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        相變儲熱技術(shù)在冶金余熱回收中的應(yīng)用

        2021-12-23 11:59:50許佳孟毛凌波
        世界有色金屬 2021年16期
        關(guān)鍵詞:儲熱冶金余熱

        陳 程,許佳孟,毛凌波

        (1.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院,北京 100010;2.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        1 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展與科技的進(jìn)步,能源問題越來越受到關(guān)注。我國是世界上能源最大的生產(chǎn)國和消費(fèi)國,2000-2020年,一次能源生產(chǎn)年均增長5.5%,據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2020年,我國一次能源生產(chǎn)40.8億t的標(biāo)準(zhǔn)煤,同比增長2.8%,為新中國成立初期的170余倍、改革開放初期的6倍多[1]。我國是一個(gè)十分重視重工業(yè)發(fā)展的國家,其中鋼鐵冶金是重要的組成部分,但是在鋼鐵冶金生產(chǎn)過程中能源消耗較多,在冶鐵過程、煉鋼過程以及軋鋼過程出現(xiàn)較為嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題[2]。能量的利用僅有30%~50%被有效的利用[3],剩余的大量能量以余熱的形式存在,工業(yè)廢熱占能源輸入的15%[4],余熱的回收和再利用的潛力巨大。本文通過對冶金流程所產(chǎn)生的余熱的回收技術(shù)進(jìn)行概述及其存在的問題,為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術(shù)發(fā)展提供參考。

        2 冶金流程余熱余能回收利用狀況及其利用技術(shù)

        2.1 冶金流程余熱余能回收及利用狀況

        我國鋼鐵企業(yè)90%是以高爐-轉(zhuǎn)爐為主的長流程企業(yè),完整的制造流程包括焦化,燒結(jié)或球團(tuán)、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋制等工序。在整個(gè)冶金工序中,鋼鐵的余熱余能資源及其回收技術(shù)如下表1[5]。

        表1 按工序流程的余熱資源、回收水平和回收技術(shù)

        在鋼鐵企業(yè)中余熱余能的回收利用中還存在的一些問題,比如爐渣顯熱溫度高,排出溫度約1400℃~1600℃,余熱資源豐富,但由于間歇式排出,回收利用困難;煉鋼煙氣余熱回收量少,且能級損失很大,大部分高溫?zé)煔馊晕吹玫接行Ю?;燒結(jié)工序的燒結(jié)礦的高溫余熱基本沒有回收利用等問題[6]都需要有新的技術(shù)進(jìn)行回收利用。

        2.2 冶金流程余熱余能回收利用技術(shù)

        鋼鐵工業(yè)余熱回收利用方法有兩大類,分別是直接利用法和間接利用法。

        直接利用法是利用各種換熱器或熱管等換熱設(shè)備將鋼鐵廠內(nèi)各種氣-固-液體的余熱回收(物理熱),預(yù)熱空氣、煤氣和用于工藝等過程;間接利用法包括余熱生產(chǎn)蒸汽發(fā)電、制冷和TRT等[7]。TRT技術(shù)是利用高爐冶煉的副產(chǎn)品—高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能,使煤氣透過透平膨脹機(jī)做功,將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。在鋼鐵工業(yè)中,余熱余壓回收利用水平仍然比較低。隨著企業(yè)的節(jié)能意識的不斷增強(qiáng),企業(yè)加大了對節(jié)能減排項(xiàng)目的投入,但是效果不明顯,究其原因是傳統(tǒng)的余熱余壓回收技術(shù)越來越成熟,在鋼鐵企業(yè)的也得到了廣泛普及,未來的回收利用空間越來越少,難度也越來越大。如何進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力,加大余熱的回收利用,特別是在低溫廢棄的余熱回收利用,是目前企業(yè)面臨和亟待解決的問題[7]。

        3 相變儲熱技術(shù)及其在工業(yè)余熱上的利用應(yīng)用

        相變儲熱技術(shù)是以相變儲能材料為基礎(chǔ)的高新技術(shù),因?yàn)樗膬δ苊芏却笄逸敵龅臏囟群湍芰肯喈?dāng)穩(wěn)定。它可以利用電熱蓄能來“電力削峰填谷”,也可用于新能源,工業(yè)余熱回收,新型家用電熱電器開發(fā),建筑節(jié)能及其航空航天等領(lǐng)域。相變儲能材料是相變儲熱技術(shù)的基礎(chǔ),研究和開發(fā)相變潛熱大,性能穩(wěn)定和性價(jià)比高的相變材料是重中之重。

        3.1 相變儲熱材料

        相變材料(PCM)或稱相變儲能材料,它屬于能源材料的范疇。相變材料是指在能被利用其在物態(tài)變化時(shí)所吸收的(放出)的大量熱能用于能量儲能的材料。根據(jù)相變類型相變材料可分為分為固-固、固-液、氣-液和固-氣相變相變儲能材料。由于固-氣、液-氣相變儲能材料盡管相變潛熱大,但相變過程中產(chǎn)生大量氣體,危險(xiǎn)系數(shù)大,實(shí)際應(yīng)用少,所以使用廣泛的相變材料多為固-液及固-固相變材料[8]。固-液相變材料相變潛熱大,但易泄露、腐蝕等,對容器的要求及其封裝技術(shù)比較高;固-固相變材料相變潛熱低,但不存在泄露和腐蝕的問題[9]。從相變溫度上劃分,可分為高溫(450℃以上),中溫(100℃~450℃)和低溫(<100℃)相變儲能材料[10]。高溫的相變材料適用于工業(yè)余熱/廢熱回收,電力調(diào)峰和太陽能熱發(fā)電等;中溫相變材料適用于太陽能蓄能系統(tǒng)等;低溫的相變材料適用于空調(diào)系統(tǒng),建筑節(jié)能保溫隔熱,電池?zé)峁芾淼萚11-14]。按相變材料上的劃分可分為無機(jī)類,有機(jī)類和復(fù)合相變材料。無機(jī)類相變材料包括結(jié)晶水合鹽,熔融鹽、金屬合金等,其中結(jié)晶水合鹽應(yīng)用廣泛,具有較高的潛熱密度,可供選擇的熔點(diǎn)范圍廣,但容易出現(xiàn)相分層和過冷現(xiàn)象;有機(jī)類相變材料主要有石蠟,脂酸,其他有機(jī)酸類等,有機(jī)類相變材料固體狀態(tài)成型性好,一般不會出現(xiàn)相分離和過冷現(xiàn)象,熱穩(wěn)定性好,腐蝕性低但導(dǎo)熱系數(shù)低,單位體積的儲熱能力較小等;復(fù)合相變材料是通過一定的方法,將兩種或兩種以上的相變材料復(fù)合,使之可以得到更為優(yōu)越的相變材料[11,15]。

        3.2 相變儲熱技術(shù)在冶金余熱回收的應(yīng)用

        工業(yè)余熱存在著間歇性、不穩(wěn)定性、能量密度低等特點(diǎn),金翼等人[16]提出了采用中高溫相變儲熱技術(shù)有效地將各種間歇性工業(yè)余熱收集并轉(zhuǎn)化成可以直接利用、儲存和運(yùn)輸?shù)哪茉?。?dāng)相變儲能技術(shù)用于工業(yè)窯爐的余熱回收時(shí),節(jié)能效果比常規(guī)蓄熱器技術(shù)大大提高,且系統(tǒng)和設(shè)備的體積減小。如對100t的鍛造加熱爐回收的余熱不僅可用于本身的助燃空氣加熱,多余的能量還可用于鍛件的熱處理和其他生活用途,這樣就比常規(guī)換熱器的熱效率多提高9.1%[11]。孫守斌等人[17]設(shè)計(jì)制造一套在鋼鐵行業(yè)中低溫?zé)煔庥酂峄厥盏南嘧儍嵫b置,相變材料用的是NaN/Si,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示下,該套裝置儲熱時(shí)最大儲熱效率為68.3%,放熱時(shí)最大放熱效率約為60%;高溫?zé)犸L(fēng)爐是煉鐵高爐的主要輔助設(shè)備之一,提高熱風(fēng)溫度可使煉鐵焦比降低,采用相變蓄能元件代替耐火格子磚,以提高熱風(fēng)爐的工作效率;在鍛造廠為鍛造加熱的室狀加熱爐與熱處理爐的開停時(shí)間不一樣,導(dǎo)致到鍛造加熱爐的能量耗損,如果采用儲能換熱裝置將鍛造爐的余熱回收,一方面可用于本身的空氣預(yù)熱,還有剩余的能量可用于熱處理的預(yù)熱、升溫和空氣助燃。廣州鋼鐵廠三座高溫?zé)犸L(fēng)爐的調(diào)研表明[12]:在相同的條件下,在蓄熱溫度400℃~900℃的溫度范圍內(nèi)采用金屬蓄熱元件和復(fù)合陶瓷蓄熱材料是普通耐火磚的蓄熱量的2-3倍,并且體積減少34.7%~40.5%,高度降低了8m~9.4m,建造費(fèi)用也降低了7.7%~10.5%。

        4 結(jié)語

        余熱資源是冶金行業(yè)的重要能源之一;企業(yè)充分的利用余熱資源,不僅提高經(jīng)濟(jì)效益,還能符合國家的節(jié)能減排。相變儲能技術(shù)是屬于新型的儲熱技術(shù),通過相變儲熱技術(shù),可以提高冶金的能源效率,還可以提高余熱的回收效率,有效的將余熱資源充分的利用。針對于冶金工業(yè)余熱間歇性、不穩(wěn)定性、能量密度低等特點(diǎn),可以利用相變儲熱技術(shù)將余熱更好的儲存利用起來。

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