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我國冶金企業(yè)廢氣余熱利用的現狀

發(fā)布時(shí)間:2021-05-31瀏覽次數:77

冶金企業(yè)屬于費能型企業(yè),其能耗占全國能耗的10%左右,占工業(yè)部門(mén)能耗的15.25%。目前,能源生產(chǎn)的增長(cháng)速度尚難以適應國民經(jīng)濟發(fā)展的要求,能源價(jià)格仍呈上升趨勢,這對于能源費用占企業(yè)生產(chǎn)總成本20%30%的冶金企業(yè)將是新的挑戰。因此,節能降耗是冶金企業(yè)長(cháng)期的戰略任務(wù)。冶金企業(yè)從原料、焦化、燒結到煉鐵、煉鋼、連鑄以及軋鋼的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣,同時(shí)在各工序之間存在著(zhù)含有可利用能量的中間產(chǎn)品和半成品。充分回收和利用這些能量,是企業(yè)現代化程度的標志之一。
  在各種工業(yè)爐窯的能量支出中,廢氣余熱約占15%35%,這些廢氣凈化處理后是一種輸送和使用方便、燃燒后又無(wú)需排渣和除塵、不易造成環(huán)境污染的優(yōu)質(zhì)能源。若能按工藝要求提供合適熱值的煤氣作能源,還有利于改善產(chǎn)品質(zhì)量。但是由于企業(yè)生產(chǎn)結構和工業(yè)爐窯配置等原因,目前我國許多冶金企業(yè)仍排放大量廢氣。這是造成企業(yè)能源消耗高的一個(gè)重要原因。本文將介紹國內各冶金企業(yè)廢氣余熱回收利用的現狀及存在的主要問(wèn)題。

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 廢氣余熱回收利用設備的種類(lèi)及其選用的原則

  冶金企業(yè)常用的廢氣余熱利用方式有:安裝換熱器;在換熱器后安裝余熱鍋爐;爐底管汽化冷卻;發(fā)電(熱電聯(lián)產(chǎn));制冷?;厥蘸蟮臒崃恐饕糜陬A熱助燃空氣、預熱煤氣和生產(chǎn)蒸汽。對電爐而言,預熱廢鋼或進(jìn)料可減少電爐的電能消耗,縮短熔煉時(shí)間;對加熱爐而言,預熱空氣、燃料或工件,煙氣余熱返回爐內,可使火焰穩定、提高燃料溫度和燃燒效率以及爐子的熱效率。
  我國冶金企業(yè)使用的廢氣余熱回收利用設備主要有:(1)管式換熱器,約有40%的鋼鐵企業(yè)采用。其特點(diǎn)是允許入口煙氣溫度達1000以上、出口煙溫達600,平均溫差約300;熱回收率低,平均在26%30%;工作時(shí)間平均為6151h;結構簡(jiǎn)單、密封性好,應用面廣。(2)片狀管換熱器,聯(lián)合企業(yè)及中小企業(yè)采用的較多。其特點(diǎn)是全部用于預熱助燃空氣,并返回本工藝;熱回收率平均為28%35%;允許入口廢氣溫度700左右,出口亦高達360左右。(3)輻射式換熱器,是使用較為廣泛的一種換熱器,多用在均熱爐或加熱爐上。其特點(diǎn)是入口煙氣溫度高達1176,平均入口煙氣溫度876,出口煙氣溫度亦高達600左右;可將空氣預熱至400左右,助燃效果好,溫度效率可達40%以上,但熱回收率較低,平均為26%35%;對材質(zhì)有一定的耐高溫要求。(4)余熱鍋爐,聯(lián)合企業(yè)采用的較多,而且主要用于平爐,回收的熱量70%用于生產(chǎn),其特點(diǎn)是工作狀態(tài)穩定,年平均工作時(shí)間6279h;入口煙氣溫度約650,出口煙氣溫度約250。(5)熱管換熱器,中小企業(yè)安裝使用的較多,一般為鋼-水重力式熱管,多用于預熱空氣或煤氣,回收熱風(fēng)爐煙氣余熱,90%用于生產(chǎn)。其特點(diǎn)是入口煙氣溫度約250,出口煙氣溫度約150,預熱空氣溫度可達125150;溫度效率超過(guò)45%,熱回收率一般在50%以上。(6)余熱鍋爐-汽輪機發(fā)電裝置,以電力回收余熱是最好的形式,但受動(dòng)力設備運轉的連續性以及電力并網(wǎng)等條件的限制,此種設備應用的較少。國內各冶金企業(yè)換熱器的發(fā)展趨勢是:換熱器的形式由簡(jiǎn)單的低效型走向強化傳熱的高效型;熱風(fēng)溫度一般在300以上,比過(guò)去提高了80100;出換熱器的煙溫由過(guò)去的400500降低到250400,說(shuō)明余熱回收率有了明顯提高。
  生產(chǎn)蒸汽的余熱回收設備主要是余熱鍋爐和汽化冷卻裝置。有條件的企業(yè)應設置余熱鍋爐,不過(guò)有時(shí)使用余熱鍋爐并不合算,因為余熱鍋爐屬于低溫爐,可以而且應當使用低品質(zhì)的熱源,高溫爐的煙氣余熱應當回到高溫爐內,以節省高品質(zhì)燃料。各企業(yè)應根據余熱的種類(lèi)、介質(zhì)溫度、數量及利用的可能性來(lái)確定使用回收利用設備的類(lèi)型及規模,總的原則是:余熱回收后應優(yōu)先用于本系統設備,降低一次能源消耗;用于其它工序時(shí)應盡量選擇距離近,產(chǎn)、供時(shí)間一致的方案。高溫余熱要盡可能用于需要高溫的設備,盡量減少能量轉換次數而謀求直接利用,并加強回收后的保溫措施。安全措施要齊備,確保發(fā)生意外事故時(shí)不影響本工藝的正常生產(chǎn)。
  工業(yè)爐窯余熱回收差的原因,除了排煙溫度高和換熱器能力小之外,鮮為人注意的是煙氣和熱風(fēng)的顯熱未能有效保存,煙氣由爐膛冒出、吸入冷風(fēng),地下煙道漏水、漏氣,旁通煙道短路和管道絕熱不良,使多數爐子在回收裝置前的煙氣熱損失高達30%50%,回爐熱風(fēng)的顯熱損失為20%33%。針對這種情況,提出了一系列降低出爐煙溫的措施和能充分保存與回收余熱的排煙-供風(fēng)系統,使上述兩項熱損失分別降到5%3%左右,同時(shí)開(kāi)發(fā)了各種高效、經(jīng)濟的換熱器和能使用全熱風(fēng)的燃燒裝置,回收后煙溫可下降到180250,不再需要安裝價(jià)格昂貴而利用率不高的余熱鍋爐,使爐氣余熱從爐外回收轉到爐內回收的方向來(lái),正是在這種形勢下提出了余熱全自回收的新概念:首先設法降低爐子排出的煙溫和煙量,并使余熱回收過(guò)程中的各項熱損失減少,然后通過(guò)高效換熱器將余熱最大限度地回收并全部送入爐內。根據余熱全自回收的原理,馬鞍山鋼鐵設計研究院開(kāi)發(fā)設計了一批高回收率、低熱損失型燃油加熱爐,其熱效率普遍達到60%65%,有的達到71.4%,趕上了日本川崎節能型爐72%的國際最高熱效率。還設計投產(chǎn)了一批爐頂輻射供熱的高效高爐煤氣加熱爐,使以往不能用于軋鋼生產(chǎn)而大量放空的超低熱值高爐煤氣能成功地用于軋鋼加熱爐,其熱效率也在國際領(lǐng)先,達到了62%1〕。最近,鞍山熱能研究院又提出了一種使煙氣直接入爐循環(huán)的新節能措施〔2〕。它將火焰爐上的普通煤氣燒嘴、粉煤燒嘴、低壓油噴嘴或高速燒嘴改造成帶有循環(huán)煙氣通路的煙氣自循環(huán)燒嘴,利用燒嘴噴口流出的燃料空氣混合物引射循環(huán)煙氣,在燒嘴磚燃燒通道內進(jìn)行燃燒和混合,形成新舊燃燒產(chǎn)物的均勻混合物,再?lài)娙霠t膛。采用這種方式,爐窯不需配置換熱器即可節能15%左右。煙氣自循環(huán)燒嘴結構簡(jiǎn)單,與一般金屬換熱器相比造價(jià)低而節能效率高,同時(shí)還能節省因用換熱器而產(chǎn)生的動(dòng)力消耗。所以對安裝換熱器在技術(shù)或經(jīng)濟上有困難的企業(yè)來(lái)說(shuō),是一種經(jīng)濟而有效的節能方法。

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 各種廢氣的利用方式

  (1)燒結廢氣
  在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中,燒結工序的能耗約占總能耗的10%,僅次于煉鐵工序而位居第二。在燒結工序總能耗中,有近50%的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣,既浪費了熱能又污染了環(huán)境。由于燒結廢氣的溫度不高,以往人們對這部分熱能的回收利用重視不夠。但實(shí)際上大有文章可做,因為燒結廢氣不僅數量大,而且可供回收的熱量也大。不過(guò),燒結余熱回收裝置的投資費用較大,是否對燒結機或冷卻機實(shí)施余熱回收還需要視全廠(chǎng)的蒸汽需要情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟分析后才能作出決斷。冷卻機廢氣屬于中低溫熱源,其中中溫部分(大于300)的開(kāi)發(fā)技術(shù)比較成熟,用作點(diǎn)火器或保溫爐的助燃風(fēng),生產(chǎn)蒸汽或余熱發(fā)電。而低溫部分(200左右,約占廢氣的2/3),由于熱效率低,應用的很少。鞍鋼設計研究院在90年代初開(kāi)發(fā)了以環(huán)冷機低溫段(200左右)廢氣作為風(fēng)源的熱風(fēng)燒結技術(shù),將其應用于鞍鋼新三燒1號燒結機和2號燒結機取得節能、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟效益高的效果,其中,固體燃料消耗降低13.8%,年創(chuàng )經(jīng)濟效益889萬(wàn)元〔3〕。熱管蒸汽發(fā)生器是南京化工學(xué)院熱管技術(shù)開(kāi)發(fā)研究院研制的一種燒結廢氣余熱回收系統。在國內數家燒結廠(chǎng)投入運行后取得了明顯的經(jīng)濟效益。
  (2)高爐煤氣
  高爐煤氣的回收利用比其它廢氣的回收利用意義更為重大,因為這涉及到冶金企業(yè)的氣體燃料平衡、減少燒油等重要的能源問(wèn)題,所以是廢氣余熱、余能回收利用的重點(diǎn)之一,應當加快進(jìn)程。對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來(lái)說(shuō),目標應當是努力降低高爐煤氣的放散率,增加混合煤氣量,或采用低熱值煤氣燃燒技術(shù)將其用于軋鋼加熱爐;對獨立鐵廠(chǎng)而言,則應盡快建設高爐煤氣電站。高爐煤氣屬于超低熱值燃料,且氣源壓力不穩定,不適宜遠距離輸送或用作城市生活煤氣,回收利用有較大的難度,除熱風(fēng)爐和鍋爐外,目前只能用于復熱式加熱的焦爐和具有雙預熱功能的軋鋼加熱爐。轉換利用高爐煤氣的常用方式是燃燒發(fā)電。高爐的大型化使高爐煤氣的產(chǎn)量成倍增加,燃用高爐煤氣的中低參數發(fā)電機組從鍋爐容量和能源的利用率等方面均已不能滿(mǎn)足需要,因此,發(fā)展高參數大容量全燃高爐煤氣發(fā)電機組勢在必行。近年來(lái),我國在回收利用高爐煤氣方面作了不少工作,但是放散率仍然較高。許多企業(yè)在大量放散高爐煤氣的同時(shí),工業(yè)爐窯及熱工設備都在燃用高價(jià)油和優(yōu)質(zhì)煤,不僅浪費能源、污染環(huán)境,而且提高了生產(chǎn)成本。解決煤氣放散的根本措施是鋼鐵廠(chǎng)應普遍采用煤和煤氣兩用鍋爐作為煤氣的緩沖用戶(hù)。因為冶金企業(yè)均有一定規模的熱(蒸汽)用戶(hù),而熱電聯(lián)產(chǎn)又是鍋爐蒸汽既靈活又便利的出路。這樣,富余的煤氣經(jīng)鍋爐轉換為蒸汽,在滿(mǎn)足供熱的同時(shí),根據需要和可能還可以部分地轉化為電力供生產(chǎn)使用,從而緩解企業(yè)用電的緊張局面,減少企業(yè)的一次能源消耗,具有節能和降低成本的雙重經(jīng)濟效益。
  高爐煤氣的超低熱值并呈降低趨勢是限制高爐煤氣使用的最重要原因。1965年高爐煤氣的平均熱值為4180kJ/m3,而現在我國大型高爐的煤氣熱值已降到3135kJ/m3,中、小高爐分別降到3340355037603970kJ/m3。它們在不預熱時(shí)的理論燃燒溫度分別為1236、129014204〕。隨著(zhù)高爐原料條件的進(jìn)一步改善、裝備水平及操作水平的日益提高,高爐煤氣的發(fā)熱值會(huì )越來(lái)越低,解決這個(gè)問(wèn)題的主要途徑有:在熱風(fēng)爐煙道中安裝換熱器,預熱助燃空氣及高爐煤氣,從而達到提高燃燒溫度和熱效率的目的。200300煙氣可使助燃空氣的預熱溫度達到150以上,高爐煤氣的預熱溫度達到100以上。富氧燃燒也是提高燃燒溫度的有效措施之一。以熱值為3767kJ/m3的高爐煤氣為例,若把空氣中的含氧量從21%提高到30%,其理論燃燒溫度可達1900左右,相當于空氣、煤氣雙預熱到950的效果。在有條件的企業(yè),富氧燃燒較之安裝換熱器技術(shù)經(jīng)濟上更為有利。1985年,馬鞍山鋼鐵設計研究院與無(wú)錫第二鋼鐵廠(chǎng)合作,研制了國內第一座燃燒高爐煤氣的管坯斜底式加熱爐,使燒單一高爐煤氣的軋鋼加熱爐的熱效率提高到接近于使用高熱值燃料的爐子,這是高爐煤氣首次成功地應用于高溫加熱爐。隨后,此項技術(shù)又在南京鋼鐵廠(chǎng)、南京第二鋼鐵廠(chǎng)和韶關(guān)鋼鐵總廠(chǎng)得到推廣應用〔5〕。
  從穩定生產(chǎn)、確保安全的角度出發(fā),冶金企業(yè),尤其是僅有13座高爐的中、小企業(yè)有必要設置高爐煤氣柜。利用煤氣柜可以及時(shí)吞吐煤氣,回收企業(yè)內部因高爐爐況的變動(dòng)及煤氣用戶(hù)生產(chǎn)不均衡性所造成的瞬時(shí)煤氣放散量。提高高爐煤氣使用率,減少放散率,穩定調節高爐煤氣管網(wǎng)壓力。
  (3)轉爐煤氣
  據不完全統計,我國目前已投產(chǎn)的轉爐達140余座,其中15t以上(15t)的轉爐共有102座。早在七五期間,我國冶金企業(yè)就已經(jīng)掌握了轉爐煤氣回收技術(shù),但此后相當長(cháng)的一段時(shí)間里,一直未得到推廣應用。近幾年這方面發(fā)展很快:七五初期,全國15t以上轉爐煤氣的回收利用率不到5%,而現在,已經(jīng)有上鋼一廠(chǎng)、寶鋼總廠(chǎng)、武鋼和鞍鋼等20多家企業(yè)的40多座轉爐回收了轉爐煤氣,占應回收量的1/3以上〔6〕?;厥展に囈灿稍瓉?lái)的手動(dòng)控制回收發(fā)展到了自動(dòng)監測成分并由計算機控制自動(dòng)回收;煤氣成分由過(guò)去CO含量不足40%提高到現在的60%左右;使用范圍由過(guò)去的自收自用發(fā)展到高爐、焦爐、轉爐煤氣聯(lián)網(wǎng),這樣既拓寬了轉爐煤氣的使用范圍,又大幅度提高了轉爐煤氣的回收量。不過(guò),與先進(jìn)國家接近100%的轉爐煤氣回收利用率相比,我國轉爐煤氣的利用水平仍有很大差距,回收利用率只有55%7〕。
  由于轉爐生產(chǎn)呈周期性,因此排出的煙氣余熱也是間斷的、周期性的,使轉爐余熱鍋爐只能間斷地產(chǎn)生蒸汽。為使間斷供氣變?yōu)檫B續的、穩定的氣源,以利于用戶(hù)使用和轉爐冶金工廠(chǎng)鍋爐的負荷穩定,可以在供氣系統中設置蒸汽蓄熱器,這樣一般可提高鍋爐熱效率3%5%8〕。
  影響轉爐煤氣回收的原因之一是轉爐煤氣回收過(guò)程中存在不安全因素。這是由于轉爐煤氣回收工藝和轉爐煤氣本身的特性所決定的。在高爐煤氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣和轉爐煤氣中,轉爐煤氣的毒性最大,其CO含量高達70%。此外,轉爐煤氣的斷續生產(chǎn)性使得生產(chǎn)過(guò)程中很容易發(fā)生事故并增大了回收利用的難度。但是只要掌握轉爐煤氣的特性和生產(chǎn)規律并采取相應的措施,是完全可以做到安全回收的。寶鋼、武鋼、鞍鋼和濟鋼就實(shí)現了轉爐煤氣的安全回收。
  (4)電爐煙氣
  在電弧爐的熱平衡中,煙氣顯熱一般占電爐熱量的20%。目前,國內電弧爐煙氣的余熱利用尚不普及?;厥绽秒姞t煙氣常用的兩種裝置是廢鋼預熱器和余熱鍋爐。從二者回收能量的數量來(lái)看,余熱鍋爐回收的熱能較多(為預熱廢鋼的2.5);但若從能量質(zhì)量的角度看,則是預熱廢鋼的方式高,即預熱廢鋼回收的熱量中可用能較多、能級較高、熱價(jià)較高;從主體設備的生產(chǎn)工藝來(lái)看,也以預熱廢鋼為優(yōu)。因為電爐煉鋼是以煉鋼為目的,回收廢氣余熱來(lái)預熱廢鋼具有綜合效益。
  80年代后,日本、西德、美國等國家已普遍在煉鋼電弧爐上推廣使用廢鋼預熱器?;厥盏臒崃靠蛇_煙氣顯熱的30%,相當于電爐輸入熱量的6.2%。一臺100t電弧爐廢鋼預熱器的綜合效益為:廢鋼平均預熱溫度可達200250;電能消耗減少4050kWh/t;熔煉時(shí)間縮短58min;電極消耗下降0.20.4kg/t;電爐熱效率達70%(不預熱廢鋼時(shí)一般為50%60%)9〕。
  (5)軋鋼加熱爐煙氣
  目前,我國軋鋼加熱爐煙氣余熱回收率平均為20%25%。重點(diǎn)冶金企業(yè)略高些,地方中小企業(yè)要低一些。寶鋼軋鋼加熱爐煙氣的余熱回收率已達到45%以上〔10〕。截止到1992年,國內有代表性的33個(gè)冶金企業(yè)200座軋鋼加熱爐的助燃空氣平均溫度已上升到276,比1985年提高了24.3%。但是進(jìn)一步提高助燃空氣的預熱溫度還有很大的潛力。對軋鋼加熱爐的煙氣余熱應該隨煙溫的由高到低逐級回收利用。對出爐溫度為650800的高溫煙氣,可以通過(guò)各種換熱器預熱空氣或煤氣,換熱器后400500左右較難回收的中溫煙氣可以通過(guò)熱管或余熱鍋爐進(jìn)一步回收利用。在我國現有的技術(shù)水平條件下,排入煙囪的最佳煙溫為150180,工業(yè)先進(jìn)國家(如日本)已經(jīng)做到排入煙囪的煙溫小于100。
  可通過(guò)以下措施來(lái)提高軋鋼加熱爐煙氣回收利用率:采用高保溫性能、高密封性能的輕型地上煙道和高回收率的多行程優(yōu)化排列的翅片或插入件強化傳熱的金屬換熱器;采用絕熱性能良好的熱回收管路;采用爐頂間隔墻來(lái)改善爐內熱交換及降低排煙溫度;采用能在高預熱溫度下以全熱風(fēng)方式工作的高效燃燒裝置。保存煙氣余熱的有效方法是采用上排煙或鋼板煙道,使爐尾排出的煙氣全部流經(jīng)換熱器。整個(gè)煙道和煙管的密閉性使進(jìn)入換熱器的煙氣溫降不超過(guò)2030。
  從國內若干冶金企業(yè)軋鋼加熱爐用換熱器的使用情況來(lái)看,第一,大部分冶金企業(yè)已經(jīng)能控制和掌握煙氣在經(jīng)濟煙溫下出爐,基本解決了煙氣出爐溫度過(guò)高的問(wèn)題;第二,預熱空氣的溫度比過(guò)去提高100左右,達到400500,溫度效率接近60%;第三,換熱器的綜合傳熱系數一般都在20W/(m2.K)以上,有的達到30W/(m2.K)。在回收同樣熱量的情況下,現用換熱器的換熱面積和單位體積都比過(guò)去有所減少;第四,換熱器的單位造價(jià)比過(guò)去有所下降,如插件管式空氣換熱器的造價(jià)約650750/m2,仍有進(jìn)一步降低的潛力。

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