余热的利用与发展

  余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%-67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。  玻璃、冶金、冶炼、石化、建材、陶瓷、轻纺等行业中具有280℃以上烟气(或其他高温污染气体)的余热回收。即只要是排烟温度高于280℃的工业锅炉、流化床锅炉、导热油炉、冶炼炉、冶金炉、高炉热风炉、加热炉，以及化肥厂、造纸厂都可应用。

  余热回收利用是提高经济性、节约燃料的一条重要途径。火电厂的生产过程中存在各种余热。譬如,锅炉排污热量、除氧器排气及汽封排汽等余热。这类余热属于携带工质的分热,通常在回收利用热量的同时。还将回收部分工质:另一类余热,它们只有热量可以利用,不存在工质的回收,譬如,发电机损失的热量、冷油器带走的热量以及锅炉排烟的余热等。这类余热属于纯热量回收利用。 余热的可利用性和价值决定于它的产量和质量两个方面。余热的数量是指余热量的大小,余热的质量是指余热的品位高低,可以用它的温度、压力以及携带热量的介质给于表征。余热品位愈高,数量越大它的可利用性和价值也就愈大。 余热的可利用性和价值不等于余热利用的效果。前者是指余热本身的品质和性质,它仅表示余热具有的可用性,但并不表示余热利用的有效性。后者不全由余热本身品质所决定,还决定于余热利用的场所、环境以及利用的方法,即决定于使用余热的对象和条件。譬如,余热作为热量利用就比作为功能利用的效果好。因为,热变功要付出冷源损失的代价。 火电厂热系统由于存在各种能级,因而为选择余热利用的场所提供了较大的自由度。

  余热利用发展现状

  节能降耗是冶金企业长期的战略任务。冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣，同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产品和半成品。充分回收和利用这些能量，是企业现代化程度的标志之一。

  在各种工业炉窑的能量支出中，废气余热约占15%～35%，这些废气净化处理后是一种输送和使用方便、燃烧后又无需排渣和除尘、不易造成环境污染的优质能源。若能按工艺要求提供合适热值的煤气作能源，还有利于改善产品质量。但是由于企业生产结构和工业炉窑配置等原因，目前我国许多冶金企业仍排放大量废气。这是造成企业能源消耗高的一个重要原因。本文将介绍国内各冶金企业废气余热回收利用的现状及存在的主要问题。

  余热回收种类及原则

  冶金企业常用的废气余热利用方式有：①安装换热器；②在换热器后安装余热锅炉；③炉底管汽化冷却；④发电(热电联产)；⑤制冷。回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。对电炉而言，预热废钢或进料可减少电炉的电能消耗，缩短熔炼时间；对加热炉而言，预热空气、燃料或工件，烟气余热返回炉内，可使火焰稳定、提高燃料温度和燃烧效率以及炉子的热效率。

  工业炉窑余热回收差的原因，除了排烟温度高和换热器能力小之外，鲜为人注意的是烟气和热风的显热未能有效保存，烟气由炉膛冒出、吸入冷风，地下烟道漏水、漏气，旁通烟道短路和管道绝热不良，使多数炉子在回收装置前的烟气热损失高达30%～50%，回炉热风的显热损失为20%～33%。针对这种情况，提出了一系列降低出炉烟温的措施和能充分保存与回收余热的排烟-供风系统，使上述两项热损失分别降到5%和3%左右，同时开发了各种高效、经济的换热器和能使用全热风的燃烧装置，回收后烟温可下降到180～250℃，不再需要安装价格昂贵而利用率不高的余热锅炉，使炉气余热从炉外回收转到炉内回收的方向来，正是在这种形势下提出了“余热全自回收”的新概念：首先设法降低炉子排出的烟温和烟量，并使余热回收过程中的各项热损失减少，然后通过高效换热器将余热最大限度地回收并全部送入炉内。

  利用方式

  (1)烧结废气

  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入大气，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大。不过，烧结余热回收装置的投资费用较大，是否对烧结机或冷却机实施余热回收还需要视全厂的蒸汽需要情况进行技术经济分析后才能作出决断。冷却机废气属于中低温热源，其中中温部分(大于300℃)的开发技术比较成熟，用作点火器或保温炉的助燃风，生产蒸汽或余热发电。而低温部分(200℃左右，约占废气的2/3)，由于热效率低，应用的很少。

  鞍钢设计研究院在90年代初开发了以环冷机低温段(200℃左右)废气作为风源的热风烧结技术，将其应用于鞍钢新三烧1号烧结机和2号烧结机取得节能、优质、经济效益高的效果，其中，固体燃料消耗降低13.8%，年创经济效益889万元〔3〕。热管蒸汽发生器是东方环境研制的一种烧结废气余热回收系统。在国内数家烧结厂投入运行后取得了明显的经济效益。

  (2)高炉煤气

  高炉煤气的回收利用比其它废气的回收利用意义更为重大，因为这涉及到冶金企业的气体燃料平衡、减少烧油等重要的能源问题，所以是废气余热、余能回收利用的重点之一，应当加快进程。对钢铁联合企业来说，目标应当是努力降低高炉煤气的放散率，增加混合煤气量，或采用低热值煤气燃烧技术将其用于轧钢加热炉；对独立铁厂而言，则应尽快建设高炉煤气电站。高炉煤气属于超低热值燃料，且气源压力不稳定，不适宜远距离输送或用作城市生活煤气，回收利用有较大的难度，除热风炉和锅炉外，目前只能用于复热式加热的焦炉和具有双预热功能的轧钢加热炉。转换利用高炉煤气的常用方式是燃烧发电。

  高炉的大型化使高炉煤气的产量成倍增加，燃用高炉煤气的中低参数发电机组从锅炉容量和能源的利用率等方面均已不能满足需要，因此，发展高参数大容量全燃高炉煤气发电机组势在必行。近年来，我国在回收利用高炉煤气方面作了不少工作，但是放散率仍然较高。许多企业在大量放散高炉煤气的同时，工业炉窑及热工设备都在燃用高价油和优质煤，不仅浪费能源、污染环境，而且提高了生产成本。解决煤气放散的根本措施是钢铁厂应普遍采用煤和煤气两用锅炉作为煤气的缓冲用户。

  因为冶金企业均有一定规模的热(蒸汽)用户，而热电联产又是锅炉蒸汽既灵活又便利的出路。这样，富余的煤气经锅炉转换为蒸汽，在满足供热的同时，根据需要和可能还可以部分地转化为电力供生产使用，从而缓解企业用电的紧张局面，减少企业的一次能源消耗，具有节能和降低成本的双重经济效益。

  高炉煤气的超低热值并呈降低趋势是限制高炉煤气使用的最重要原因。1965年高炉煤气的平均热值为4180kJ/m3，而现在我国大型高炉的煤气热值已降到3135kJ/m3，中、小高炉分别降到3340～3550和3760～3970kJ/m3。它们在不预热时的理论燃烧温度分别为1236、1290和1420℃〔4〕。随着高炉原料条件的进一步改善、装备水平及操作水平的日益提高，高炉煤气的发热值会越来越低，

  解决这个问题的主要途径有：

  ①在热风炉烟道中安装换热器，预热助燃空气及高炉煤气，从而达到提高燃烧温度和热效率的目的。200～300℃烟气可使助燃空气的预热温度达到150℃以上，高炉煤气的预热温度达到100℃以上。

  ②富氧燃烧也是提高燃烧温度的有效措施之一。以热值为3767kJ/m3的高炉煤气为例，若把空气中的含氧量从21%提高到30%，其理论燃烧温度可达1900℃左右，相当于空气、煤气双预热到950℃的效果。在有条件的企业，富氧燃烧较之安装换热器技术经济上更为有利。

  (3)转炉煤气

  与先进国家接近100%的转炉煤气回收利用率相比，我国转炉煤气的利用水平仍有很大差距，回收利用率只有55%。

  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，使转炉余热锅炉只能间断地产生蒸汽。为使间断供气变为连续的、稳定的气源，以利于用户使用和转炉冶金工厂锅炉的负荷稳定，可以在供气系统中设置蒸汽蓄热器，这样一般可提高锅炉热效率3%～5%。

  影响转炉煤气回收的原因之一是转炉煤气回收过程中存在不安全因素。这是由于转炉煤气回收工艺和转炉煤气本身的特性所决定的。在高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气和转炉煤气中，转炉煤气的毒性最大，其CO含量高达70%。此外，转炉煤气的断续生产性使得生产过程中很容易发生事故并增大了回收利用的难度。但是只要掌握转炉煤气的特性和生产规律并采取相应的措施，是完全可以做到安全回收的。宝钢、武钢、鞍钢和济钢就实现了转炉煤气的安全回收。

  (4)电炉烟气

  在电弧炉的热平衡中，烟气显热一般占电炉热量的20%。目前，国内电弧炉烟气的余热利用尚不普及。回收利用电炉烟气常用的两种装置是废钢预热器和余热锅炉。从二者回收能量的数量来看，余热锅炉回收的热能较多(为预热废钢的2.5倍)；但若从能量质量的角度看，则是预热废钢的方式高，即预热废钢回收的热量中可用能较多、能级较高、热价较高；从主体设备的生产工艺来看，也以预热废钢为优。因为电炉炼钢是以炼钢为目的，回收废气余热来预热废钢具有综合效益。

  (5)轧钢加热炉烟气

  目前，我国轧钢加热炉烟气余热回收率平均为20%～25%。重点冶金企业略高些，地方中小企业要低一些。宝钢轧钢加热炉烟气的余热回收率已达到45%以上〔10〕。截止到1992年，国内有代表性的33个冶金企业200座轧钢加热炉的助燃空气平均温度已上升到276℃，比1985年提高了24.3%。但是进一步提高助燃空气的预热温度还有很大的潜力。

  对轧钢加热炉的烟气余热应该随烟温的由高到低逐级回收利用。对出炉温度为650～800℃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400～500℃左右较难回收的中温烟气可以通过热管或余热锅炉进一步回收利用。在我国现有的技术水平条件下，排入烟囱的最佳烟温为150～180℃，工业先进国家(如日本)已经做到排入烟囱的烟温小于100℃。

  从国内若干冶金企业轧钢加热炉用换热器的使用情况来看，第一，大部分冶金企业已经能控制和掌握烟气在经济烟温下出炉，基本解决了烟气出炉温度过高的问题；第二，预热空气的温度比过去提高100℃左右，达到400～500℃，温度效率接近60%；第三，换热器的综合传热系数一般都在20W/(m2.K)以上，有的达到30W/(m2.K)。在回收同样热量的情况下，现用换热器的换热面积和单位体积都比过去有所减少。