钢铁企业余热回收利用系统能级分析方法的探讨

钢铁企业余热回收利用系统能级分析方法的探讨

现代钢铁公司是一个复杂的钢铁公司过程和深加工系统。在钢铁生产过程中,含铁等原料经过多道生产工序将铁矿石转变为钢铁产品,而含碳等能源大部分经过加工、转换、改质等若干环节,从一次能源转换为能源产品供生产工艺使用,伴随着铁素资源形成产品。另一部分并未伴随铁素资源,而是在此过程中形成了二次能源——副产煤气和各种余热资源等,其中余热资源主要包括各种烟气显热、产品(焦炭、烧结矿等)显热、炉渣(高炉渣、转炉渣等)显热以及冷却水的显热等,其中有的已被回收利用(比如焦炭和烧结矿显热等),而有的则尚未被回收利用(比如炉渣和冷却水显热等)。随着对钢铁制造流程能源转换功能的日益认可和重视,“十一五”期间,钢铁企业对回收余热资源的热情也出现前所未有的高涨,推广应用了诸如CDQ、烧结余热发电、转炉蒸汽回收等节能技术。虽然解决了节能技术的“有”与“无”的问题,但是余热资源的利用效果相差较大,以CDQ发电为例,有的企业吨焦发电量可达120kW·h/t,而有的企业则仅为80kW·h/t,甚至更低。这主要归结于对钢铁企业余热资源回收与利用方式合理性等相关研究不够深入。因此,本文将采用能级分析方法对不同级别余热资源利用方式的合理性进行探讨,为钢铁企业的余热资源利用采用何种方式提供参考。1能量的“品质”1.1热平衡分析方法热平衡分析方法以热力学第一定律(即能量守恒和转换定律)为基础,强调在能量传递和转换过程中,能量的“量”保持守恒,只从数量关系考察能量系统向外界排放所引起的外部能量损失,未考虑能量系统内部因各种不可逆因素导致的能量“品质”下降,即所谓的内部能量损失,由此给出热效率评价指标。根据这个指标只能判断有多少能量得到了利用,而不能判断能量的“品质”是否满足用户的需求(多数情况下能量的“品质”高于用户的需求,导致能量的浪费)。1.3能级分析方法就热力学理论和工程应用而言,以热力学第一定律和第二定律为基础的平衡分析方法显然优于单纯以热力学第一定律为基础的热平衡分析方法。但是平衡分析方法仅从用能过程对能量系统进行分析、评价,虽然它解决了能量分析结论的准确性和可靠性,却未能解决在能量系统中供能与用能双方是否合理匹配的问题,即供能与用能双方在能量“品质”上是否匹配合理。为了评价能量品质的高低,有的学者提出了能级的概念。所谓能级是指能量Q中有效能(Ex)所占的比例,用λ表示,则有:对于一个能量系统而言,进入系统的能量E1和离开系统的能量E2的能级分别为λ1和λ2。显然,当λ1=λ2时,即能级差Δλ=0时,进、出系统的能级平衡。当λ1≠λ2时,能级就不平衡,此时进、出系统的能量的能级差|Δλ|>0。|Δλ|越大,说明供能与用能越不匹配,能量利用越不合理。有了能级和能级差的概念就可以依据能量平衡与平衡原理,以能级匹配和减少能量损失为指导思想,以供能与用能的能级差、热效率等作为能量利用合理性的质量和数量水平的两个定量指标,这就是能级分析方法。2关于高校剩余资源回收方法的合理性2.1余热资源回收利用方式及影响因素分析随着钢铁企业对节能工作的日益重视,对于当前技术条件下可回收的余热资源,基本上都进行了回收利用。现有的回收利用方式可归纳为3种:热利用、动力利用、热-动力联合利用,见图1。余热资源本身的特点决定了余热回收时应注重实效性和匹配原则。时效性是指余热资源必须及时加以利用,因为钢铁生产过程是一个能量在时间和空间上的耗散过程,利用不及时会造成能量耗散贬值。匹配的原则是指余热与用户不仅数量匹配,而且质量匹配,即在提高余热回收利用效率的同时,应该注意减少用户与余热资源的能级差。能量利用的合理性涉及包括系统(设备)、能源、用户和环境4个子系统的用能过程,是如何对这个大系统的用能过程作出合理安排的问题。不同余热资源的回收利用方式及影响余热回收利用水平的影响因素可在图2所示的余热回收利用系统中体现。由图2可见,当没有汽轮机T时,能量流沿着a-c-d-e-a的路径流动,属于热利用;当没有抽汽供热时,能量流沿着a-b-c-e-a的路径流动,属于动力利用;当无凝汽器C时,能量流沿着a-b-c-d-e-a的路径流动,属于热-动力联合利用。图2中,Q1、E1、T1分别为输入给系统的余热资源的热量、量及其平均温度,Q2、E2、T2分别为输送给热用户的热量、量及其平均温度,W为系统输出的机械功,T0为环境温度。输入系统的余热资源的能级为:用户的能级,即回收利用能量的能级为:系统输入-输出的能级差为:由此可见,系统的能级差Δλ表明余热利用系统损失的大小,也反映了系统输出的多少。Δλ较小的方案不但在“按质用能”方面较为优越(因为损失较小),而且在余热量方面也比较充分(W+E2较大)。所以,Δλ可以用来比较余热资源相同时,各种余热回收利用方案的优劣,即可以作为衡量余热资源合理利用程度的定量指标。由图1可知,余热资源的回收利用方式主要有3种,即热利用、动力利用和热-动力联合利用。为了分析回收的余热资源中动力利用和热利用的比例关系,引入“动力利用的分配比”(R)这一概念,即:余热资源、余热资源热利用的计算公式分别为:而余热资源以动力利用方式回收时,其能量属于“高级能”,其数量与质量是统一的,即其量也为W。因此,由式(2)~(7)可以得出余热回收系统输入-输出的能级差的绝对值,即:由此可见,余热回收系统输入-输出的能级差是T1、T2和R的函数。当R=0时,即为纯热利用方案,此时,说明余热资源利用方案的优劣只与系统输入-输出的能量流的温度有关。“温度对口”是余热资源实施热利用时应遵循的基本原则。当R→∞时,即为纯动力利用方案,此时,说明余热资源动力利用方案的好坏只与输入给系统的能量流的温度(即余热源的温度)有关。余热源的温度越高,实施动力利用越合理。当0<R<∞时,则为热-动力联合利用。2.2热-动力联合利用当钢铁生产工艺不变时,其过程中余热源的温度可以认为是恒定的,此时余热资源的合理利用程度将主要由R来决定。下面根据系统输入-输出的能级差与R的关系曲线讨论余热资源回收利用方式的合理性。1)T1>2T2。此时,由式(8)可得到图3(a)所示曲线。由图3(a)可见,T1>2T2时,余热资源的回收利用方式对能级差|Δλ|的影响可以分为以下3种情况:(1)当时,|Δλ|<|Δλ∞|<|Δλ0|。此时,热-动力联合利用优于纯动力利用,而纯热利用最不合理。(2)当时,|Δλ|=|Δλ∞|<|Δλ0|。此时,热-动力联合利用和纯动力利用的合理性相同,并均优于纯热利用。(3)当时,|Δλ∞|<|Δλ|<|Δλ0|。此时,应优先采用纯动力利用,其次是热-动力联合利用,最不合理的是纯热利用。由此可见,当余热资源的能级相对于热用户的能级较高时,余热利用方案中,动力利用要占一定比例,即纯热利用(R=0)是不合理的。2)T1=2T2。此时,由式(8)可得到图3(b)所示曲线。由图3(b)可见,在这种情况下,总有|Δλ|<|Δλ∞|,|Δλ0|=|Δλ∞|。因此,此时热-动力联合利用最为合理,纯热利用和纯动力利用的合理性相同。3)T2<T1<2T2。此时,由式(8)可得到图3(c)所示曲线。由图3(c)可见,T2<T1<2T2时,余热资源的回收利用方式对能级差|Δλ|的影响可以分为以下2种情况:由此可见,当余热资源的能级不高时,余热利用方案中热利用要占一定比例,即纯动力利用(R→∞)是不合理的。对于余热回收利用系统,总有T1>T2,上述1)、2)、3)概括了所有的情况。为了直观地分析变化时余热利用方式对能级差的影响,特对进行赋值。根据上述分析结果,分别取1.5、2.0和2.5,此时可以得到图4。由图4可见,当发生变化时,随着余热源温度的增加,纯动力利用或以动力利用为主的联合利用(靠近图4的右侧)的能级差逐渐变小,即余热回收利用的合理程度逐渐提高。相反,随着余热源温度的增加,纯热利用或以热利用为主的联合利用(靠近图4的左侧)的能级差逐渐增大,也就是说余热回收利用的合理程度逐渐下降。通过以上分析可以得出以下结果:(1)在大多数情况下,余热资源的热-动力联合利用是最合理的。只有当T1>2T2,且时,纯动力利用优于热-动力联合利用。当T2<T1<2T2,且时,纯热利用优于热-动力联合利用。前一种情况说明,当余热资源的能级相对于热用户的能级较高时,动力利用要占一定比例(即R要大);后一种情况说明,当余热资源的能级相对较低时,热利用要占一定比例(即R要小)。(2)纯动力利用方案和纯热利用方案是否合理与余热源温度有关。由图3~图4可见,T1=2T2可作为纯热利用与纯动力利用的分界点。当T1>2T2时,纯动力利用优于纯热利用;当T1<2T2时,纯热利用优于纯动力利用。钢厂的余热资源可以认为属于恒温热源。由恒温热源的能级计算公式可得:另外,由于钢铁厂的热用户温度T2与环境温度T0存在T2≥T0的关系。故。由此可以得知,当余热资源的能级小于0.5时,余热回收系统已不适合采用纯动力利用,此时采用纯热利用比纯动力利用合理。2.3蒸发烟气显热转炉冶炼时的烟气温度为1400~1600℃,目前多数企业采用汽化冷却回收了这部分热量。回收供用户使用的蒸汽参数波动范围在0.4~2.0MPa。另外,由于转炉冶炼有固定的间歇,多数企业配备了蓄热器以保证蒸汽的稳定供应。目前转炉蒸汽的利用方式主要有3种:一是将蒸汽供公司管网;二是用于饱和蒸汽发电;三是用于RH精炼。可以看出,后2种属于动力利用,第1种属于热利用。下面将从能级分析的角度对转炉蒸汽利用方式的合理性进行讨论。某企业有3座120t转炉,年产420万t钢水。2套130tRH真空精炼炉,年处理钢水145万t。转炉烟气温度1723K(T1);环境温度设为150℃;转炉蒸汽参数为1.2MPa,205℃;管网蒸汽参数为1.0MPa,468K(T2)。一座转炉冶炼周期为35min,吹氧16min内产气量按18t计,其他19min不产汽,直至进入第2个冶炼周期的吹氧过程,则蒸汽的平均流量为1.13t/min(67.5t/h),其中2套RH的平均耗汽量为50t/h,其余蒸汽并入公司蒸汽管网。由以上参数可以得出:|Δλ|=0.32,|Δλ∞|=0.24,|Δλ0|=0.67。另外,此时,并且T1>2T2,由以上分析可知,对于转炉烟气显热,纯动力利用最合理,其能级差为0.24;纯热利用最不合理,其能级差为0.67。因此,仅从能级的角度分析,该企业的转炉回收蒸汽部分送至管网的利用方式不合理。最合理的利用方式应是将转炉蒸汽全部动力利用(RH抽真空和饱和蒸汽发电,并采用纯凝式发电机组)。考虑到转炉冶炼属于间歇操作,转炉烟气间歇产生,如果1座转炉对应1套RH或1套发电机组,虽然蒸汽的数量可以满足需要,但是不能保证RH和发电机组对蒸汽持续供应的要求,同时发电机组的容量也受单座转炉蒸汽量的限制。因此,多座转炉回收的蒸汽集中用于RH或发电机组,既可以保证用户对蒸汽稳定性的供应要求,又可以建设较大的发电机组取得更高的发电效率。3平衡分析方法t-转炉余热资源回收利用中热-动力联合利用,在一定状态1)能量具有两个方面的性质,即数量和质量。以往对能量的数量关注较多,而对能量的质量,即对的关注较少。全面科学用能的观点是:既要用,也要用,不仅使供给的能量尽可能完全地得到利用,而且其品质也要符合用户需求,即能量流的输入端与输出端的能级相匹配。2)热平衡和平衡分析法均存在片面性,不能全面说明能量利用的合理性。而能级分析法则可以从能量供-需双方的匹配方面分析能量系统能量利用的合理性。3)分析了不同温度余热资源(T1)和不同温度热用户(T2)之间的关系。利用能级分析的方法阐述了T1>2T2、T1=2T2和T2<T1<2T2这3种情况下不同余热资源回收利用的合理性,并以某企业转炉烟气显热回收利用为例,确认转炉回收蒸汽的利用方式以纯动力利用最为合理,其次为热-动力联合利用,最不合理的是纯热利用。1.2平衡分析方法由于能量不仅有“数量”问题,而且还有“品质”问题,这是热力学第一定律没有涉及的。而热力学第二定律则从能量“质”的属性出发阐述能量转换的客观规律。平衡分析法就是以热力学第二定律为基础的,只考虑能量的