鋼鐵企業(yè)余熱回收利用系統(tǒng)能級分析方法的探討

鋼鐵企業(yè)余熱回收利用系統(tǒng)能級分析方法的探討

現(xiàn)代鋼鐵公司是一個復雜的鋼鐵公司過程和深加工系統(tǒng)。在鋼鐵生產(chǎn)過程中,含鐵等原料經(jīng)過多道生產(chǎn)工序?qū)㈣F礦石轉(zhuǎn)變?yōu)殇撹F產(chǎn)品,而含碳等能源大部分經(jīng)過加工、轉(zhuǎn)換、改質(zhì)等若干環(huán)節(jié),從一次能源轉(zhuǎn)換為能源產(chǎn)品供生產(chǎn)工藝使用,伴隨著鐵素資源形成產(chǎn)品。另一部分并未伴隨鐵素資源,而是在此過程中形成了二次能源——副產(chǎn)煤氣和各種余熱資源等,其中余熱資源主要包括各種煙氣顯熱、產(chǎn)品(焦炭、燒結(jié)礦等)顯熱、爐渣(高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣等)顯熱以及冷卻水的顯熱等,其中有的已被回收利用(比如焦炭和燒結(jié)礦顯熱等),而有的則尚未被回收利用(比如爐渣和冷卻水顯熱等)。隨著對鋼鐵制造流程能源轉(zhuǎn)換功能的日益認可和重視,“十一五”期間,鋼鐵企業(yè)對回收余熱資源的熱情也出現(xiàn)前所未有的高漲,推廣應用了諸如CDQ、燒結(jié)余熱發(fā)電、轉(zhuǎn)爐蒸汽回收等節(jié)能技術。雖然解決了節(jié)能技術的“有”與“無”的問題,但是余熱資源的利用效果相差較大,以CDQ發(fā)電為例,有的企業(yè)噸焦發(fā)電量可達120kW·h/t,而有的企業(yè)則僅為80kW·h/t,甚至更低。這主要歸結(jié)于對鋼鐵企業(yè)余熱資源回收與利用方式合理性等相關研究不夠深入。因此,本文將采用能級分析方法對不同級別余熱資源利用方式的合理性進行探討,為鋼鐵企業(yè)的余熱資源利用采用何種方式提供參考。1能量的“品質(zhì)”1.1熱平衡分析方法熱平衡分析方法以熱力學第一定律(即能量守恒和轉(zhuǎn)換定律)為基礎,強調(diào)在能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中,能量的“量”保持守恒,只從數(shù)量關系考察能量系統(tǒng)向外界排放所引起的外部能量損失,未考慮能量系統(tǒng)內(nèi)部因各種不可逆因素導致的能量“品質(zhì)”下降,即所謂的內(nèi)部能量損失,由此給出熱效率評價指標。根據(jù)這個指標只能判斷有多少能量得到了利用,而不能判斷能量的“品質(zhì)”是否滿足用戶的需求(多數(shù)情況下能量的“品質(zhì)”高于用戶的需求,導致能量的浪費)。1.3能級分析方法就熱力學理論和工程應用而言,以熱力學第一定律和第二定律為基礎的平衡分析方法顯然優(yōu)于單純以熱力學第一定律為基礎的熱平衡分析方法。但是平衡分析方法僅從用能過程對能量系統(tǒng)進行分析、評價,雖然它解決了能量分析結(jié)論的準確性和可靠性,卻未能解決在能量系統(tǒng)中供能與用能雙方是否合理匹配的問題,即供能與用能雙方在能量“品質(zhì)”上是否匹配合理。為了評價能量品質(zhì)的高低,有的學者提出了能級的概念。所謂能級是指能量Q中有效能(Ex)所占的比例,用λ表示,則有:對于一個能量系統(tǒng)而言,進入系統(tǒng)的能量E1和離開系統(tǒng)的能量E2的能級分別為λ1和λ2。顯然,當λ1=λ2時,即能級差Δλ=0時,進、出系統(tǒng)的能級平衡。當λ1≠λ2時,能級就不平衡,此時進、出系統(tǒng)的能量的能級差|Δλ|>0。|Δλ|越大,說明供能與用能越不匹配,能量利用越不合理。有了能級和能級差的概念就可以依據(jù)能量平衡與平衡原理,以能級匹配和減少能量損失為指導思想,以供能與用能的能級差、熱效率等作為能量利用合理性的質(zhì)量和數(shù)量水平的兩個定量指標,這就是能級分析方法。2關于高校剩余資源回收方法的合理性2.1余熱資源回收利用方式及影響因素分析隨著鋼鐵企業(yè)對節(jié)能工作的日益重視,對于當前技術條件下可回收的余熱資源,基本上都進行了回收利用?，F(xiàn)有的回收利用方式可歸納為3種:熱利用、動力利用、熱-動力聯(lián)合利用,見圖1。余熱資源本身的特點決定了余熱回收時應注重實效性和匹配原則。時效性是指余熱資源必須及時加以利用,因為鋼鐵生產(chǎn)過程是一個能量在時間和空間上的耗散過程,利用不及時會造成能量耗散貶值。匹配的原則是指余熱與用戶不僅數(shù)量匹配,而且質(zhì)量匹配,即在提高余熱回收利用效率的同時,應該注意減少用戶與余熱資源的能級差。能量利用的合理性涉及包括系統(tǒng)(設備)、能源、用戶和環(huán)境4個子系統(tǒng)的用能過程,是如何對這個大系統(tǒng)的用能過程作出合理安排的問題。不同余熱資源的回收利用方式及影響余熱回收利用水平的影響因素可在圖2所示的余熱回收利用系統(tǒng)中體現(xiàn)。由圖2可見,當沒有汽輪機T時,能量流沿著a-c-d-e-a的路徑流動,屬于熱利用;當沒有抽汽供熱時,能量流沿著a-b-c-e-a的路徑流動,屬于動力利用;當無凝汽器C時,能量流沿著a-b-c-d-e-a的路徑流動,屬于熱-動力聯(lián)合利用。圖2中,Q1、E1、T1分別為輸入給系統(tǒng)的余熱資源的熱量、量及其平均溫度,Q2、E2、T2分別為輸送給熱用戶的熱量、量及其平均溫度,W為系統(tǒng)輸出的機械功,T0為環(huán)境溫度。輸入系統(tǒng)的余熱資源的能級為:用戶的能級,即回收利用能量的能級為:系統(tǒng)輸入-輸出的能級差為:由此可見,系統(tǒng)的能級差Δλ表明余熱利用系統(tǒng)損失的大小,也反映了系統(tǒng)輸出的多少。Δλ較小的方案不但在“按質(zhì)用能”方面較為優(yōu)越(因為損失較小),而且在余熱量方面也比較充分(W+E2較大)。所以,Δλ可以用來比較余熱資源相同時,各種余熱回收利用方案的優(yōu)劣,即可以作為衡量余熱資源合理利用程度的定量指標。由圖1可知,余熱資源的回收利用方式主要有3種,即熱利用、動力利用和熱-動力聯(lián)合利用。為了分析回收的余熱資源中動力利用和熱利用的比例關系,引入“動力利用的分配比”(R)這一概念,即:余熱資源、余熱資源熱利用的計算公式分別為:而余熱資源以動力利用方式回收時,其能量屬于“高級能”,其數(shù)量與質(zhì)量是統(tǒng)一的,即其量也為W。因此,由式(2)~(7)可以得出余熱回收系統(tǒng)輸入-輸出的能級差的絕對值,即:由此可見,余熱回收系統(tǒng)輸入-輸出的能級差是T1、T2和R的函數(shù)。當R=0時,即為純熱利用方案,此時,說明余熱資源利用方案的優(yōu)劣只與系統(tǒng)輸入-輸出的能量流的溫度有關?！皽囟葘凇笔怯酂豳Y源實施熱利用時應遵循的基本原則。當R→∞時,即為純動力利用方案,此時,說明余熱資源動力利用方案的好壞只與輸入給系統(tǒng)的能量流的溫度(即余熱源的溫度)有關。余熱源的溫度越高,實施動力利用越合理。當0<R<∞時,則為熱-動力聯(lián)合利用。2.2熱-動力聯(lián)合利用當鋼鐵生產(chǎn)工藝不變時,其過程中余熱源的溫度可以認為是恒定的,此時余熱資源的合理利用程度將主要由R來決定。下面根據(jù)系統(tǒng)輸入-輸出的能級差與R的關系曲線討論余熱資源回收利用方式的合理性。1)T1>2T2。此時,由式(8)可得到圖3(a)所示曲線。由圖3(a)可見,T1>2T2時,余熱資源的回收利用方式對能級差|Δλ|的影響可以分為以下3種情況:(1)當時,|Δλ|<|Δλ∞|<|Δλ0|。此時,熱-動力聯(lián)合利用優(yōu)于純動力利用,而純熱利用最不合理。(2)當時,|Δλ|=|Δλ∞|<|Δλ0|。此時,熱-動力聯(lián)合利用和純動力利用的合理性相同,并均優(yōu)于純熱利用。(3)當時,|Δλ∞|<|Δλ|<|Δλ0|。此時,應優(yōu)先采用純動力利用,其次是熱-動力聯(lián)合利用,最不合理的是純熱利用。由此可見,當余熱資源的能級相對于熱用戶的能級較高時,余熱利用方案中,動力利用要占一定比例,即純熱利用(R=0)是不合理的。2)T1=2T2。此時,由式(8)可得到圖3(b)所示曲線。由圖3(b)可見,在這種情況下,總有|Δλ|<|Δλ∞|,|Δλ0|=|Δλ∞|。因此,此時熱-動力聯(lián)合利用最為合理,純熱利用和純動力利用的合理性相同。3)T2<T1<2T2。此時,由式(8)可得到圖3(c)所示曲線。由圖3(c)可見,T2<T1<2T2時,余熱資源的回收利用方式對能級差|Δλ|的影響可以分為以下2種情況:由此可見,當余熱資源的能級不高時,余熱利用方案中熱利用要占一定比例,即純動力利用(R→∞)是不合理的。對于余熱回收利用系統(tǒng),總有T1>T2,上述1)、2)、3)概括了所有的情況。為了直觀地分析變化時余熱利用方式對能級差的影響,特對進行賦值。根據(jù)上述分析結(jié)果,分別取1.5、2.0和2.5,此時可以得到圖4。由圖4可見,當發(fā)生變化時,隨著余熱源溫度的增加,純動力利用或以動力利用為主的聯(lián)合利用(靠近圖4的右側(cè))的能級差逐漸變小,即余熱回收利用的合理程度逐漸提高。相反,隨著余熱源溫度的增加,純熱利用或以熱利用為主的聯(lián)合利用(靠近圖4的左側(cè))的能級差逐漸增大,也就是說余熱回收利用的合理程度逐漸下降。通過以上分析可以得出以下結(jié)果:(1)在大多數(shù)情況下,余熱資源的熱-動力聯(lián)合利用是最合理的。只有當T1>2T2,且時,純動力利用優(yōu)于熱-動力聯(lián)合利用。當T2<T1<2T2,且時,純熱利用優(yōu)于熱-動力聯(lián)合利用。前一種情況說明,當余熱資源的能級相對于熱用戶的能級較高時,動力利用要占一定比例(即R要大);后一種情況說明,當余熱資源的能級相對較低時,熱利用要占一定比例(即R要小)。(2)純動力利用方案和純熱利用方案是否合理與余熱源溫度有關。由圖3~圖4可見,T1=2T2可作為純熱利用與純動力利用的分界點。當T1>2T2時,純動力利用優(yōu)于純熱利用;當T1<2T2時,純熱利用優(yōu)于純動力利用。鋼廠的余熱資源可以認為屬于恒溫熱源。由恒溫熱源的能級計算公式可得:另外,由于鋼鐵廠的熱用戶溫度T2與環(huán)境溫度T0存在T2≥T0的關系。故。由此可以得知,當余熱資源的能級小于0.5時,余熱回收系統(tǒng)已不適合采用純動力利用,此時采用純熱利用比純動力利用合理。2.3蒸發(fā)煙氣顯熱轉(zhuǎn)爐冶煉時的煙氣溫度為1400~1600℃,目前多數(shù)企業(yè)采用汽化冷卻回收了這部分熱量?；厥展┯脩羰褂玫恼羝麉?shù)波動范圍在0.4~2.0MPa。另外,由于轉(zhuǎn)爐冶煉有固定的間歇,多數(shù)企業(yè)配備了蓄熱器以保證蒸汽的穩(wěn)定供應。目前轉(zhuǎn)爐蒸汽的利用方式主要有3種:一是將蒸汽供公司管網(wǎng);二是用于飽和蒸汽發(fā)電;三是用于RH精煉?？梢钥闯?后2種屬于動力利用,第1種屬于熱利用。下面將從能級分析的角度對轉(zhuǎn)爐蒸汽利用方式的合理性進行討論。某企業(yè)有3座120t轉(zhuǎn)爐,年產(chǎn)420萬t鋼水。2套130tRH真空精煉爐,年處理鋼水145萬t。轉(zhuǎn)爐煙氣溫度1723K(T1);環(huán)境溫度設為150℃;轉(zhuǎn)爐蒸汽參數(shù)為1.2MPa,205℃;管網(wǎng)蒸汽參數(shù)為1.0MPa,468K(T2)。一座轉(zhuǎn)爐冶煉周期為35min,吹氧16min內(nèi)產(chǎn)氣量按18t計,其他19min不產(chǎn)汽,直至進入第2個冶煉周期的吹氧過程,則蒸汽的平均流量為1.13t/min(67.5t/h),其中2套RH的平均耗汽量為50t/h,其余蒸汽并入公司蒸汽管網(wǎng)。由以上參數(shù)可以得出:|Δλ|=0.32,|Δλ∞|=0.24,|Δλ0|=0.67。另外,此時,并且T1>2T2,由以上分析可知,對于轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱,純動力利用最合理,其能級差為0.24;純熱利用最不合理,其能級差為0.67。因此,僅從能級的角度分析,該企業(yè)的轉(zhuǎn)爐回收蒸汽部分送至管網(wǎng)的利用方式不合理。最合理的利用方式應是將轉(zhuǎn)爐蒸汽全部動力利用(RH抽真空和飽和蒸汽發(fā)電,并采用純凝式發(fā)電機組)?？紤]到轉(zhuǎn)爐冶煉屬于間歇操作,轉(zhuǎn)爐煙氣間歇產(chǎn)生,如果1座轉(zhuǎn)爐對應1套RH或1套發(fā)電機組,雖然蒸汽的數(shù)量可以滿足需要,但是不能保證RH和發(fā)電機組對蒸汽持續(xù)供應的要求,同時發(fā)電機組的容量也受單座轉(zhuǎn)爐蒸汽量的限制。因此,多座轉(zhuǎn)爐回收的蒸汽集中用于RH或發(fā)電機組,既可以保證用戶對蒸汽穩(wěn)定性的供應要求,又可以建設較大的發(fā)電機組取得更高的發(fā)電效率。3平衡分析方法t-轉(zhuǎn)爐余熱資源回收利用中熱-動力聯(lián)合利用,在一定狀態(tài)1)能量具有兩個方面的性質(zhì),即數(shù)量和質(zhì)量。以往對能量的數(shù)量關注較多,而對能量的質(zhì)量,即對的關注較少。全面科學用能的觀點是:既要用,也要用,不僅使供給的能量盡可能完全地得到利用,而且其品質(zhì)也要符合用戶需求,即能量流的輸入端與輸出端的能級相匹配。2)熱平衡和平衡分析法均存在片面性,不能全面說明能量利用的合理性。而能級分析法則可以從能量供-需雙方的匹配方面分析能量系統(tǒng)能量利用的合理性。3)分析了不同溫度余熱資源(T1)和不同溫度熱用戶(T2)之間的關系。利用能級分析的方法闡述了T1>2T2、T1=2T2和T2<T1<2T2這3種情況下不同余熱資源回收利用的合理性,并以某企業(yè)轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱回收利用為例,確認轉(zhuǎn)爐回收蒸汽的利用方式以純動力利用最為合理,其次為熱-動力聯(lián)合利用,最不合理的是純熱利用。1.2平衡分析方法由于能量不僅有“數(shù)量”問題,而且還有“品質(zhì)”問題,這是熱力學第一定律沒有涉及的。而熱力學第二定律則從能量“質(zhì)”的屬性出發(fā)闡述能量轉(zhuǎn)換的客觀規(guī)律。平衡分析法就是以熱力學第二定律為基礎的,只考慮能量的