钢铁企业余热资源量的评价与利用

全国能源与热工2008学术年会
钢铁企业余热资源量的评价与利用
苑安民1陈红国2
（1.上海应用技术学院 200235 2.宝钢股份不锈钢分公司能源部）
摘要：余热是钢铁企业十分重要的资源，余热资源回收利用是钢铁企业降本增效、改善环境的重要途径。

余热资源回收率这一指标在一定程度上反映了一个企业能源利用的先进水平，也是能源管理工作的基础。

本文通过对钢铁企业余热资源总量的调研、实测与计算，对各生产系统现有的各类余热资源“量”与“质”进行分析与评价，从中可以找出钢铁企业余热资源合理回收利用的方法，为有效节能提供依据。

关键词：余热；资源；火用；利用率
Evaluation of the Waste Heat and Utilization in the Steel Industry
YUAN An-min1 CHEN Hong-guo2
(1.Shanghai Institue of Technologe 200235 2. Energy Department, BaoGang Stainless Steel Branch) Abstract: In the steel industry the utilization of waste heat is an important way to decrease investment, to increase efficiency, and to improve the environment. Somehow, the recovery rate indicates the level of energy utilization and energy management. In this paper the total resource of waste heat is investigated, the amount of waste heat is measured, and the quantity and quality of waste heat is calculated and analyzed, and the weakness link and potential of the waste heat utilization is figured out. This gives the basis of making energy saving measures.
Key words: Waste heat; Resource; Exergy; Recovery rate
1 前言
炼铁、炼钢、轧钢和动力四大系统组成了钢铁企业主要生产和辅助生产系统。

炼铁系统主要包括炼焦、石灰、烧结和高炉四个工序；炼钢系统主要包括转炉冶炼、电炉冶炼、炉外精炼和连铸（铸锭）工序等；轧钢系统主要包括加热、热轧、冷轧和热处理工序等；另外，动力系统包括了能源介质蒸汽生产、压缩空气、氧氮氩气制作、供水和水处理等。

生产中使用的能源以外购煤为主，电来自（自备）发电厂；各种炉窑等加热设备使用的燃气来自炼焦过程产生的焦炉煤气；炼铁、炼钢过程中回收的高炉煤气和转炉煤气；其他的蒸汽、压缩空气、氧氮氩气和工业水等能源介质则是利用余热、副产煤气和电转换而成。

钢铁企业的余能余热资源非常丰富，除了上述回收的焦炉、高炉和转炉煤气外，还有加热炉等各种炉窑排出的高温、中温烟气，炼铁、炼钢排出的高温铁渣、钢渣等等，是钢铁企业可利用的重要资源。

随着世界尤其是我国常规能源（不可再生能源）资源的短缺，能源价格的不断上涨，企业余热资源的回收利用越来越受到重视。

提高余热资源的回收利用率，也是钢铁企业节能降耗的重要途径，它不仅是企业生产水平尤其是能源管理水平的体现，而且也有利于节能减排的实施，有利于降低企业的生产成本。

进入本世纪以来，钢铁工业的余热资源回收技术普遍提高，余热资源的范围也有所扩大。

近几年在扩建和改造项目中，采用了不少余热资源回收的新技术，企业能源管理也逐渐趋向完善，使节能的空间越来越小。

为此各钢铁企业的能源管理部门，首先迫切需要通过调研，了解企业目前的余热资源总量及分布，摸清已回收余热利用的方式和数量，分析和评价已回收和尚未利用的余热资源的数量、品
质和利用的效果，研究如何改善现行余能余热回收技术和装置的效率，进而明确如何进一步提高钢铁企业余能余热利用率。

2 余热资源的定义与评价
所谓余热余能资源指以环境温度为基准，被考察体系排出的热载体可释放的热量，它包括实际上可利用和不可利用两部分热量。

一般认为，企业的余热资源指：在生产过程中各种用能设备及产品排放或携带出的有回收价值的显热、潜热或压力能量等。

生产过程中的各种余热按余热载体可划分为固体、液体和气体载体的余热资源，由于不同余热资源的品质，其利用价值也不同，按余热载体温度水平可分为三个等级：温度高于650℃的为高温余热，如钢铁冶炼排出的铁渣、钢渣，加热炉、均热炉排出的烟气等；温度在300～650℃的为中
温余热，如热送的钢坯、一些热处理炉排出的烟气等；温度低于300℃的为低温余热，如石灰窑、工业锅炉排出的烟气等。

并非生产过程中产生的所有余热资源都能加以利用，如果温度太低，在目前的技术条件下，难以保证投资的回报，即经济上不合理的，一般不加以回收。

为此，通常在考察余热资源时都规定了一个下限温度(见下表1)。

这个下限温度可作为参考，但不是不变的，随着余热回收技术水平的不断提高，对余热资源的回收温度将越来越接近其最低值——环境温度。

同时，表1中的余热资源下限温度并不适应所有的企业，例如表中将固态产品、中间产品的余热资源下限温度定为500℃，很明显这个下限温度对于钢铁企业是不合理的。

因为连铸坯在此温度下热装，还是有相当的节能效益。

表1 余热资源下限温度（GB1028--99）
余热资源种类
余热资源下限温度℃
固态产品，中间产品，排渣等
500固态载体余热资源固态可燃性废料等—液态产品，中间产品，冷却水等
80冷凝水环境温度液体载体余热资源
可燃性废液—烟气
200~250蒸汽100气体载体余热资源
可燃性废气
>166kJ/m 3
对余热资源的评价方式与其可利用的方式有关。

余热利用可以分为三种基本形式：余热的焓利用、火用利用和全利用。

余热的焓利用是指仅与余热回收量的大小有关，而与其温度水平无关的热利用，通常根据热力学第一定律确定其利用效果。

其利用效率计算公式为：1
232
12T T T T Q Q
−−=＝η式中：123T T T 、、---- 分别为环境温度（可以取零度）、余热利用前温度和余热利用后温度。

由此可见，节能效果仅与温差有关，即不论其温差之比为300／600或30／60，其节能利用效率相同。

但是，由600℃到300℃不论是排出的废热或回收的热量要比从60℃到30℃的，其热量的品质是完全不同的。

余热的火用利用，则回收余热的可用能，使其转化为有用的动力，这是从最大可回收的可用能，即余热的质量进行评价。

余热发电就是余热火用利用的典型形式。

余热的全利用是上述两种余热利用形式相结合，既利用余热的焓，又利用余热的火用；背压式汽轮发电机组的运行模式是余热全利用很好的实例。

图1、图2分别是凝汽式汽轮发电机组和背压式汽轮发电机组的示意图。

前者主要用于提高电能的回收量，着重于火用利用的形式；而后者既用于发电，又提供生产工艺中需用的蒸汽，属于全利用形式。

图3是余热的焓利用、火用利用和全利用三种方式的比较示意图；可以发现，在余热的温度较低时，计算出的火用 数值较小，即余热的可用能比较小，做功的本领也小，一般只宜采用焓利用的形式；而在余热的温度较高时，可采用火用利用或全利用的形式；
图1 凝汽式汽轮发电机示意图 图2
背压式汽轮发电机示意图
图3 余热利用方式的比较
3 钢铁企业各工序余热资源量和质的计算
如今能源短缺、能源费用在钢铁企业生产成本中的比例越来越高，所以应将企业生产中的产生的余热资源看作重要的二次能源，余热的回收和利用显得尤其重要。

余热在不同的工序有着不同的种类和形态。

余热的温度水平及数量既影响着余热的量也影响着余热的质，所以在以下各工序的余热资源计算和研究中，不仅要分析它的数量，还要分析它的质量，这样才能做到合理、全面，也为余热资源的有效利用打下了基础。

在钢铁生产中产生的大量余热余能，其中的绝大部分是以热的形式存在；以余压形式存在的有高炉炉顶煤气和部分带压力的冷却水，由于部分冷却水的余压相当小，所以在此分析中不于考虑。

为了定量地对钢铁生产中产生的大量余热余能进行分析和研究，在此建立一个模拟厂。

模拟厂的工艺流程与现有的钢铁企业一致，其钢铁产量相当于我国大、中型的钢铁企业。

模拟厂由炼焦、烧结、石灰、炼铁、炼钢和热轧生产组成，由于冷轧产生的余热量很少，所
以这里没有考虑冷轧生产。

模拟工厂的高炉全部用烧结矿，烧结矿的含铁量60%，烧结矿产量1065.8万t/年。

高炉焦比400kg/t 铁水；喷油25kg/t 铁水，炼钢过程的废钢比约25%，采用全连铸。

钢坯产品800万t/年。

模拟工厂的石灰，冶金焦等各前道工序的产品全部用于后道工序（既不外卖，也不外购），在计算过程中，各工序产生的余热、余能都折算成每吨钢（坯）的余热余能产生量。

计算中的一些温度等参数，参考了上海几个大型钢铁企业的常年生产平均数据，其中一些数据来源于现场实测。

下面是对模拟工厂炼焦、烧结、石灰、炼铁、炼钢和热轧各主要工序的余热余能资源热量和质量（火用）进行计算的结果。

4 钢铁企业余热资源的分析
从以上表中的计算的数据可以看出，冶金企业的余热资源量主要集中在炼焦、烧结和炼铁这三大工序。

余热的资源量分别占全企业的23.34%、13.79%和41.09%。

这个工序的余热资源合计78.17%。

炼钢与热轧分别占了10.42%和10.72%。

余热中的潜热即焦、高、转炉副产煤气的化学热
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259.079占53.52%。

压力能：29.78占6.15%。

表2 各主要工序的余热余能资源热量和质量（火用）
温度（℃）热量（kg标煤/t钢）火用（kg标煤/t钢）
焦炭显热105018.564610.6036
炼焦烟气显热1300 2.92 1.796
焦炉煤气潜热85.309
焦炉煤气显热745 6.1886 3.0737
烧结矿显热79023.912.18
烧结烟气显热32042.613.26
石灰显热1500.330.05
石灰烟气显热200 3.020.6656
高炉煤气潜热144.27
高炉顶余压（P=0.24MPa）29.78
高炉铁渣显热145012.33268.0149
热风炉烟气显热29012.49 4.3239
转炉煤气潜热29.5
转炉煤气显热1200 6.5033 3.8
钢包烘烤烟气显热95010.33 5.6
钢渣显热1200 4.1 2.237
连铸坯显热86015.0287.937
加热炉烟气显热79019.72510.0526
冷却水显热489.456
热轧产品显热5007.7 3.715
注：以上焦炉、转炉和高炉煤气的低位热值分别设定为：
4000×4.18 kJ/m3、2000×4.18 kJ/m3和800×4.18kJ/m3.
现在各企业对这些冶金副产煤气的回收利用的潜力（空间）还是相当大的。

高炉煤气的炉顶余压发电，现在也有较成熟的TRT装置。

据计算，TRT装置回收的这部分电能，相当于高炉自身鼓风用电的30%。

如果潜能余压不计（都算余热显热资源）则总量为195.186。

以工序计，炼焦、烧结和炼铁三大工序分别占14.18%，34.07%和12.72%。

炼钢和热轧分别占10.72%、26.6%。

以余热形态计，气体余热占53.17%，固体余热占34.63%，铁、钢渣余热占7.36%，液体余热占4.84%。

从计算中可以看出，温度高的余热，火用值也相当高；如温度低的余热介质其火用值也低，如石灰、石灰烟气热等。

对于占53.17%的气体余热，气体余热的总量中，炼焦工序占8.78%、烧结工序占41.05%、石灰工序占 2.91%、炼铁工序占12.04%、炼钢工序占16.22%、热轧工序占19.01%。

对于气体余热，现在有成熟的回收技术。

关注点应在温度很高的炉气温度。

如：转炉气显热，
企业节能减排与资源综合利用
钢包烘烤和加热炉烟气显热数量大、能质高是回收的重点。

对于固体的余热，主要集中在赤焦、烧结矿、连铸坯上，其分别占固体总余热的22.65%、29.16 %、18.34%；热轧后的产品余热占9.4%，铁渣、钢渣占20.05%。

赤焦的干熄焦余热回收技术，烧结矿的环冷与热利用，连铸坯的热装、热送，也都是成熟的技术，不少使用的企业，获得了相当大的节能效益。

热轧后产品的余热，回收比较困难而且量也不大。

铁渣、钢渣的余热量大，火用值也高，但现时对这部分余热的回收有一定的技术难度，由于铁渣、钢渣的后续使用都需要用水急冷加以粉化（水淬）所以这部分热回收一般暂不考虑。

在冶金企业中，用作冷却水的液体余热，有时数量虽大但温度往往很低，火用值更小。

所以这部分热回收因为经济性差也不考虑。

5 钢铁企业余热资源的利用方式
由于钢铁企业以消耗热能为主，所以，余能中绝大部分是以热能的形式存在。

回收利用余热可以节约能源，但在确定余热利用的方案时，要综合考虑余热的温度、数量和使用特点。

对于余热的回收，首先要分析产生余热的用能设备本体的热量利用情况，在现有的技术条件下其热效率是否还有提高的潜力。

由于在热能的回收、转换过程中必然产生能量的损失或贬值，所以要优先考虑如何提高用能设备本体的热效率，它可以直接节约该用能设备能源的消耗，减少余热的排出。

其次应考虑余热能否返回到该用能设备本身，如用于预热助燃空气或燃料，预热入炉的物料（进入电炉的废钢）等，这类利用方式也可以起到直接减少该用能设备的能源消耗，获得比较理想的节能效果。

它比将余热用于其它用途(如产生蒸汽用于生活)时，节能效果要大。

其三，才是考虑余热的其它用途。

所以具体确定余热的其它利用方案的原则是，根据余热资源的数量、品质和现有的技术条件，综合考虑回收成本等技术经济指标，尽量做到能级的匹配使用，选择适宜的回收系统和设备，使回收的余热发挥最大的效果。

在比较不同的余热利用方案时，考虑的基本原则是：1)利用效率尽可能高；2)利用成本尽可能低，或投资回收期尽可能短；3)适应负荷变化的能力强。

6结论
通过对模拟工厂余热资源量的计算可知：
（1）冶金企业余热余能资源点大多数数量大、能质高，如平均按80%的数量加以回收，则相当于吨钢能耗下降363.4kg标煤。

（2）余热中的潜热即焦、高、转炉副产煤气的化学热占53.52%，压力能占 6.15%，由于焦、高回收技术完全成熟，应该减少放散，充分利用；转炉煤气应提高回收率；大型高炉都要完善TRT 余压发电。

（3）显热余热中各类气体余热占了53.17%，对于各类固体余热，占显热余热的43.99%（其中铁渣、钢渣余热占7.36%）。

对于气体余热的回收技术完全成熟，应该充分的加以回收利用。

固体余热的应着重于赤焦、烧结矿、连铸坯显热的回收，一是量大，分别占显热余热的22.65%、29.16 %、18.34%，二是赤焦的干熄焦余热回收技术，烧结矿的环冷余热利用，也都是比较成熟的技术，应该考虑应用；连铸坯的热装、热送，则应该通过完善生产管理和优化调度，尽量做到热送、热轧。

参考文献
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