余蔚茗

（廣州漢德工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司上海分公司，上海 200001）

1 引言

能源是支撐人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可或缺的基本條件，但同時(shí)也是長(zhǎng)遠(yuǎn)制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，提高能源利用效率已形成全球共識(shí)。

據(jù)《中國(guó)的能源政策（2012）》指出，鋼鐵、有色、化工、建材四大高耗能行業(yè)用能占到全社會(huì)用能的40%左右[1]，且能源效率相對(duì)較低，單位增加值能耗較高。其中，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的能耗約占全國(guó)總能耗的16.1%，鋼鐵工業(yè)排放的CO2占我國(guó)CO2排放總量的12%，因此推行鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的重點(diǎn)。

在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，消耗能源推動(dòng)物料轉(zhuǎn)變的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的余能，如何有效回收利用這些余能已成為鋼鐵業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼鐵工業(yè)余熱余能回收利用的重要性及可行的技術(shù)理論問(wèn)題展開了大量的研究[2～4]，對(duì)我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略的實(shí)施發(fā)揮了重要作用。

2 中國(guó)鋼鐵業(yè)余能回收利用技術(shù)現(xiàn)狀

鋼鐵生產(chǎn)消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余能資源通常包括余熱、余壓以及副產(chǎn)品能源。當(dāng)前，對(duì)于我國(guó)鋼鐵業(yè)余能回收利用的技術(shù)情況如下。

2.1 高爐爐頂煤氣余壓透平發(fā)電技術(shù)

高爐爐頂煤氣余壓回收發(fā)電（Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT）是利用高爐爐頂排出的高爐煤氣中的壓力能與熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[5]。現(xiàn)代高爐大都采用高壓爐頂，從爐頂排出的高爐煤氣除具有化學(xué)能外，還具有一定的物理能，為促進(jìn)這些可燃廢氣的綜合利用，通常采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電技術(shù)（TRT），將煤氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。爐頂煤氣壓力大于120kPa的高爐均應(yīng)有TRT裝置，目前我國(guó)TRT普及率已達(dá)90%以上。

2.2 干熄焦技術(shù)

干法熄焦是目前國(guó)外較廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，其英文名稱為Coke Dry Quenching，簡(jiǎn)稱CDQ。干熄焦是利用惰性氣體，在干熄爐中與紅焦換熱從而冷卻紅焦。吸收了紅焦熱量的惰性氣體將熱量傳給干熄焦鍋爐產(chǎn)生蒸汽，被冷卻的惰性氣體再由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新鼓入干熄爐冷卻紅焦，而鍋爐產(chǎn)生的蒸汽或并入廠內(nèi)蒸汽管網(wǎng)或用于發(fā)電。在干熄焦過(guò)程中，80%的紅焦顯熱被回收，干熄每噸焦炭可產(chǎn)生0.42～0.45t中壓蒸汽（450℃，4.6MPa），比傳統(tǒng)濕熄焦工藝節(jié)水0.5t，同時(shí)可避免濕熄焦過(guò)程中產(chǎn)生的含有大量酚，氰化物和硫化物蒸汽排入大氣中，從而有效改善生態(tài)環(huán)境。

2.3 自產(chǎn)煤氣回收利用

鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，主要副產(chǎn)3種煤氣，分別是高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，它們的熱值見表1[6]。

表1 副產(chǎn)煤氣熱值

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自產(chǎn)煤氣占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的17%左右，除少量煤氣泄漏損失外，其余均可利用。自產(chǎn)煤氣主要用于加熱爐加熱，各種鐵包、鋼包烘烤，焦?fàn)t煤氣還可用于連鑄切割，制氫等。

焦化的化產(chǎn)工序要回收粗焦?fàn)t煤氣中的化工產(chǎn)品，所采用的工藝工種多樣。然而，當(dāng)前煉鐵高爐煤氣、煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣均有干法回收技術(shù)替代早先的濕法回收技術(shù)。與傳統(tǒng)的濕法相比，高爐煤氣采用干法除塵技術(shù)，可以提高高爐煤氣的溫度，減少煤氣中的水含量，節(jié)約水資源；轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)，取消了規(guī)模龐大的濁環(huán)水處理系統(tǒng)以及笨重的機(jī)械設(shè)施，操作靈活，略可提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量。

2.4 低溫?zé)煔饣厥占夹g(shù)

目前，我國(guó)鋼鐵業(yè)高溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽幂^普及，而中低溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽寐瘦^低。企業(yè)通常用高溫?zé)煔忸A(yù)熱助燃空氣，而通過(guò)空氣預(yù)熱器后約400～500℃的中溫?zé)煔鈩t沒(méi)有被大部分企業(yè)加以利用，至于大量400℃以下的低溫?zé)煔庥酂嵊捎谄渫顿Y回報(bào)差利用更少。為將低溫余熱轉(zhuǎn)化為各種環(huán)境都可利用的能源，利用低溫余熱發(fā)電成為低溫余熱利用技術(shù)研究的主要方向。其中，有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)發(fā)電的研究和應(yīng)用[7]最為廣泛，該技術(shù)可通過(guò)采用不同低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工質(zhì)，可回收55℃以上的低溫?zé)嵩础?/p>

2.5 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的全名稱為高溫低氧空氣燃燒技術(shù)（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion－HTLOAC），也稱作 HTAC（High Temperature Air Combustion）技術(shù)[8]。其特征是極大限度地回收燃燒產(chǎn)物中的顯熱，實(shí)現(xiàn)超高溫（助燃空氣可預(yù)熱至800～1000℃，甚至更高）、超貧氧（氧氣提及濃度3%～15%）燃燒。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效利用和低NOX排放，從根本上提高了加熱爐的能源利用率（熱回收效率80%以上），特別是在鋼鐵業(yè)對(duì)低熱值高爐煤氣的合理利用，既減少了污染物高爐煤氣的排放，又節(jié)約了能源，是滿足當(dāng)前資源和環(huán)境要求的先進(jìn)技術(shù)。

2.6 低熱值高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）技術(shù)

該技術(shù)可回收放散的低熱值煤氣用于發(fā)電，是一種煤氣、燃?xì)?、蒸汽?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以及將煤的氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)[9]。在不外供熱時(shí)熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%～45%，已接近天燃?xì)夂筒裼蜑槿剂系念愃迫細(xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電水平，比常規(guī)鍋爐蒸汽轉(zhuǎn)換效率高出近一倍。此外，該發(fā)電技術(shù)CO2排放比常規(guī)火力電廠減少45%～50%，無(wú)SO2、飛灰及灰渣排放，NOX排放少，回收了鋼鐵生產(chǎn)中的二次能源，可用水量相當(dāng)于同容量常規(guī)燃煤電廠的1／3.

2.7 余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)

余熱蒸汽發(fā)電原理與傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電原理相同，區(qū)別在于熱源來(lái)源。余熱蒸汽的熱源來(lái)源主要有高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐及其他冶煉爐高溫?zé)煔?，熱軋廠燃?xì)饩鶡釥t，燒結(jié)熱料及高溫?zé)煔獾取?/p>

2.8 轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼技術(shù)

轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼是計(jì)算轉(zhuǎn)爐工序同一生產(chǎn)周期內(nèi)的能源消耗量與能源回收量的差值，煉鋼工序能耗公式如下：

轉(zhuǎn)爐工序能源消耗部分由焦炭、水、電、蒸汽、氧氣、氮?dú)?、氬氣、焦?fàn)t煤氣等能源介質(zhì)構(gòu)成。由于生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)品種和轉(zhuǎn)爐大小等技術(shù)條件的差別，轉(zhuǎn)爐工序能耗一般波動(dòng)在25～37kgce／t。轉(zhuǎn)爐工序回收的能量主要有煤氣和蒸汽兩部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)爐出口煙氣的總熱量約為38.3kgce／t，其中81.8%為潛熱，18.2%為顯熱。采用回收技術(shù)通?？苫厥漳芰?0～36kgce／t，其中70%為轉(zhuǎn)爐煤氣，30%為蒸汽，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)能煉鋼[10]。

3 冷床余熱回收利用潛力分析

從20世紀(jì)70年代末，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到提高鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率以及進(jìn)一步降低能耗的重要性，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷地改進(jìn)和探索，這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)相對(duì)成熟，開始大范圍推廣。然而至今，作為鋼鐵業(yè)非常重要的一道工序冷床，其余熱非常高，但對(duì)其余熱的回收技術(shù)研究幾乎空白。本文以國(guó)內(nèi)某鋼廠無(wú)縫鋼管軋制冷卻工序?yàn)槔?，統(tǒng)計(jì)分析了可利用的余熱潛力，希望以此為鋼鐵業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)的發(fā)展拓寬思路。

3.1 車間主要生產(chǎn)概況

該車間主要加工外徑220mm、280mm和330mm的低碳鋼管坯，其主要加工工序有管坯加熱、旋轉(zhuǎn)穿孔、多輥連軋、再加熱、定徑精軋以及冷床自然空冷等。3種不同外徑的管坯經(jīng)定徑精軋后，進(jìn)入冷床前后溫度參數(shù)見表2。

表2 溫度參數(shù)

3.2 冷床余熱分析

根據(jù)比熱容原理，冷床上放散的熱量的計(jì)算公式如下：

式中Q放熱為冷床上自然放散的熱量，J；m為冷床處理的鋼管量，t；C為低碳鋼的比熱容，取465J／kg·℃；t進(jìn)為鋼管進(jìn)入冷床的溫度，℃；t出為鋼管退出冷床的溫度，℃。

基于以上，該無(wú)縫鋼管車間近3年的年均排放熱量結(jié)果為：外徑220mm管坯加工放散熱量為6.47×1013J／年，外徑280mm管坯加工放散熱量為9.62×1013J／年，外徑330mm管坯加工放散熱量為9.22×1013J／年，全車間共計(jì)2.531×1014J／年的熱量放散，不僅給環(huán)境帶來(lái)熱污染，同時(shí)也造成二次能源浪費(fèi)。

由于熱量是能源利用的最一般形態(tài)，故國(guó)際上習(xí)慣采用熱量為能源的共同換算單位，我國(guó)主要采用標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)折算能耗。我國(guó)的GB2589－2008《綜合能耗計(jì)算通則》規(guī)定，將低位發(fā)熱量等于29.3MJ（7000kcal）的燃料，稱為1kg標(biāo)準(zhǔn)煤（1kgce）。通過(guò)綜合換算，該無(wú)縫鋼管車間近3年年均放散熱量相當(dāng)于8638tce，噸鋼冷床放散熱量為12kgce，約占《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》[11]要求鋼鐵業(yè)噸鋼綜合能耗目標(biāo)（580kgce）的2%，因此冷床可利用余熱潛力巨大。

3.3 冷床余熱回收方案

為了能充分回收這部分放散的熱量，本文提出了一個(gè)半封閉式的預(yù)想換熱方案，如圖1所示。冷空氣從冷床出口處下方循環(huán)鼓入換熱裝置，隨著與軋制的高溫鋼管逐步換熱，空氣受熱溫度提升，當(dāng)空氣換熱至冷床入口處時(shí)，溫度可達(dá)800℃以上，之后高溫?zé)峥諝怆S著循環(huán)系統(tǒng)送入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽既可以用于發(fā)電又可以直接并入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，而經(jīng)余熱鍋爐換熱后的冷空氣經(jīng)除塵后再次鼓入冷床換熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于當(dāng)前快速發(fā)展的鋼鐵工業(yè)而言，能源生產(chǎn)面臨難以滿足能源需求，鋼鐵工業(yè)耗能占全國(guó)總能耗比重歷年來(lái)穩(wěn)中有升，能源對(duì)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的約束日益顯著。雖然我國(guó)節(jié)能減排取得了巨大的進(jìn)步，但CO2排放仍高于發(fā)達(dá)國(guó)家，在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，我們有必要加快推廣TRT，CDQ及CCPP等節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

圖1 冷床余熱回收示意

冷床冷卻是鋼鐵工業(yè)軋制工序中一個(gè)必要環(huán)節(jié)，其余熱利用潛力巨大，為了順應(yīng)我國(guó)鋼鐵業(yè)的快速發(fā)展，加快冷床余熱回收應(yīng)用技術(shù)任重道遠(yuǎn)。

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