任庚坡余热利用技术与应用Word下载.docx
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1余热资源利用潜力
余热资源丰富且存在于各行业的生产过程中,特别是在钢铁、化工、建材、机械、轻工和食品等行业存在着量大面广的余热资源,被认为是继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源。
因此,充分利用余热资源是企业节能减排的主要内容和手段之一。
从全国范围看,高耗能行业在余热方面的节能潜力超过1000万吨标准煤。
在上海地区,年能耗10000吨标准煤以上的重点用能单位共有300多家,在“十一五”期间,企业加大节能技术改造力度,充分挖掘余热利用节能潜力,计划实施余热项目超过200项,有效推进实施后,预计每年可节能至少30万吨标准煤。
从目前情况看,其中80%的余热潜力集中于钢铁、化工和建材三个行业,落实这些行业的余热利用项目意义重大。
此外,上海地区高温余热潜力不大,主要集中在钢铁行业,技术上其主要被回收用于余热发电;
而中低温余热(500℃以下)资源潜力超过90%,技术多样,投资回收期一般2年左右。
可见,余热资源不仅丰富,而且合理的利用余热还能够给企业带来很好的经济效益。
2余热利用技术
经过多年的发展,余热利用技术已比较成熟,技术原理应用具有较强的可复制性。
下面将介绍广泛应用于钢铁、化工和建材行业中具有代表性的余热利用技术,其中热管技术和余热锅炉技术也普遍适用于其他行业的余热利用。
2.1低热值煤气燃气轮机技术
燃气轮机循环吸热平均温度高,纯蒸汽动力循环放热平均温度低,把这两种循环联合起来组成燃气-蒸汽联合循环显然可以提高循环热效率。
高炉煤气等低热值煤气燃汽轮机联合循环发电(CombinedCyclePowerPlant,CCPP)技术是充分利用钢铁企业高炉等副产煤气,最大可能地提高能源利用效率,发挥煤气-蒸汽联合循环优势的先进技术。
我国大、中型钢铁企业一般都建有自备电厂,负责向工厂供热与供电。
自备电厂燃用本厂富余煤气,提高钢铁厂供电的可靠性,降低用电成本,对节能、环保、提高全厂经济效益都起到良好的作用,所以自备电厂往往是钢铁厂的重要组成部份,也是钢铁厂重要利润增长点。
CCPP用高炉煤气作燃料,热电转换效率从采用朗肯循环的30%-38%提高到45%。
2.1.1低热值煤气CCPP技术工艺流程及参数
CCPP是将煤气与空气压缩到1.5-2.2MPa,在压力燃烧室内燃烧,高温高压烟气直接在燃气透平(GT)内膨胀做功并带动空气压缩机(AC)与发电机(GE)完成燃机的单循环发电。
燃气透平排出烟气温度一般在500oC以上,再用余热锅炉(HRSG)生产中压蒸汽,并用蒸汽轮机(ST)发电。
蒸汽轮机发电是燃机发电的补充,并完成联合循环。
CCPP的锅炉和汽机都可以外供蒸汽,联合循环可以灵活组成热电联产。
在CCPP系统中还有一个煤气压缩机(GC)单元,特别在低热值煤气发电中,煤气压缩机比较大。
CCPP的技术核心是燃气轮机。
电力工业采用的CCPP常用天然气、重油等高热值燃料,钢铁厂CCPP以燃高炉煤气为主,有的工厂有可能掺入少量焦炉煤气或转炉煤气,用于发电的煤气热值仅为天然气的1/10-1/6。
低热值煤气燃烧不易稳定,煤气体积庞大,煤气压缩功增加,增加了低热值CCPP技术的难度。
另外,高热值煤气与低热值煤气燃烧的空燃比不一样,而低热值煤气使用场合较少,工程应用中往往套用高热值煤气的成功机型而不作针对性的设备开发,使机组的参数匹配不尽人意,从而使低热值煤气的热电转换效率不如高热值煤气高。
当今,燃用天然气的大型CCPP热电转换效率可高达52%-56%,低热值煤气CCPP只达45%。
低热值煤气的燃烧技术主要有两种技术流派。
一种是采用单筒燃烧器的燃气轮机,如ABB、新比隆公司的产品。
另一种是多筒燃烧器的燃机,多用于煤气化联合循环发电(IntegratedGasificationCombinedCycle,IGCC),如GE公司与三菱公司的产品。
2.1.2技术推广的建议
采用高炉煤气等低热值煤气CCPP技术前提条件是钢铁企业必须具有完善的煤气平衡计划,避免因煤气流量不足而使机组负荷不足,而影响效能发挥。
由于高炉煤气热值低,需要大流量高效率的煤气压缩机,同时高炉煤气中含尘量大,在进入煤气压缩机之前需要进行除尘。
与常规燃气轮机相比,燃料系统增加了压缩机、除尘器,因而其调节系统比较复杂,调节的参数多,调节的精度要求高。
如热值、压力、H2含量、O2含量、清洁度等,不允许有很大波动。
煤气燃烧后产生烟气也要进行后处理,减少对后部烟道和余热锅炉等发电设备的影响。
如果高炉煤气不足而大量使用焦炉煤气补充,经济上是不合算的,没有低成本的副产煤气燃料和较好的上网电价政策支持,企业经济效益会受严重影响。
2.2转炉负能炼钢技术
所谓负能炼钢,是指在转炉冶炼过程中,把产生的炉气净化处理后回收利用,回收的能量(煤气和蒸汽)大于消耗的能量(水、电、焦炉煤气、蒸汽、氧、氮等),使转炉工序能耗成为负值,体现了生产过程转炉烟气节能、环保综合利用的技术集成。
各钢厂共同点是通过风机改造来降低电耗,通过提高炼钢技术的操作水平来提高煤气和蒸汽回收量,降低氧气、电和各种能源介质的消耗量,最终实现负能炼钢。
近年来,通过设备的不断更新、生产过程控制的不断优化、技术水平的不断提高等,转炉工序消耗不断下降,但转炉煤气和余热蒸汽的供需平衡问题没有得到很好的解决。
转炉余热蒸汽和煤气的放散率平均在50%以上,这是影响实现负能炼钢最关键的因素。
2.2.1主要技术经济指标
转炉负能炼钢技术清洁生产指标:
煤气平均回收量达到90m3/吨钢;
回收煤气的热值应大于7MJ/m3(CO含量应大于55%);
蒸汽平均回收量80kg/吨钢;
排放烟气含尘量10mg/m3。
转炉煤气回收率大幅提高,不仅可减少CO排放使之有效地转化为能源,还可减少烟尘等排放,有效改善厂区环境质量。
2.2.2技术推广的建议
为进一步提高转炉负能炼钢技术应用,在提高煤气回收质量和减少蒸汽放散量方面:
应优化锅炉设计,提高蒸汽压力和品质;
开发真空精炼应用转炉蒸汽的工艺技术,增加炼钢厂本身利用蒸汽能力;
发展低压蒸汽发电技术,提高电能转化效率;
在优化转炉工艺方面:
可采用高效供氧技术,缩短冶炼时间,加快钢包周转;
努力降低铁钢比,增加废钢用量;
采用铁水“三脱”预处理技术减少转炉渣;
优化复合吹炼工艺,降低氧耗,提高金属收得率;
采用自动炼钢技术,实现不倒炉出钢;
改善铁钢界面,提高铁水温度;
采用单一铁水罐进行铁水运输,降低铁水温降损失等。
“负能炼钢”并未全部涵盖炼钢全工艺过程能量转换与能量平衡,不能作为整体评价炼钢工序能耗水平的唯一标准,但国际先进钢铁企业都把实现转炉负能炼钢作为重要指标。
我国转炉钢比例超过80%,因此转炉负能炼钢技术全面推广对钢铁行业节能与清洁生产意义重大。
2.3热管技术
2.3.1热管及其特点
热管是一种依靠自身内部工质相变实现传热,具有很强导热性能的传热元件。
它起源于20世纪60年代的美国,1967年一根不锈钢—水热管首次应用于地球卫星并成功运行。
热管理论一经提出便得到各国科学家的高度重视,并开展了大量的研究工作,使得热管技术快速发展。
热管是由钢、铜、铝管内灌充导热介质,并抽成一定的真空后密封而成。
管内的工质由多种无机活性金属及其化合物混合而成,具有超常的热活性和热敏感性,遇热而吸,遇冷而放。
这种热超导工质在一定温度下被激活,并以分子震荡相变形式来传递热量,其导热系数是一般金属的10000倍左右,传导温度没有衰减并能以极快的速度传递(音速传递)。
热管因其独特结构和相变传热机理,具有如下特点:
(1)安全可靠性高:
不存在管内超压,不怕干烧,因液体工质汽化后,热管的内压不随温度变化而变化;
(2)导热性强:
导热速度快、强度大、效率高,导热速度可达音速;
(3)等温性好:
传热阻力小,在很小的温差下,传递很大的热通量;
(4)热流密度可变性:
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积;
(5)环境的适应性强:
不受环境的限制,热管可根据环境的需要而设计;
(6)应用领域广:
超导热管形状具有更大的灵活性,更广泛的应用领域,能适应各种恶劣的工作环境。
2.3.2热管余热回收装置特点
热管余热回收装置具有如下特点:
常规的换热设备一般都是间壁换热,若管壁或器壁有泄露,则将造成停产损失。
热管余热回收器则是二次间壁换热。
(2)传热效率高:
98%以上,节能效果明显。
(3)防腐蚀能力佳:
通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上,从而可防止露点腐蚀。
同时热管在导热时会产生自振动,使灰不易粘附在管壁和翅片上,不易堵灰。
(4)安装及结构布置灵活:
无需改变原工艺系统,结构设计和位置布置灵活,且其体积只有普通热交换器的1/3,可适应各种复杂的场合。
(5)使用寿命长:
使用寿命在10年以上,单根热管可拆卸更换,维护简单、成本低。
(6)投资回收期短:
一般在6个月至1年就可回收投资。
2.4余热锅炉技术
余热锅炉是余热利用的主要设备之一。
余热锅炉的主要作用是将各种形式的余热转化为高、中、低压蒸汽,从总体上提高能源利用率。
余热锅炉主要分为烟管式和水管式两大类:
(1)烟管式余热锅炉
其特点是烟气在管内流动,水在管外吸热蒸发,产生的饱和蒸气通过管道经过热器过热后送往用户。
这种余热锅炉操作简便,对水质要求不高,炉外也不需砌砖。
缺点是热效率低,钢材消耗量较大,工作压力不能太高,因此在实际使用中受到很大限制。
(2)水管式余热锅炉
其特点是水在管内流动并受热汽化,烟气在管外流动。
依照水循环动力的不同,可分为自然循环和强制循环两种。
在进行自然循环水管式余热锅炉的设计和操作时,必须考虑如何保证水循环的畅通,否则将危及锅炉的安全运行。
与自然循环水管式余热锅炉相比,强制循环水管式余热锅炉的水循环较为稳定,锅炉效率较高,结构较紧凑,但投资费用大,水质要求高,运行较复杂。
常在烟气流量较高(50000-60000Nm3/h以上)时采用,为保持效率,余热锅炉要定期清除锅炉管积灰,同时要保持烟道严密,防止吸入冷风。
我国已有多年设计、使用余热锅炉的历史,从改善用能设备的热工效率来看,首先应将余热用于预热助燃空气、煤气,直接提高设备自身热效率,然后再用余热锅炉回收剩余的热量来生产蒸汽。
3案例分析
3.1低热值煤气燃气轮机技术分析
3.1.2主要技术经济指标
高炉煤气等低热值煤气CCPP技术先进,在不外供热时热电转换效率可达40%-45%。
相同的煤气量,CCPP比常规锅炉蒸汽多发70%-90%电。
且此发电技术CO2排放比常规火力发电厂减少45%-50%,没有SO2、飞灰及灰渣排放,NOx排放低,回收了钢铁生产中的二次能源,且为同容量常规燃煤电厂用水量的1/3左右。
3.1.3技术应用情况
低热值煤气燃烧不易稳定,低热值煤气体积庞大,煤气压缩功增加,这些都是此技术的难点。
目前,以天然气为燃料的大型CCPP的热电转换效率高达50-58%,而以低热值煤气为燃料的CCPP只有45%-52%。
低热值煤气燃烧技术只被少数公司掌握,国内目前已采用此技术的有宝山钢铁公司、通化钢铁公司和济南钢铁公司。
宝钢电厂150MW燃气-蒸汽联合循环热电装置是世界上第一台全烧低热值(3260kJ/m3)高炉煤气的大容量燃气轮机组,最大燃气量为396000Nm3/h。
设备由日本川崎重工和瑞士ABB公司联合生产。
项目总投资为104796万元,投资回收期为8.5年。
3.2转炉负能炼钢技术分析
相关企业在应用转炉负能炼钢技术过程中取得的经验有:
提高转炉作业率,缩短冶炼周期可降低冶炼电耗;
优化二次除尘风机运行参数,实现节电;
采用计算机终点控制等技术,降低氧气消耗;
加强设备维护,加强煤气回收,减少转炉煤气放散率;
采用蓄热燃烧技术烘烤钢包,有效增加转炉煤气用户;
缩短冶炼时间,提高生产效率;
合理优化工艺流程。
宝钢是我国最早实现“负能炼钢”的钢铁企业,虽然调整品种结构,增加炉外精炼、电磁搅拌等耗能新工艺装备,转炉工序能耗压力加大,但通过深入挖潜,继续保证了转炉负能炼钢技术有效实施。
宝钢采取的具体措施包括:
降低电力消耗的措施:
改进风机运行,风机高速时转速为710r/min,功率3161kW,低速时转速535r/min,功率1730kW,比改造前使吨钢电耗下降。
提高转炉煤气回收。
回收条件:
CO浓度达到40%,回收时间达到设定值,8万m3煤气柜当柜位到7.2万m3时,自动停止回收,烟气流量达到7万m3/h时开始回收,小于5万m3/h后自动停止回收,煤气中氧气浓度要小于1%。
转炉煤气达到以上要求时开始回收。
设备正常运行是煤气回收的首要条件,用氮气替代压缩空气。
提高操作工的水平。
提出今后的工作主要采用干式除尘并将未回收显热加以回收,应用全密闭裙罩回收系统后煤气可以提高11m3/t钢,裙罩内燃烧率可由10%降至2-3%。
采用高纯度二氧化碳代替转炉复吹使用的氩气,加强管理降低氩气消耗,因为氩气的生产成本高于氧气和氮气,消耗lm3的氩气相当于消耗3.5kg标准煤。
充分利用回收蒸汽减少放散,充分利用低温循环水。
3.3热管技术在合成氨工业余热回收中的应用
合成氨工业是一项基础化学工业,在化学工业中占有重要的地位。
合成氨生产从造气直到氨的合成都伴随有换热过程。
合理地利用和控制合成氨生产过程中的放热,不仅节约生产中的能耗,降低生产成本,而且可以提高CO变换率及氨的合成率,前者属于余热利用,而后者属于化学反应的热控制。
我国的合成氨工业从生产规模上可分为小合成氨、中合所氨和大合成氨生产。
生产的原料路线有煤、油和天然气。
由于原料路线不同,因而生产工艺路线及采用的设备也不尽相同。
针对不同工艺路线设备的特点,热管技术在合成氨工业生产中有以下几种应用类型:
(1)回收低温余热预热助燃空气,或生产低压蒸汽作为生产原料;
(2)回收高温余热产生中压蒸汽作为原料蒸汽的补充,或生产高压蒸汽作为生产的动力;
(3)控制固定床催化反应器的化学反应温度,使其向最佳反应温度逼近,从而提高CO变换反应器的CO变换率及合成氨塔内氨的合成率。
以上三种应用类型,在不同的生产规模及不同的原料工艺路线中应用的方式不同,在实际应用中应针对不同的实际条件采用不同的技术设计,以取得良好的效果。
3.4水泥纯低温余热发电
过去由于受水泥熟料生产技术及国内节能技术装备研发水平的限制,大量的中、低温余热未被充分利用,造成很大的能源浪费。
水泥生产过程中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排放的350℃以下的废气,其热量约占水泥熟料烧成系统总耗热量的30%以上。
而充分利用水泥生产过程中的废气余热资源建设低温余热发电装置,既可大量回收和充分利用低品位的余热用以发电或热电联供,以降低水泥生产的电耗,节约能源,减少二氧化碳排放,又可有效的减少水泥生产对环境的废热及粉尘等的污染,已成为目前国内水泥工业节能降耗、改善环境状况的有效途径。
某水泥股份有限公司为充分利用生产线的窑头、窑尾废气余热资源,建设总装机容量为37.5MW的纯低温余热电站,可实现年节约标煤32542.6吨,减排二氧化碳70593吨当量。
余热电站与现有电力系统实现并网运行,运行方式为并网不上网,年供电量达8055.1万千瓦时,年创经济效益1840万元。
由此可见,纯低温余热发电工程的实施,可有效地降低企业水泥生产成本,提高企业产品市场竞争力,为企业产生良好的经济效益。
在有效节约能源、减少粉尘和温室气体排放、保护生态环境等方面都起着积极的促进作用。
4余热利用的困难与建议
从技术方面看,高温余热利用技术通过多年的发展已比较成熟,一些成功的案例也表明其经济效益比较明显,但潜力巨大的中低温余热利用技术尚需进一步发展。
另外,由于信息传播渠道及企业缺乏资金等问题,制约了余热利用技术的大量推广。
一方面,高耗能企业缺少正确认识这些节能技术和利用清洁发展机制(CleanDevelopmentMechanism,CDM)、合同能源管理(EnergyPerformanceContracting,EPC)等先进机制推进实现技术进步的机会;
另一方面,国内外先进技术服务商也无法了解这些企业的情况。
针对上述余热利用技术推广过程中的问题和障碍,提出如下建议:
(1)建议通过开展余热资源调研、收集汇编国内外相关先进技术、方法学、先进的管理机制及案例等方式加强信息传播,并加强中低温余热利用技术的研究,促进余热技术的广泛应用。
(2)由于技术难度较大、投资回收期较长、经济性不明显等原因,企业在利用中低温余热时积极性不高。
但中低温余热利用节能潜力巨大,建议给予企业财政、税收上的支持和优惠。
(3)中低温余热利用项目投资一般较大,企业资金不充裕的情况下无法开展。
而中国目前的节能服务公司(EnergyServiceCompany,ESCO)多数为中小型公司,在投资项目时主要考虑总投资和投资回收期,不利于中低温余热的利用。
建议国家支持组建大型ESCO公司。
(4)建议有余热利用潜力的企业和ESCO公司进行EPC项目时,尽量做到将多种用能系统综合考虑,整体改进,并注重自动控制系统的精细化使用。
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