余热发电技术应用及前景_李冰

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2009 NO.7摘要：　钢铁工业是典型的高耗能行业，采取有效措施充分提高余热资源的回收利用效率对于钢铁工业节能减排及可持续发展具有重要意义。本文简要回顾了中国钢铁工业余热发电技术的发展与应用现状，分析了该技术在推广过程中存在的障碍。同时，为了指导企业选择适当的技术，归纳了过热蒸汽发电、饱和蒸汽发电及热水发电３种技术，介绍了各技术的应用特点及发展前景。关键词：钢铁工业、余热发电、前景1.前言钢铁工业是我国重点的耗能大户，总能耗约占全国总能耗量的１５％左右，钢铁生产工艺流程长，工序多，且主要以高温冶炼、加工为主，生产过程中产生大量余热能源，主要来自烧结机烟气显热、红焦显热、转炉烟气及加热炉炉底的余热回收装置等，各种余热资源约占全部生产能耗的６８％，说明在目前钢铁生产过程中２／３以上的能量是以废气、废渣和产品余热形式消耗。采取有效的能源转换途径，提高余热资源的回收利用效率是确保钢铁工业可持续发展的重要措施，将对企业的整体节能发挥重要的作用。2.中国钢铁工业余热发电现状在余热发电技术的研发应用方面，日本、德国等发达国家钢铁工业发展较早，特别是日本由于自然资源缺乏，尤为重视，各种余热发电技术均走在世界领先水平，相比较而言，我国钢铁工业起步较晚。目前，国内钢铁企业应用最为广泛的是焦化工序的干熄焦余热发电技术。从１９８６年宝钢首次从日本引进干熄焦技术至今，截至２００８年底，我国已投产干熄焦装置６６套，干熄焦发电配备率达９５％以上，总发电装机容量约７００ＭＷ。与干熄焦余热相比，烧结余热属于尚未得到充分有效利用的余热资源，但近几年关注程度有所提高。２００５年９月，马钢引进日本川崎技术在２台３００ｍ２烧结机上建成了国内第一套１７．５ＭＷ余热发电机组。截至２００８年底，国内钢铁企业共有１９台烧结机配套建设了余热发电机组，配备余热发电机组１０套，总发电装机容量１３６．７ＭＷ。除焦化、烧结工序余热发电外，利用炼钢及轧钢工序余热的饱和蒸汽发电技术目前也在太钢、邯钢、新钢等少数钢铁企业得到了初步的应用推广。其中，太钢于２００７年７月引进德国ＫＫ＆Ｋ公司先进技术，选用了５套饱和蒸汽发电机组，分别应用于炼钢及轧钢工序，总发电装机容量４１．２５ＭＷ，成为国内首家利用饱和蒸汽发电的钢铁企业。3.推广应用中存在的障碍近年来，国内钢铁企业在余热资源利用方面作了大量工作，也取得了不错的成绩，余热资源正逐步得到充分高效的利用，但在余热发电技术的推广应用方面仍存在一些障碍，主要有以下几个方面：３．１历史性的偏见长期以来，部分研究者受“中低温余热发电经济上不合算”的影响较深，主张钢铁企业中低温余热资源利用应以直接利用为主，没必要鼓励推广余热发电。同时认为，十几ＭＷ甚至几百ｋＷ之类的小型余热发电机组相对于钢铁企业的总耗电来说相差悬殊，认为发展此类机组在电网地区似乎是多次一举。实际上从发展的眼光来看，这都是一种“历史性的偏见”。从国家电力发展政策来看，５０ＭＷ以下的燃煤机组效率低、污染大，所以我国在节能减排中要关停一批小机组，这是正确的。然而，余热发电与燃煤发电不是同一类技术，它是将废弃的余热资源转变为电力，不消耗一次能源，不产生额外的废气、废渣、节能减排

李 冰余热发电技术应用及前景

26CHINA STEEL2009 NO.7粉尘和其他有害气体，同时实现减排，它的发展应用对于即将遵循《京都议定书》规定履行二氧化碳减排义务的中国钢铁工业来说具有重要的意义，并不能单单从投资成本来比较。因此，所谓的“不经济”如果从社会和能源发展的角度来看，是会变成“经济”可行的。３．２　部分钢铁企业重视程度不够国内部分钢铁企业对于节能减排的工作重视程度不够，对于企业内部来说，将资金用于扩大产能始终是第一位的，而对于节能减排往往是口号喊得响，而实际积极性不高。特别是前几年在钢材价格普遍较高的情况下，对于节能减排后吨钢降低二三十块钱的生产成本，很多企业并不在意。３．３　配套政策不力虽然国家鼓励节能减排，也出台了一系列优惠和鼓励政策力推余热发电，但仍有部分地区对余热发电收取“上网费”，甚至部分地区要求实施余热发电的企业“先上网再从电网买电”。这些行政约束也在很大程度上挫伤了企业实施余热发电项目的积极性。4 余热发电潜力巨大目前，钢铁工业余热发电主要有以下三种方式，一是利用焦化、烧结工序烟气余热换热产生过热蒸汽发电；二是利用炼钢、轧钢工序烟气余热换热产生饱和蒸汽发电；第三种是利用高炉的冲渣热水发电。４．１　过热蒸汽发电４．１．１　干熄焦余热发电炼焦生产中，高温红焦冷却有两种熄焦工艺：一种是传统的采用水熄灭炽热红焦的工艺，简称湿熄焦，另一种是采用循环惰性气体与红焦进行热交换冷却焦炭，简称干熄焦。干熄焦余热发电技术是指利用与红焦热交换产生的高温烟气驱动汽轮发电机组进行发电，其主要工艺流程为：焦炉生产出来的约１０００℃赤热焦炭运送入干熄炉，在冷却室内与循环风机鼓入的冷惰性气体进行热交换。惰性气体吸收红焦的显热，温度上升至８００℃左右，经余热锅炉生产中高压过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，同时汽轮机还可产生低压蒸汽用于供热。随着干熄焦技术所产生的社会和节能环保效益得到普遍的认可，干熄焦余热发电技术也得到了国内钢铁企业越来越广泛的应用。该项发电技术已十分成熟，目前的发展趋势集中在进一步提高余热的回收利用效率上，正逐步由传统的小型中压参数系统向系列化、大型化、高参数发展。４．１．２　烧结余热发电具有较好回收价值的烧结余热是指从烧结机尾部风箱排出的废气及热烧结矿在冷却机前段受空气冷却后产生的热废气，温度一般可达到３００℃～４００℃，这两部分热废气所含热量占整个烧结矿热能消耗的２３％～２８％左右，具有温度高，数量大，运行稳定的特点，是烧结工序节能和回收利用的重点。国内钢铁企业大多将烧结余热用于助燃空气、预热混合料或利用余热回收装置产生蒸汽，回收利用效率不高。特别是现阶段伴随着烧结机的大型化，传统的余热利用途径已无法充分利用余热资源，达到效益的最大化。因此，从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析，利用余热发电是现今最为有效的余热利用途径。烧结余热发电是指将烧结机生产过程中产生的高温废烟气，经余热锅炉产生中低压过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。近几年，随着双压、闪蒸发电和补汽凝汽式汽轮机在技术上获得突破，烧结余热发电技术已逐渐进入成熟阶段，同时其在节能环保，减少污染排放，经济效益等方面的显著优势使得其发展迅速。据了解，除已建成的１０套发电机组之外，目前鞍钢、湘钢、节能减排

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2009 NO.7重钢、沙钢、通钢等企业也正在施工建设烧结余热电站，同时太钢、济钢、柳钢等企业也在计划进行烧结余热利用技术的改造。４．２　饱和蒸汽发电除上述余热资源外，钢铁企业生产过程中炼钢、轧钢等工序尚产生大量低压饱和蒸汽，按产生制度分为间断蒸汽及相对连续蒸汽，其相比焦化烧结工序余热资源，利用价值相对较低。间断蒸汽，这部分主要指炼钢工序产生的余热蒸汽。转炉在吹炼过程中，产生大量１２００℃以上高温烟气，为降低烟气温度、回收高温烟气中的余热同时为转炉烟气除尘及煤气回收创造条件，目前大多数转炉均配套设置了烟道式汽化冷却装置，电炉炼钢烟道也在向汽化冷却的方向发展，但由于炼钢生产的间断性，决定由该装置产生的蒸汽具有饱和不连续性。相对连续蒸汽，这部分主要指由线材、棒材、板带材加热炉产生的余热蒸汽，在我国绝大部分均采用汽化冷却方式，产生０．５ＭＰａ左右低压饱和蒸汽。国内大部分钢铁企业的低压饱和蒸汽除少量用于工序自身生产和生活用汽，还有大量剩余；同时由于全厂管网蒸汽一般为过热蒸汽，饱和蒸汽无法直接并网使用，只能对空排放，很多企业出现一边采取措施回收蒸汽，一边又就地放散的现象，造成环境的污染和能源、水资源的浪费。目前有两种低压饱和蒸汽发电技术，一种是饱和蒸汽轮机组，另一种是直接驱动螺杆膨胀动力机。其中，直接驱动螺杆膨胀动力机热源的应用范围为蒸汽压力在０．１５￣０．５ＭＰａ之间，适用于轧钢加热炉余热利用；饱和蒸汽轮机组热源的应用范围为蒸汽压力＞０．５ＭＰａ，适用于转炉烟道余热利用。钢铁企业饱和蒸汽产生量大，但利用效率最低，特别在南方大部分冬季不采暖地区的钢铁厂。采用饱和蒸汽发电，既可以充分利用饱和蒸汽，避免蒸汽放散造成的浪费，同时能提供电能，产生新的效益，因此，可以预计该项发电技术未来的发展潜力将很大。４．３　热水发电高炉炼铁过程中，产生的炉渣温度大约为１０００℃，炉渣在冲渣箱内由冲渣泵提供的高速水流急冷冲成水渣并粒化，这一过程中能够产生大量温度在８０～９５℃的低温热水，热水量达到几千吨／小时，长期排放既浪费了能源，又造成环境污染和水资源流失。由于高炉冲渣水具有温度低、流量大的特点，应用较为困难，现阶段除北方少数钢铁企业用于冬季采暖外，大部分企业均未利用。针对这种情况，目前认为比较可行的应用措施是利用有机工质形成双循环，吸收排放的废热水的热能，将有机工质加热成汽液两相，直接进入螺杆膨胀动力机或汽轮机，驱动发电机进行发电。从技术角度分析，高炉冲渣水发电已完全可行，国内也有多家钢铁企业对此项目进行了前期论证，目前尚未有实际应用实例，但随着企业对节能减排工作的日益重视以及该项技术相关细节的进一步完善，它的发展应用将只是一个时间的问题。４．４　余热发电新技术针对钢铁企业低温余热回收率低以及炉渣、钢坯和钢材等产生的部分高温余热由于间歇式排放导致利用困难的现象，日本目前正开展对烟气显热和固态余热进行热电发电的可行性研究。该技术是指对热点材料通电后利用使两端产生温差的佩尔蒂效应对电子冷却以及利用两端温差产生电流的塞贝克效应将热变为电力的热电发电，其对各种形式余热的适应性强，对于由于温度、形态和规模等多种尚未利用的余热作为补充完善措施进行回收利用是完全可行的，但发电效率和成本是目前主要的制约因素，因此尚处于试验阶段，不便应用于大规模发电，今后随着提高发电效率等有关新型材料的开发，以及进一步减排二氧化碳和节能的要求，相信热电发电将会提上钢铁业的议程。5.结语余热发电是当前提高二次能源利用率，节约能源的一项有效措施。钢铁企业大力发展和推广余热发电技术是遵循国家钢铁产业发展政策、符合当前可持续发展要求、实现循环经济的重要手段；是促进钢铁产业技术升级和结构调整，提高环境保护和资源综合利用水平的有效途径。我国钢铁工业余热发电技术的应用起步较晚，但发展迅速，虽然在推广过程中仍存在一些障碍，但在国家提倡节能减排的总体形势下，充分利用余热资源进行发电，目前已逐步成为钢铁工业余热资源发展利用的一个主流方向。特别是在当前经济危机、市场疲软的大环境下，钢铁行业受到了直接的影响，降低能耗、节省成本更成为企业的当务之急。因此，作为我国节能减排潜力最大的行业，我们有理由相信钢铁工业余热发电技术的发展将拥有更广阔的发展空间，同时在我国钢铁工业能源结构中发挥重要作用。　（作者单位：冶金工业规划研究院）节能减排