钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨.doc

钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨莱钢科技2009年10月钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨范书昌(热电厂)摘要:简要介绍了我国钢铁工业能源利用现状,介绍了几种较为成熟的余热发电技术方案以及技术经济分析,案例.在介绍莱钢能源利用情况的基础上,提出了莱钢充分利用余热资源,大力发展循环经济的建议.关键词:余热回收发电建议1钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨随着钢产量的高速增长,钢铁工业总能耗占全国能源消耗总量的比例由2000年的10%升高到2007年的14.71%.2007年我国大中型钢铁企业吨钢综合能耗为632.12kg/t钢.约占钢铁工业各种炉窑的能量消耗中的15%35%的废气余热,在我国许多钢铁企业未得到充分利用,是造成企业能耗高的一个重要原因.在余热余能利用方面,发达国家的余热余能回收率已达到92%以上,其企业能耗费用仅占产品成本的14%.我国比较先进的企业,如宝钢的余热余能回收率约为68%,其能源费用占产品成本的21.3%.而大多数钢铁企作者简介:范书昌(1963一),男,1984年7月毕业于山东工业大学热动专业.现为热电厂副厂长,高级工程师.+w+一+业的余热余能回收率则低于50%,能源费用占产品成本的30%以上.大力发展循环经济,开展节能降耗和综合利用,实现能耗最少的目标,钢铁行业具有巨大的节能潜力.就钢铁工业的炼铁,炼钢,压延三大部分的工艺流程而言,具有显着节能效果的可利用的余热,余能资源主要有:1)焦化工序的红焦显热,焦炉烟气显热和荒煤气显热.2)烧结工序的烧结矿显热,烧结机烟气和冷却机废气显热.3)炼铁工序的高炉渣显热,高炉煤气显热,热风炉烟气显热,高炉煤气余压等.4)炼钢工序的钢渣显热,转炉煤气显热,连铸坯显热等.5)轧钢工序的加热炉,退火炉,均热炉,淬ContinuouslyAdvanceCircularEconomyDevelopmentinLaigangbyRelyingonTechnicalSuppoZhangShengsheng(LaiwuSteelGroup,Ltd)Abstract:Circulareconomyisarightapproachtosolvingtheproblemsbetweendevelopmentandresources,anddevelopmentandenvironment.Thedevelopmentofcirculareconomyinironandsteelenter-prisesisbasicallycharacterizedbyacombinationofmanyindustries,adiversityofdepletedresources,complexityoftechnologicalsystem,compositenatureofeconomicsystemoperation,etc.,SOitisnecessarytosetupaperfecttechecosupportingsystem.Thetechnicalsupportingsystemfordevelopingcir-culareconomyinLaigangisprogressivelyshapingup,theworkforthenextstepofwhichshouldbetohaveaclearmaindirectionofattackandtoconsummatethetechnicalsupportingsystemfordevelopingcirculareconomytoadvanceitssounddevelopment.Keywords:circulareconomy;technicalsupportingsystem;Laigang(LaiwuSteelGroup)5范书昌:钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨第5期(总第143期)火炉等所排放的烟气显热等.利用纯低温余热回收和利用技术,可大量回收和充分利用钢铁工业从原料,焦化,烧结,炼铁,炼钢,连铸以及轧钢等生产过程中产生的大量低温废气(汽)余热,并可用于采暖,制冷,发电或热电联供,是钢铁工业节能降耗的有效措施之一.2较成熟的余热回收和发电的技术方案2.1转炉蒸汽发电技术方案转炉炉气是在钢的精炼过程中产生的气体,在非燃烧状态下其温度为14001500,这些烟气经过汽化冷却烟道(即余热锅炉)初步冷却后,进入转炉煤气回收系统.烟道式余热锅炉以水为介质,利用转炉炼钢时产生的高温烟气余热作为热源产生蒸汽.该锅炉一般分为自然循环汽化冷却,强制循环汽化冷却.汽化冷却装置由附在烟道上的汽化冷却管道及上升管,下降管组成资料统计分析,我国目前以水为介质的烟道式余热锅炉的吨钢产汽能力一般为80100kg/t钢.由于转炉生产呈周期性,因此排出的烟气余热也是间断的,周期性的,使的转炉余热锅炉只能间断的产生蒸汽.为使间断供汽变为连续,稳定的汽源,在供汽系统中设置蒸汽蓄热器,热效率可提高3%5%.蓄热器是一种变压式蓄热装置,其工作原理是通过改变工作压力进行蓄,放热,适用于蒸汽负荷波动的供汽系统,可均衡尖峰蒸汽负荷,实现烟道式余热锅炉的平稳供汽.2.1.1带蓄热器的饱和蒸汽发电方案饱和蒸汽发电系统的主要流程为:转炉在吹炼期内产生的高温烟气进入汽化冷却烟道(即余热锅炉),余热锅炉生产的压力为2.5MPa饱和蒸汽,一部分进入蓄热器内,通过内部充热装置喷人热水中,使蓄热器内部水温升高.另一部分蒸汽经调压阀减压至1.3MPa送入汽轮机.转炉在非吹炼期内,余热锅炉不产生蒸汽,调压阀前蒸汽压力不断下降,此时蓄热器内的高压饱和水降压后产生饱和蒸汽,饱和蒸汽经调压阀减压至1.3MPa送入汽轮机.蒸汽在汽轮机内膨胀作功,最终在冷凝器内凝结为水,冷凝水泵将冷凝水从冷凝器内抽出,送至除氧器,除氧后由给水泵送至余热锅炉系统,进行再循环.为了防止凝结水进入汽轮机,汽轮机入口前设有汽水分离装置.6图1带蓄热器饱和蒸汽发电系统流程2.1.2蒸汽制取系统以3台生产能力为120t的炼钢转炉为例:为利用烟气余热,每台转炉装有1座余热锅炉,组成1个蒸汽制取系统.按吨钢产汽能力90kg/t钢计算,3台转炉的蒸汽制取系统单位时间平均可制取饱和蒸汽约54t/h,当采用低参数凝汽式饱和蒸汽汽轮发电机组将蒸汽转化为电能时,平均发电能力约为6750kW,同时回收冷凝水48.6t/h.一主要技术经济指标测算方法年效益:6750kW7200h(18%)(0.55元/kWh一0.15kWh)=1788万元回收冷凝水效益:48.6t/h14t7200h:490万年全年经济效益:1788+490=2278万元/年投资回收期:总造价约5000万元,回收期为2.2年(含建设期).2.1.3实际案例某公司有445t转炉,该公司建设了一台补汽凝汽式汽轮发电机组,主蒸汽参数1.0MPa,182qC;补汽参数0.2MPa,140.装机容量为:汽轮机组12MW,发电机组15MW.该机组共投资4000余万元,于2008年6月投产.目前稳定运行在1012MW.2.2烧结废气的余热发电方案1)在钢铁生产过程中,烧结工序的能耗约占总能耗的10%,仅次于炼铁工序而位居第二.在烧结工序总能耗中,有近50%的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排人大气,既浪费了热能又污染了环境.由于烧结废气的温度不高,以往人们对这部分热能的回收利用重视不够.但实际上大有文章可做,因为烧结废气不仅数量大,而且可供回收的热量也很大.2)烧结工序的冷却机工作原理与水泥工艺的莱钢科技2009年l0月熟料冷却机的工作原理十分相似,赤热的烧结矿石从烧结机进入冷却机时的温度高达500700.在烧结机中反应终了的矿石经过破碎,移送至冷却器,并形成一定厚度的填充层.填充层一面向前移动,一面被从下部送入的空气逐次冷却,当冷却至150200时,排出冷却器向高炉输送.与烧结矿石进行热交换的空气,通过在冷却器上方设置的多个排气孔排出.烧结矿冷却器内排气温度的实测值如图2所示.这时烧结矿石进入冷却器时的实测温度为650oC.烧结矿冷却机的排风温度梯度数值34036024018014080赤热烧结矿.口口.口口口口.晒平酽一加敛风机鼓风机鼓风机图2烧结矿冷却机的排风温度梯度数值3)烧结矿石在冷却过程中,每吨矿石被空气带走的热量为3960万l【J,约占总热耗量的30%.回收利用这部分显热,对烧结工序的节能具有举足轻重的作用.为了更有效的回收烧结矿石的冷却显热,应尽量提高冷却媒体(此处是空气)的温度水平,为此可采取下述各项措施:a.尽量提高烧结矿装入时的温度.b.增加冷却器填充层的厚度,这就意味着要减缓烧结矿在冷却器内的移动速度.O.提高冷却媒体(空气)的人口温度.为此可采取热风再循环的办法,将在余热回收装置中经过换热后的媒体再循环使用.d.选择合适的冷却媒体的风速和风量.实践证明,冷却每吨烧结矿的合适风量为700800Nm.e.一个典型的应用余热锅炉的余热发电系统如图3所示.通过系统中几个阀门的调节,可实现热风的全部再循环,部分再循环或完全不循环(开式循环).f烧结废气的余热发电案例:案例:2004年2月,马鞍山钢铁公司同日本川崎公司签定了利用烧结余热发电项目的合同,将两台300m烧结机产生的余热进行回收发电.设计装机容量为1.75万kW,年发电量为1.4亿kwh.l一除尘;2一过热器;3一汽包;4一汽轮机;5一化学补水箱;6一除氧器给水泵;7一除氧器;8一锅炉循环泵;9一给水泵;10.管束;11一省煤器;12一引风机;13一鼓风机;14一矿石图3典型的应用余热锅炉的余热发电系统该工程总投资人民币1.486亿元,于2005年9月并网发电成功,标志着我国冶金行业第一家烧结带冷机余热发电机组开始进入正式运行.这一工程填补了我国冶金行业的一项节能技术空白,具有较高的经济,社会和环境效益.据马钢介绍,机组日发电量平均在20万kWh以上.昏国内其它钢厂烧结余热发电情况济钢二烧一套320m烧结机装机8.2MW,2007年3月投运;安阳钢厂两套350m装机25MW,2008年9月投运,正常运行在2022MW.据了解,这些设备目前均运行正常.2.3轧钢加热炉烟气的余热发电方案对出加热炉温度为650800oC的高温烟气,可以通过各种换热器预热空气或煤气;换热器后4400较难回收的低温烟气,可以采用低温余热发电技术进一步回收和利用,而经过余热锅炉后排人烟囱的温度可降至100oC以下.理论计算表明,在烟气温度为400oC时,每1万m的烟气具有200kW的发电能力.以100t/h的加热炉为例,其烟气量约为37500Nm/h,具有750kW的发电能力.图4轧钢加热炉低温烟气余热发电系统流程7范书昌:钢铁企业余热余能回收及发电技术的探讨第5期(总第143期)从国内冶金企业轧钢加热炉情况来看,大部分冶金企业普遍存在单台加热炉容量偏小,但数量较多的特点,从技术经济比较和投资收益平衡分析来看,单座电站装机容量在3000kW以上时,由于发电能力较大,经济效益较高,投资回收期较短.因此首选的方案显然是多台加热炉的联合发电.据工程设计和理论测算,工程建设投资额一般为60008000kW,投资回收期为2.53.5年.2.4余热回收利用的区域发电方案方案选择:在钢铁联合企业燃烧排气的余热利用方案中,一般应当采用先自身利用,后对外供能的方针,提高炉窑本身的热效率,节约炉窑所消耗的一次能源,并降低原料的消耗和减少环境污染.当企业燃烧排气的设备数量较多,单台余热量较小,且热源较分散时,可采取按工序区域或余热的品位划分成若干个相对集中的独立电站,所产生的蒸汽通过各自的管网,向发电系统供汽.该方案即可减少由于输汽管路过长,造成的蒸汽压力损失和温降,提高系统循环热效率,又可避免单台小机组重复建设带来的投资效益降低,系统运行不稳定的缺陷.区域发电的装机规模一般应控制在3.0一l5MW之间为宜.针对各种不同参数的低温余热进行回收发电,应采取与之相适应的技术和措施,根据一般钢铁企业厂区布置情况,可分为铁前和炼钢两大区域.1)炼铁区域包括焦炉烟气显热,荒煤气显热回收蒸汽,烧结机及冷却机烟气余热锅炉蒸汽,高炉热风炉废气余热锅炉蒸汽等.铁前区域低温余热发电流程见图5.2)炼钢区域包括转炉饱和蒸汽,各种加热炉烟气余热锅炉蒸汽,连铸坯结晶汽化冷却装置蒸汽等.炼钢区域低温废气余热发电流程见图6.8图5铁前区域低温余热发电流程图6炼钢区域低温废气余热发电流程3)针对钢铁工业的低温余热品位和煤气资源状况,上述系统又可分为饱和蒸汽发电方案和过热蒸汽发电方案两种类型.4)余热回收利用的区域发电方案工程实例抚顺新钢铁有限责任公司地处我国北方严寒地区,厂区具有余热蒸汽统一管网.蒸汽主要来自公司内部各烧结,炼钢,轧钢等余热锅炉,流量在3650t/h之间波动,压力为0.49MPa.项目实施前,蒸汽的主要用途是满足冬季的采暖,其次才是生产工艺中的很小一部分蒸汽用量.夏季绝大部分蒸汽都对空排放了,不仅浪费了大量的能源,同时对环境也造成了一定的污染,特别是排放了大量的软化水,对水资源也是极大的浪费.为此,抚钢建设一座热电站.汽轮机为低参数饱和蒸汽凝汽式机组,所带附属设备有冷凝器,热井液位自动调节装置,冷凝器抽真空装置,凝结水泵,共用油站及事故直流油泵.额定发电功率6Mw,额定电压6.3kV.主要汽水流程为:饱和蒸汽经隔离阀进入汽水分离器,通过充分的汽,水分离后,水通过疏水系统排出,汽通过速关阀进入汽轮机调节气阀总成,然后由调节汽阀控制进入汽轮机通流部分,蒸汽膨胀作功后,乏汽排人凝汽器凝结成水,再由凝结水泵排出至凝结水回收系统.余热电站工程总投资约为1900万元,单位投资为3100元.平均利用低压饱和蒸汽量为50t/h,年平均发电为5.1MW:电站年发电经济效益为:510024240x0.51=1468万元电站年回收软化水效益为:50X0.924X240x4=103万元电站年辅助设备自耗电成本为:400242400.51=117万元电站运行管理人员年费用为:132.4=31万元菜钢科技2009年l0月电站年设备维修费用为:36万元电站年补充新水费用为:30224240=34.6万元年创造经济效益为:1468+103117313634.6:1352万元工程投资回收期为:1900/1352=1.35年工程建成后,消除了多余余热蒸汽排放对周围环境造成的热污染和噪声污染.经济,社会和环境效益十分明显.2.4.5双螺杆余热发电技术方案随着技术的进步,双螺杆发电技术开始在钢铁行业实施.该技术在低介质余热回收方面有一定市场.但该技术由于受设备制造技术的限制,一般装机容量在1200kW以内,单位投资在600010000元/kW.技术经济性相对较差.3系统及发电设备选用建议3.1系统选择鉴于钢铁企业燃烧排气的设备数量较多,单台余热量较小,不稳定,且热源较分散等特点,宜采取按工序区域或余热的品位划分成若干个相对集中的独立电站,所产生的蒸汽通过各自的管网,向发电系统供汽.从而减少由于输汽管路过长,造成的蒸汽压力损失和温降,提高系统循环热效率,又可避免单台小机组重复建设带来的投资效益降低,系统运行不稳定的缺陷.3.2设备选择从机组运行的安全性,经济性方面考虑,当有部分煤气富裕时宜选用过热蒸汽发电设备.4莱钢余热余能现状及建议4.1烧结工序目前烧结矿显热,烧结机烟气和冷却机废气显热均未得到充分利用.据了解型钢烧结烟气流量约26万m/h,烟气温度300350.烧结厂老区2座105m烧结机余热锅炉非采暖季回收废气余热产生蒸汽约10tYh,可满足老区烧结工序用蒸汽.效率较低,尚有一台余热尚未得到利用.4.2炼铁工序TRT发电机组利用了高炉煤气显热,高炉渣显热,热风炉烟气显热等未得到利用.4.3炼钢工序转炉煤气显热部分得到利用,但非采暖季产生的蒸汽50t/h以上,大部分放散.钢渣显热,连铸坯显热等均未得到利用.4.4轧钢工序轧钢工序的加热炉等所排放的烟气显热等未得到利用.据了解型钢区3座斯坦因加热炉部分烟气余热没有充分利用:每座烟气流量约9万m/h烟气温度270320.4.5余热余能回收建议在进行充分调研的基础上,研究制定实施区域余热发电方案,采暖季以集中供暖为主