鋼鐵工業(yè)余熱回收技術(shù)現(xiàn)狀研究

石崢 周華鑫 覃皓 馮乾

摘 要：本文回顧了我國鋼鐵工業(yè)余熱回收技術(shù)的進(jìn)程，闡述了鋼鐵工業(yè)余熱資源的價(jià)值，分析了常用的余熱回收設(shè)備及集成系統(tǒng)，提出了本領(lǐng)域未來發(fā)展大致走向，以期進(jìn)一步改良余熱回收技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋼鐵工業(yè);余熱回收;集成系統(tǒng);降溫

在工業(yè)化加快的如今，鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展，不斷排放的工業(yè)廢氣、廢水、廢渣得不到有效處置與利用，致使環(huán)境污染進(jìn)一步惡化。作為污染物排放大戶，鋼鐵企業(yè)擔(dān)負(fù)著重大的社會責(zé)任，打造綠色、節(jié)能、環(huán)保的鋼鐵行業(yè)刻不容緩。

近年來，圍繞鋼鐵工業(yè)余熱回收進(jìn)行的研究甚多，本文以鋼鐵工業(yè)余熱資源價(jià)值、鋼鐵工業(yè)余熱回收設(shè)備及系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 余熱資源價(jià)值

經(jīng)調(diào)查，我國鋼鐵工業(yè)能源消耗占全國工業(yè)總能耗的15%左右，而能源利用率僅為30%～50%。[1]由于鋼鐵工業(yè)余熱溫度范圍較大，按溫度品位可分為：高溫余熱，中溫余熱，低溫余熱。[2]其中，高、中、低溫余熱回收率分別為44.1%、30.2%、1%。[3]回收的鋼鐵工業(yè)余熱可用于熱電廠發(fā)電、供暖或供冷、加熱熱水鍋爐回水或補(bǔ)水等，[4]為鋼鐵企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 余熱回收設(shè)備

鋼鐵工業(yè)工序繁多，余熱存在于各工序生產(chǎn)加工的鋼制品、鋼渣廢料及焦炭中。目前，常用的余熱回收設(shè)備包括：熱管換熱器、間壁式換熱器、直接接觸式換熱器、復(fù)合相變換熱器等。

（1）熱管換熱器：始發(fā)于20世紀(jì)60年代，80年代后開始在鋼鐵工業(yè)余熱回收方面迅速發(fā)展。[5]在鋼鐵工業(yè)中，熱管換熱器技術(shù)多樣，有平板型、環(huán)路熱管技術(shù)、脈動熱管技術(shù)等，多應(yīng)用于燒結(jié)機(jī)、軋鋼加熱爐、高爐熱風(fēng)爐、干熄焦以及煉焦?fàn)t等工序，且應(yīng)用形式多為空氣換熱器和余熱鍋爐，可根據(jù)余熱資源的數(shù)量和溫度分布水平進(jìn)行選擇。[6]

（2）間壁式換熱器：根據(jù)使用的場合不同，可稱為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器或再沸器，[7]按傳熱面形式可分為管式和板式換熱器，有套管式、管殼式、交叉流、板式及螺旋板式等。[8]是用固定間壁將冷、熱兩種流體進(jìn)行分隔，冷、熱兩種流體在換熱器中不直接發(fā)生接觸，而是通過間壁進(jìn)行熱量交換的一種換熱器。[9]

（3）直接接觸式換熱器：通過將低溫水在煙氣中霧化噴淋，直接與煙氣接觸換熱，使煙氣降溫至露點(diǎn)溫度以下，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)放熱，達(dá)到回收煙氣余熱及水分的目的。[10]一般與吸收式熱泵結(jié)合應(yīng)用，是一種吸收低溫?zé)煔庥酂岵⑥D(zhuǎn)移到高溫?zé)崴械囊徽紫到y(tǒng)。[11]同時(shí)通過對換熱后的水進(jìn)行多重沉淀、加堿處理，避免了設(shè)備的腐蝕和臟堵。[12]

（4）復(fù)合相變換熱器：相變換熱器的相變下段由多根并聯(lián)的金屬管排束在上下端彼此連通，上下端的連通管通過上升管和下降管分別與放熱段相連，構(gòu)成一體，形成一個(gè)密閉容器。這樣，整個(gè)相變換熱器就相當(dāng)于一個(gè)大熱管，并通過自動控制手段，調(diào)節(jié)放熱段被加熱工質(zhì)的流量可以較容易實(shí)現(xiàn)相變下段壁溫的整體調(diào)整，使其遠(yuǎn)離酸露腐蝕。[13]

3 集成系統(tǒng)

郭乃理根據(jù)熱力學(xué)基本原理，[4]運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、以PLC為基礎(chǔ)的自動測量與控制技術(shù)和高效的熱交換技術(shù)，研發(fā)出一套綜合高效的工業(yè)企業(yè)低溫?zé)煔庥酂峄厥蘸吞菁壚孟到y(tǒng)，在節(jié)能效果顯著的同時(shí)也降低了使用者的操作難度。魏茂林提出的一種熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)通過采用直接接觸和吸收技術(shù)，[14]做到回收余熱的同時(shí)，廢水也被重復(fù)利用，作為煙氣脫硫塔的補(bǔ)充水，減少了污染物的排放。付林提出一種以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、廢氣驅(qū)動的吸收式熱泵、冷凝式換熱器和其他換熱器組成，并安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算該系統(tǒng)的性能，使熱利用率提高了10%。[15]

4 總結(jié)

鋼鐵工業(yè)余熱資源豐富，存在于各工序中，溫度范圍較大且存在形式多樣，余熱回收存在較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。上述鋼鐵工業(yè)余熱回收設(shè)備系統(tǒng)均有較寬的工作溫區(qū)，具有熱阻小、傳熱快等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的適用性、適應(yīng)性及安全可靠性。但也存在易腐蝕及易臟堵等問題，尋求耐腐蝕自清潔的余熱回收設(shè)備系統(tǒng)是行之有效的解決方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李洪福.煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收利用技術(shù)[D].山東：山東大學(xué)，2006.1-76.

[2]連紅奎，李艷，束光陽子，等.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù)，2011，29（2）：123-128.

[3]陳林根，孟凡凱，孫豐瑞，等.鋼鐵工業(yè)余熱回收新技術(shù)-熱電發(fā)電[C].高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會議論文集：中國高等教育學(xué)會工程熱物理專業(yè)委員會，2013.1-10.

[4]郭乃理，楊春生，肖鵬，等.工業(yè)低溫?zé)煔鈴U熱回收與梯級利用技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].過程工程學(xué)報(bào)，2017，17（5）：1091-1096.

[5]田靖，肖益民.淺談鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)，2013，27（6）：552-555.

[6]趙斌，王子兵.熱管及其換熱器在鋼鐵工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用[J].冶金動力，2005，（3）：34-36.

[7]張茂文.間壁式換熱器結(jié)構(gòu)分類及其清洗[J].化學(xué)清洗，1986，（3）：105-111.

[8]楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006：466-471（4版）.

[9]呂明璐，楊鑫，張瑤，等.換熱器的現(xiàn)狀分析及粉類應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2018，47（3）：582-584.

[10]李鋒，端木琳，付林，等.煙氣-水直接接觸式換熱性能研究[J].暖通空調(diào)，2017，47（12）：91-96.

[11]田秀芳，詹桂娟，江崇旭.使用吸收式熱泵和直接接觸式換熱器的鍋爐煙氣余熱回收方案[J].暖通空調(diào)，2017，47（增1）：21-26.

[12]魏茂林，付林，趙璽靈，等.燃煤煙氣余熱回收與減排一體化系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2017，38（6）：1157-1165.

[13]孫少鵬，胡清，寧玉琴，等.新型臥式相變換熱煙氣余熱回收技術(shù)的分析及應(yīng)用[J].熱能動力工程，2015，30（5）：742-744.

[14]Wei M L，Zhao X L，F(xiàn)u L，Zhang S G，et al.Performance study and application of new coal-fired boiler flue gas heat recovery system[J].Applied Energy，2017，188（1）：121-129.

[15]Fu L，Zhao X L，Zhang S G，et al.PerFormance study of an innovative natural gas CHP system[J].Energy Conversion and Management，2011，52（1）：321-328.