有色冶金行业废气余热回收利用技术及研究展望

李益 李行

（湖南华电长沙发电有限公司，湖南 长沙 410000）

有色冶金行业废气余热回收利用技术及研究展望

李益 李行

（湖南华电长沙发电有限公司，湖南 长沙 410000）

节能减排是经济社会发展的长期战略方针,回收余热对实现节能减排战略意义重大。废气在余热资源中占很大比重，在介绍废气余热回收利用设备及不同炉型废气余热的利用方式基础上，提出废气余热利用技术的相关进展,为科学合理利用余热资源提供借鉴。

有色冶金；废气余热；回收利用

我国能源消费量逐年增长，成为仅次于美国的第二大能源消费国，其中工业能源消费量已超过总消费量70%，环境污染、资源和能源短缺成为经济增长的“瓶颈”。余热属二次能源，分高温烟气余热、高温炉渣余热、高温蒸汽余热、冷却介质余热、可燃废气余热等。在各种工业炉窑能量支出中，废气余热约占15%～35%。近年来，我国余热利用方面技术有了很大进步，但与世界先进水平相比还有差距。大多数有色冶金企业的能源消耗都比较大，占全国能源消耗的10%，占工业部门能源消耗的15%。能源价格攀升成为有色冶金企业的新挑战，节能降耗应作为有色冶金企业的长期战略任务[1]。

1 废气余热回收利用概述

1.1 余热回收利用现状

中国能源利用率仅为30%，大部分余热未经利用直接排放。目前回收利用的余热主要是高温烟气和生产过程中排放的可燃气，中低温余热回收利用量极少。相对于高品位能源来说，低品位余热能量低，利用难度大，有效利用低品位余热是产能和用能的关键。低品位余热回收利用普遍采用水冷介质，受水资源、运输、地域等因素制约，难以推广应用。以色列低温余热发电技术在全球处于领先地位，日本、美国、俄罗斯也进行了大量研究，并开发了有机朗肯循环余热锅炉发电系统等。上世纪末，美国Recurrent工程公司开发Kalina系统的工业废热回收发电系统已在少数钢铁厂和化工厂进行中试。我国少数高校和科研院所也进行了相关研究，并取得成果[1-2]。

1.2 余热回收利用原则

生产蒸汽的余热回收设备有余热锅炉和汽化冷却装置等。余热锅炉属低温炉，在高温炉后直接安装效果并不理想，在选用回收利用设备过程中应充分考虑企业余热的种类、介质温度、数量及利用可行性。总原则就是要将回收的余热优先用于自身系统能耗设备，减少一次能源消耗量，且高温余热必须尽可能地用于有高温需求的工艺设备，减少能量转换次数，同时要有相应的安保措施，在发生事故时不影响本体的正常生产[2]。

1.3 余热回收利用设备

有色冶金企业废气余热回收利用设备有辐射式换热器、管式换热器、片状管换热器、热管换热器、余热锅炉、余热锅炉-汽轮机发电装置等。辐射式换热器是使用较广的换热器，多用在均热炉或加热炉上，助燃效果较好，温度效率超过40%，不过其热回收率仅为30%左右。管式换热器约被40%的钢铁企业所采用，其热回收率平均在26%～30%。片状管换热器在联合企业及中小企业中采用得较多，其热回收率平均为28%～35%。热管换热器在中小企业应用较为广泛，主要用于预热空气或煤气，回收热风炉的烟气余热，热回收率超过50%。余热锅炉在联合企业应用比较多，主要用于平炉，回收的热量中70%用于企业生产。通过电力回收余热是目前最好的利用方式，但余热锅炉-汽轮机发电装置受限于动力设备运转连续性及电力并网等因素[3]。

2 各种废气的利用方式

2.1 烧结废气

钢铁企业烧结工序的能耗份额占总能耗份额的10%左右，仅次于炼铁工序。烧结总能耗中大部分热能以烟气或冷却机废气显热形式排入周围环境。由于烧结废气的温度不高，余热回收装置的投资较大，要根据全厂蒸汽需求分析是否对烧结废气进行回收。在冷却机废气回收中，其中温部分技术比较成熟，而低温部分由于热效率低，应用的很少。

2.2 高炉煤气

我国在高炉煤气回收利用方面做了大量研究，但目前放散率仍比较高。大部分企业在放散高炉煤气的同时使用高价油和优质煤，既浪费了能源，又污染了环境，而且生产成本增加。高炉煤气的超低热值是限制其推广使用的主要原因。为解决此难题可在热风炉烟道中安装换热器以预热助燃空气及高炉煤气，此外还可进行富氧燃烧。

2.3 转炉煤气

转炉生产呈周期性，排出的烟气余热也不是连续的，转炉余热锅炉也只能间断生产蒸汽。为改变不连续供气，可在供气系统中设蒸汽蓄热器，锅炉热效率可提高5%左右。由于转炉煤气中CO的含量高达70%，在回收过程中存在不安全性，且其不连续性导致事故频率增加，回收利用难度增大，因此必须掌握转炉煤气的特性和生产规律并采取相应的措施以确保安全。

2.4 电炉烟气

回收利用电炉烟气的装置主要有余热锅炉和废钢预热器。余热锅炉回收的热能大约为废钢预热器回收热能的2.5倍，但预热废钢回收的热能中可用能较多、能级较高。从主体设备的生产工艺来看，预热废钢方式也比较好[4]。

2.5 轧钢加热炉烟气

在我国现有技术水平下，排入烟囱的最佳烟温为150～180℃，发达国家可使排入烟囱的烟温小于100℃。轧钢加热炉烟气余热应该随烟温由高到低逐级回收利用。可以通过使用密封性能、保温性能较好的轻型地上烟道和多行程优化排列翅片以及插入件强化传热的金属换热器以提高烟气利用率，还可以采用绝热性能良好的热回收管路等[3]。

3 废气余热回收利用展望

3.1 余热发电系统优化

余热发电系统的优化可以从以下几个方面进行：一是研究余热系统热工参数对系统的影响。二是发展高效除尘技术，减少入炉粉尘量。三是优化余热锅炉结构，合理布置受热面。四是研究新式密封机构降低锅炉漏气产生的热损失。五是优化汽轮机变工况适应能力以优化控制系统。

3.2 新工质循环余热发电

余热发电均为中低温参数，若以水为工质的朗肯循环，用低品位热能汽轮机发电机组回收利用余热，其循环效率低，系统复杂，而以有机工质朗肯循环（ORC）和氨水混合物为工质的Kalina循环系统能更高效地利用余热资源[5]。

3.3 螺杆膨胀动力机应用

有色冶金行业有许多用气设备，消耗大量低压蒸汽，大部分通过在系统中设减温、减压装置获得低温低压蒸汽，造成热能的巨大浪费。螺杆膨胀动力机是一种回收低压饱和蒸汽余热的源动机，可用于驱动风机和发电机等，有效解决了低品味余热难以回收利用的难题。

3.4 合同能源管理的应用

对于锅炉设备的升级改造，供热企业受限于资金和技术等因素，从而进程较为缓慢。合同能源管理模式可以很好地利用各方面生产要素，充分整合社会资源，加快原有锅炉设备的升级改造，实现供热企业通过节能降耗有效控制成本的目标[6-7]。

4 结语

国家逐步加大节能减排资金的投入力度，在工业窑炉余热发电方面，通过科研工作者们的不懈努力，纯低温余热发电技术越来越成熟，尤其是补汽式汽轮机的研制成功，使得我国余热发电技术总体水平已接近欧美发达国家。

[1]李海燕.低品位余热利用技术的研究现状、困境和新策略[N].科技导报，2010，28（17）：112-115.

[2]赵钦新.我国余热利用现状与技术进展[J].工业锅炉，2009（5）：8-10.

[3]万航.铁合金生产中的节能——余热利用[J].甘肃冶金，2009（3）：13-14.

[4]程竹静.我国现代电炉余热回收的发展趋势[N].世界金属导报，2010（2）：23-24.

[5]尹刚.低温余热发电技术的特点和发展趋势探讨[J].电工文摘，2012（4）：63-66.

[6]贺涛.锅炉系统烟气余热利用技术研究[J].机械管理开发，2012（4）：47-48.

[7]胡晓冬.合同能源管理在锅炉烟气余热利用中的应用[J].区域供热，2013（6）：85-87.

TM 6

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1671-0037（2014）04-26-1.5

李益（1983-），男，本科，研究方向：电厂运行与维护管理。

李行（1985-），男，本科，研究方向：电厂的自动化运行与管理。