钢铁厂节能减排余热回收若干关键技术研究与发展.ppt

1 钢铁厂节能减排及余热回收利用若干关键技术研究与发展 中国金属学会能源与热工学会蔡九菊二 八年十一月于贵阳市 2 一前言 钢铁工业是典型的流程工业 上靠天然资源 矿产 能源 水 下系周边环境 固 液 气体废弃物 对资源 能源 环境的影响举足轻重 资源紧缺与环境脆弱 成为钢铁工业高速发展的瓶颈约束 节能减排 是缓解资源和环境问题的重要举措 是企业生产与经营方式的根本转变 是管理者及科技工作者履行社会 经经 环境责任的庄严承诺 减量化 是节能减排的切入点 节能与减排 节能优先 节能需要理论和技术的双重支撑 既要节约用能 更要科学用能 1 1节能减排的重要性 3 1 2钢铁企业的能耗水平及其影响因素分析 第i工序能耗中余热余能的回收利用量kgce t产品 第i工序能耗中能源的直接消耗量 kgce t产品 的分解 吨钢能耗e p式 4 1 降低吨钢能耗e p分析法 能源介质的实物消耗量gj余热余能的回收利用量bi能源转换过程所消耗的能量cj 能源介质的能值或折算系数 工艺流程生产及产品结构废弃物的回收利用 再使用 再资源化 直接影响因素 在研究钢铁企业能源消耗时 同时分析钢比系数和工序能耗这两类因素的方法 称作e p分析法 主张能源按工序进行横向管理 注重每道工序的能源消耗与回收 强化余热余能的回收利用 以及各工序之间的热衔接 间接影响因素 5 图1我国钢铁工业1980 2005直接与间接节能效果分析图 1980 1995年主要依靠降低各工序能耗 直接节能占62 5 间接节能占37 5 1996 2005年主要依靠钢铁工业的结构调整和流程优化 间接节能上升到51 9 直接节能下降为48 1 6 2005年我国大中型钢铁企业吨钢可比能耗与先进产钢国对照表 7 2 降低吨钢能耗c g分析法 能源的分配 缓冲及使用能源介质的回收量能源介质的放散量能源介质的消耗量 能源的种类与品质动力介质的生产及能量消耗能源转换设备及效率能源管网设施与能量输送 在研究钢铁企业能耗时 同时分析能源介质的转换效率及其吨钢消耗量这两类因素的方法 称作c g分析法 提倡能源按介质进行纵向管理 注重提高能源介质的转换效率 合理分配 缓冲和使用 节约能源 避免放散 发挥能源中心的离线优化和在线调控作用 吨钢能耗c g式 生产每吨钢消耗j种能源介质的数量 单位 t钢 第j种能源介质的折算标准煤系数 kgce 单位 影响因素 8 降低主生产流程各工序的燃料 电力 氧气 蒸汽 压缩空气和工业水等能源 动力的消耗量 提高能源加工 改质等环节的转换效率 即降低生产1t焦炭 1kWh电 1m3氧气等所消耗的能源量 减小能源介质的折标煤系数 回收利用生产过程中散失的各种余热余能余热 产品显热 渣显热 烟气显热 冷却水显热余能 转炉煤气 高炉炉顶余压 冷却水余压 1 3节能方向与途径 减少焦炉 高炉 转炉煤气 氧气 蒸汽和高炉鼓风等能源 动力介质的放散量 9 二我国钢铁厂余热余能资源的现状 余热按品种分类余热按品质分类 高温余热 900 40 中温余热 400 900 26 低温余热 400 34 单位 GJ 产品显热3 35GJ39 废气显热3 10GJ37 冷却水显热1 24GJ15 熔渣显热0 74GJ9 10 1 产品显热及其回收利用情况 红焦 钢坯 铁水显热为高温余热回收率58 2 1钢铁厂余热资源的种类 产品显热共计3 35GJ t钢 回收率50 烧结矿显热为中温余热回收率20 单位 GJ 11 转炉钢渣 高炉渣1500 1600 0 74GJ t钢 转炉钢渣显热没回收高炉水冲渣余热水用于冬季取暖 2 熔渣显热及其回收利用情况 12 3 废气显热及其回收利用情况 废气显热共3 11GJ t钢 回收利用率15 高温余热有LDG显热 回收率可达40 中温余热有COG显热 热风炉烟气 加热炉烟气显热 回收率30 低温余热有烧结废烟气显热 焦炉烟气显热 BFG显热 基本无回收 13 我国余热回收率平均约30 国内先进40 国外先进50 采取目前先进回收技术理论上可回收68 我国与国际先进水平还有很大差距 余热回收潜力很大 44 30 2 2钢铁厂余热资源的品质 1 余热资源总量 3 36 2 19 2 89 8 44GJ t钢 14 2 余热资源及回收利用情况统计表 单位 GJ t 15 余能资源及回收利用情况统计表 单位 GJ 2 3钢铁厂的余压资源及转炉煤气回收 2005年我国共有高炉约1232座 其中1000m3以上高炉108座 TRT普及率100 干法除尘比例达30 1000m3以下20多座高炉配备TRT 全部为干法除尘 在正常生产条件下 吨铁回收电力20 40kWh 可满足高炉鼓风用电的30 TRT配有干法除尘装置 则吨铁回收电力比湿法多30 40 最高可回收电力约54kWh 统计表明 高炉顶压上升1kPa 吨铁发电量可提高0 135kWh 高炉炉顶压力在0 12MPa以上时 采用TRT技术经济上是合理的 16 各生产工序不能及时地足量地回收本工序所产生的各种余热和余能 余热回收率低 且数量不足 对业已回收的各种热量得不到最有效地利用 受热源温度低 供应量不稳定或季节变化等因素影响 造成回收后的热风 蒸汽 热水等能量的部分放散 能量利用率低 余热回收利用的理论研究滞后 关键技术和设备依赖进口 缺乏集成创新和引进消化吸收后的再创新 回收的热能要么贬值严重 要么不稳定 难于满足用户需求 造成大量的低温余热派不上用场 部分企业规模小 产能低 装备落后 余热回收技术和设备投资大 不经济 回收的热量少 得不偿失 影响了部分企业回收余热的积极性 2 4影响余热余能资源回收利用的主要因素 17 我国烧结工序能耗约占企业总能耗15 仅次于炼铁工序 比国外先进指标高出20 以上 主要原因之一是余热资源回收与利用水平低 烧结余热回收做得好的国家是日本 住友和歌山钢厂的4号烧结机生产每吨烧结矿可回收蒸汽量110 120kg 其中低压蒸气为175 0 78MPa 中压蒸汽375 2 55MPa 吨矿回收电力20kWh 工序能耗40kgce t 我国马钢引进日本川崎余热发电技术 2台328m2烧结机余热发电 2005年9月投产 装机容量17 5MW 吨矿发电10kWh 年发电0 7亿kWh 经济效益4000万元以上 年节约3万tce 济钢1台320m2烧结机国产化余热发电系统 2007年1月投产 装机容量10MW 吨矿发电17kWh 年发电0 7亿kWh 三烧结过程节能及余热回收利用技术 18 烧结机 环冷机 3 1烧结过程余热资源的组成及特点 烧结废气显热 从烧结机下部抽出的烧结废气所携带 烧结产品显热 从冷却机上部排出的冷却废气所携带 却废气温度低且变化频繁 属典型中低温余热资源 废气流量大且漏风严重 烧结机吸冷风 环冷机漏热风 高温高效回收烧结余热资源的前提是烧结 冷却废气的减量化 组成 特点 19 360m2烧结机热平衡表 以生产1000kg烧结矿为基准 不含电力消耗 日本住友金属工业和歌山制铁所No 烧结机 烧结过程的燃料消耗 1295MJ t 44 3kgce t烧结矿 不含电力消耗 回收余热资源量 1295 30 1 MJ t 13 3kgce t烧结矿 与所耗电力能耗相当 20 沿烧结机长度方向CO2 CO O2和H2O的浓度变化曲线 Neusch tz 1996 沿烧结机长度方向烧结废气成分的变化 体积 21 沿烧结机长度方向废气中SO2 NOX浓度及其温度变化曲线 Neusch tz 1996 沿烧结机长度方向烧结废气硫含量及其温度的变化 22 研究余热资源的回收与利用 不仅要看余热资源数量之多少 还要看质量之高低 尽量减少回收过程中热能的贬值 烧结余热资源的 数量 与 质量 均与生产工艺 回收方式及装备水平密切相关 充分回收利用不同温度水平的余热资源 不只是节能的需要 也是减排的需要 更是改善烧结工艺和提高烧结矿质量的需要 一举多得 最初的环冷机设计是为冷却烧结矿服务的 现在既要冷却烧结矿又要回收热量 所以 烧结机 环冷机的结构设计与热工操作都应进行相应的变化 3 2烧结余热回收利用的基本原则 23 烧结抽风面积132平方米 抽取40 45 的烧结废气返回到烧结机台面 再与新鲜空气混合进入集气罩 其内气体 湿气 新鲜空气 的氧浓度为14 15 见EOS系统示意图 效果 烧结机的废气排放总量减少40 50 粉尘排放量减少60 经旋风除尘器回收粉尘的减少量 SO2排放量减少15 20 NOX减少30 45 碳氢化合物减少50 烧结机的固体燃料消耗降低10 15 将烧结余热用锅炉回收并生产蒸汽 以及预热点火炉的助燃空气 两者回收的能量分别为18 和2 2 共占总能量需求量的20 2 1 基于环境保护 废气排放最小化 的烧结机废气显热回收利用技术 EOS EmissionOptimisedSintering 荷兰HoogovensIjmuiden工厂 1997 3 3国外钢铁企业余热资源的回收与利用技术 24 Hoogovens钢厂132m2烧结机EOS系统示意图 日产钢4700t d EOS要求另安抽风机 额外增加200 400KW电容量 将使吨烧结矿电耗增加0 003 0 008GJ t EOS系统全覆盖带式烧结机全景图 Hoogovens1997 25 两种烧结余热回收工艺废气排放量等指标的比较 Hoogovens钢厂132m2烧结机生产数据 1994年 26 日本新日铁3号烧结机烧结废气分区再循环系统图 O2 SO2 H2O T 2 烧结废气分区再循环显热回收技术 日本新日铁480平方米烧结机台面被划分为4个不同区域 实施烧结废气分区再循环 27 新日铁480平米3 烧结机烧结废气分区循环气体参数 1992 循环废气保持较高的氧气浓度 19 1 和较低的气体湿度 3 6 使废气中没有耗尽的氧气通过再循环得以利用 进而减少了废气生成量 废气循环率达到25 废气根据所含硫份不同分别治理 进而提高待处理废气的温度和单台设备的废气处理负荷 降低了环保设备的投资和运行成本 28 日本和歌山4号烧结厂 将烧结矿冷却器和烧结机为一体 Strandcooling 将烧结废气和冷却废气先都通入废热锅炉生产蒸汽 然后再返回到烧结机台面循环使用 节能效果 回收烧结余热资源达30 每吨烧结矿生产蒸汽120kg 其中低压蒸气为175 0 78MPa 中压蒸汽375 2 55MPa 吨矿回收电力20kWh 工序燃料消耗44 3kgce t 3 基于能源节约 工序能耗最小 的烧结废气显热综合回收利用技术 同时回收烧结废气和冷却废气显热 用于生产蒸汽 发电 供给烧结工艺用热等 29 和歌山No 4带式烧结机废气多重循环系统 改造后 30 措施 奥地利VoestalpineStahl烧结厂将原烧结机延长18米 保持原废气排放量不变 增产三分之一 将11 16号风箱的高温烧结废气返回到烧结机台面循环使用 将烧结矿环冷机的部分热空气与通向烧结台面的高温烧结废气混合 以补充闭路循环烧结废气中氧气含量的不足 效果 烧结机日产量提高了30 7 吨烧结矿废气排放量减少17 4 以上 降低固体燃料消耗10 降低点火炉煤气燃耗20 3 4举例 奥地利烧结厂的节能减排 31 Eposint不同于其他烧结废气循环工艺 其特点是根据各个风箱的流量和污染物排放浓度 用于循环目的的气流仅来自位于废气温度升高区域的风箱 在奥钢联公司 这一区域大致位于新加长烧结机的3 4长度处 即11 16号风箱处 第二台鼓风机 废气循环风机 与原有的工艺风机并列安装 以保证烧结工艺获得必要的吸气压力 循环风机的作用是从废气升温的风箱中排出废气并将其送回到烧结机中 图2 1为奥钢联公司的Eposint工艺示意图 Eposint 烧结废气选择性循环工艺 Eposint是 环保型工艺优化烧结 的缩写 此工艺可以使烧结废气返回烧结机进行循环 即典型的烧结废气中含有约12 13 剩余氧 在加入少量空气补充后重新返回到烧结工艺中 Eposint工艺可以减少SOx NOx绝对排放量并可以降低废气中的二噁英和汞浓度 同时也减少了焦炭的单位消耗量 32 图2 1奥钢联公司Eposint选择性废气循环工艺示意图 33 一级余热回收与利用系统 取环冷机的高温废气循环使用 进 双压 余热锅炉 入 补汽凝汽式 汽轮机发电系统 3 5烧结过程余热资源分级回收梯级利用技术 二级余热回收与利用系统 取部分烧结废气 中温冷却废气返回烧结机台面 进行热风烧结 预热点火炉助燃空气 三级余热回收与利用系统 取环冷机的低温冷却废气预热并干燥烧结原料 减少料层中水分含量提高料面温度 为烧结料面的低负荷点火创造条件 改善烧结工艺 降低点火煤气消耗 提高烧结料层的透气性 减少漏风率 34 至烟囱 至烟囱 ESP 400oC 350oC 烧结余热分级回收梯级利用工艺流程系统图 35 四轧钢过程节能及余热回收利用技术 加热炉节能减排部分 4 1关于能耗评价指标 1 热效率 被利用的有效热与所消耗的总能量在数量上的比值 第一定律 用其评价能源转换装置可以 用其评价热工设备不一定合理 有时缺乏可比性 2 单位产品能耗 某种产品生产过程所消耗的能源量 是评价热工设备完善性和用能系统合理性的最终判据 对能源转换设备或过程而言 热效率指标和单位能耗指标一致 b b 对用能设备或生产过程而言 热效率指标和单位能耗指标不一致 b b 36 例一 冷装料 热效率 高 温差大 钢坯得到的热量份额大 单位产品能耗大 温差大 传热 损失大 热效率 低 温差小 钢坯得到的热量份额少 单位产品能耗低 温差小 传热 损失少 热装料 37 4 2热价值理论在加热炉节能中的应用 炉子热平衡只反映炉子的热能收入与支出的总体状况 无法确定每一种热能收入或支出项变化对燃料消耗所产生的不同影响 热平衡理论 第一定律 认为供给炉子相同数量的各种物理热和化学热对物料加热具有同等的热效率 实则不然 任世铮教授提出 热价值 理论 用其分析评价供给热设备的各种热能的价值 指出 不同能量的意义是不一样的 动力设备和热工设备各有不同的价值标准 工业炉不宜看作为动力设备而与动力锅炉混为一谈 38 1 热价值的定义 向加热炉内引入某种热量 最终被炉料带走而成为有效热的部分占引入热量的比值 称为该热量的热价值 单位为kJ kJ 任世铮 1978年 热价值理论是工业炉节能 增产的理论 它不同于通常所说的热效率 黑箱法 算总账 而以热价值不同来区分供给炉内的每一种热量 供给加热炉的某种热量 或依附于炉气或依附于物料 并随热能的种类 品质 炉气与物料间的换热行程 炉子的长短 供热点的位置的不同 而有不同的热价值 供给炉子的热量有燃料的化学热Q燃料 预热空气的物理热Q空气 热装钢坯的物理热O热装 在炉子结构和操作一定的情况下 它们的热价值是不同的 39 39 热量依附于炉气 空气预热 的热价值V1 热量依附于钢坯 钢坯预热 的热价值V2 2 热价值的计算 W1 炉气的水当量 W1 G1 C1W2 钢坯的水当量 W2 G2 C2F0 总换热面积 K 传热系数 40 40 V热装 V预热空气 V燃料化学热 举例 某连续式加热炉 燃用混合煤气的热值为7535kJ Nm3 空气预热温度500 钢坯热装温度500 钢坯出炉温度1200 轧钢过程节能首当其冲的是提高钢坯热送率和热装温度 41 3 助燃空气的热价值随预热温度的变化 42 4 热装钢坯的热价值随入炉温度的变化 43 5 推论 供给炉子相同的热量 空气预热温度越高 炉子越长 其热价值越大 钢坯带给炉子相同的热量 入炉温度越高 炉子越短 其热价值越大 当热装率和热装温度较高时 在炉子供热负荷不变的情况下 W2变大 故W1 W2变小 为保证物料有较高的热价值 炉子应短些 选用蓄热式炉型较好 当冷装料或热装温度较低时 W1 W2变大 炉子应长些 选用换热式加热炉较好 当空气预热温度较高时 在炉子供热负荷不变的情况下W1变小 故W1 W2变小 为保证炉气有较高的热价值 炉气与钢坯热交换的时间应长些 实际恰好相反 现有的一些蓄热式炉子的空气 煤气预热温度虽然很高 但燃烧产物即炉气沿炉子宽度方向与炉料热交换的时间却很短 当空气预热温度较低时 W1 W2较大 炉气在炉内热交换时间可短些 44 44 4 3关于蓄热式加热炉的炉膛压力问题 增设副烟道的作用 1 蓄热式加热炉炉膛压力冷态实验 1 蓄热式加热炉本体2 阀门3 流量计4 引风机5 四通换向阀6 鼓风机7 压力计 45 45 2 副烟道的调压作用 冷态实验结果 A1 排烟面积 含副烟道 A2 炉气入口面积 不同A1 A2比值时炉膛压力沿炉宽方向的变化 46 46 某实际加热炉 120t h 28m长 8 6m宽 的热态模拟结果 加热炉设置辅助烟道后 多余的炉气在辅助烟道流出 致使炉门处炉气流速减缓 炉压降低 炉门冒火现象减弱 47 47 蓄热式加热炉设置辅助烟道后 炉膛压力降低 表现在沿炉长和炉宽方向等压线之间的压力梯度变缓 炉膛炉压趋于均匀 有望控制炉压 48 1 余热回收对加热炉燃料消耗的影响 无余热回收的炉子 间壁式换热器 金属制 炉温 1350 预热空气温度 30 4 4关于蓄热 换热式联用加热炉 此片引自日本JFE制钢所铃川丰 蓄热式燃烧系统在冶炼工艺中的应用 49 2 蓄热 换热式联用加热炉 针对蓄热式加热炉存在的炉膛压力高 炉体寿命短 投资高等问题 开发蓄热 换热联用式加热炉专有技术 力求发挥两种热交换器的优势 适应不同类型加热炉的加热工艺 炉型结构 操作制度的变化 有望解决目前大型蓄热式加热炉炉压偏高 大型化和不易控制等问题 换热区段炉气热价值 V 61 11 蓄热区段炉气热价值 V 49 96 联用方案A的热价值V 45 69 蓄热区段炉气热价值 V 64 47 换热区段炉气热价值 V 47 65 联用方案B的热价值V 59 05 50 蓄热式燃烧器在连续式加热炉部分区段的应用示意图 日本JFE铃川丰 51 五钢铁企业副产煤气资源的合理利用与优化调控 副产煤气是冶金能源的绿色因素 管好用好高炉 焦炉 转炉三种煤气资源是钢铁企业节能减排的首选 如果一个企业面对宝贵的煤气资源都不能管好用好 还何谈对其他能源的管理与节约 副产煤气的集约利用关系到煤气的回收 存储 分配和使用等每个环节 必须依据煤气资源的数量 品质 热值 和用户需求 确定各种煤气的合理利用方式和优先使用顺序 做到 按质用气 热值对口 有序利用 随着钢铁企业的结构调整 流程进步 能源节约和转炉煤气回收量的不断增加 使长期制约企业发展的煤气供需矛盾开始缓解 从煤气严重不足 到基本持平 到出现不同程度的剩余 煤气富余量平均在20 50 不管煤气的供需数量如何变化 企业中煤气的瞬时生产与使用量始终是不平衡的 52 必须用 不平衡 的观点清醒认识企业中煤气资源供需关系的变化规律 科学地规划制定煤气供应与使用间的 不平衡 策略 特别是富余煤气的缓冲和使用问题 没有缓冲用户 硬件 没有调控手段 软件 避免煤气放散便是一句空话 不同规模钢铁联合企业副产煤气回收与利用情况统计表 53 5 1钢铁联合企业煤气资源的供应与需求分析 如前所述 将企业生产一吨钢消耗的煤气里量划分为固定用户消耗 缓冲用户消耗 煤气放散三部分 0 10 固定用户的小时煤气