣利用率，還可以采用絕熱性能良好的熱回收管路等[3]。

3 廢氣余熱回收利用展望

3.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化

余熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化可以從以下幾個方面進(jìn)行：一是研究余熱系統(tǒng)熱工參數(shù)對系統(tǒng)的影響。二是發(fā)展高效除塵技術(shù)，減少入爐粉塵量。三是優(yōu)化余熱鍋爐結(jié)構(gòu)，合理布置受熱面。四是研究新式密封機(jī)構(gòu)降低鍋爐漏氣產(chǎn)生的熱損失。五是優(yōu)化汽輪機(jī)變工況適應(yīng)能力以優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3.2 新工質(zhì)循環(huán)余熱發(fā)電

余熱發(fā)電均為中低溫參數(shù)，若以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，用低品位熱能汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組回收利用余熱，其循環(huán)效率低，系統(tǒng)復(fù)雜，而以有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）和氨水混合物為工質(zhì)的Kalina循環(huán)系統(tǒng)能更高效地利用余熱資源[5]。

3.3 螺桿膨脹動力機(jī)應(yīng)用

有色冶金行業(yè)有許多用氣設(shè)備，消耗大量低壓蒸汽，大部分通過在系統(tǒng)中設(shè)減溫、減壓裝置獲得低溫低壓蒸汽，造成熱能的巨大浪費(fèi)。螺桿膨脹動力機(jī)是一種回收低壓飽和蒸汽余熱的源動機(jī)，可用于驅(qū)動風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等，有效解決了低品味余熱難以回收利用的難題。

3.4 合同能源管理的應(yīng)用

對于鍋爐設(shè)備的升級改造，供熱企業(yè)受限于資金和技術(shù)等因素，從而進(jìn)程較為緩慢。合同能源管理模式可以很好地利用各方面生產(chǎn)要素，充分整合社會資源，加快原有鍋爐設(shè)備的升級改造，實(shí)現(xiàn)供熱企業(yè)通過節(jié)能降耗有效控制成本的目標(biāo)[6-7]。

4 結(jié)語

國家逐步加大節(jié)能減排資金的投入力度，在工業(yè)窯爐余熱發(fā)電方面，通過科研工作者們的不懈努力，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)越來越成熟，尤其是補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的研制成功，使得我國余熱發(fā)電技術(shù)總體水平已接近歐美發(fā)達(dá)國家。

[1]李海燕.低品位余熱利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀、困境和新策略[N].科技導(dǎo)報，2010，28（17）：112-115.

[2]趙欽新.我國余熱利用現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)鍋爐，2009（5）：8-10.

[3]萬航.鐵合金生產(chǎn)中的節(jié)能——余熱利用[J].甘肅冶金，2009（3）：13-14.

[4]程竹靜.我國現(xiàn)代電爐余熱回收的發(fā)展趨勢[N].世界金屬導(dǎo)報，2010（2）：23-24.

[5]尹剛.低溫余熱發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢探討[J].電工文摘，2012（4）：63-66.

[6]賀濤.鍋爐系統(tǒng)煙氣余熱利用技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2012（4）：47-48.

[7]胡曉冬.合同能源管理在鍋爐煙氣余熱利用中的應(yīng)用[J].區(qū)域供熱，2013（6）：85-87.

TM 6

A

1671-0037（2014）04-26-1.5

李益（1983-），男，本科，研究方向：電廠運(yùn)行與維護(hù)管理。

李行（1985-），男，本科，研究方向：電廠的自動化運(yùn)行與管理。