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【技术】钢铁工业放散蒸汽冷凝回用技术

世界金属导报 2021-09-13 11:54:33

1放散蒸汽冷凝回用

每1千克水蒸发为水蒸气要消耗0.32千克标煤的热量,在钢铁生产过程中,平均吨钢综合能耗为560千克标煤,除了回收的余能外,相当部分低温余热以热量和水分的形式进入大气,增加了大气的温湿度,主要放散水蒸气的工序包括:烧结湿法脱硫排烟、高炉水冲渣、连铸二冷蒸汽、转炉闷渣、转炉除尘、湿熄焦、循环水冷却塔等。研究结果表明,吨钢新水消耗中随排烟蒸发散失的水分约为新水消耗量的40%(约为1.5吨/吨)。

此外,电厂、热力和热水锅炉、天然气燃烧、有色金属等行业也都在向大气大量排放水蒸气,按照1吨煤放散1吨水蒸气估算,每年放散蒸汽合计达几十亿吨。放散水蒸气量增加,不仅是潜在的非常规水源,还因为不同程度残留PM2.5细颗粒物、二氧化硫、氮气化物、有机物等,是导致我国大气雾霾污染的主要成因。这也能解释为什么近15年来我国大气污染控制的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、有机污染物等指标都在逐年显著降低而雾霾污染却在增加。放散蒸汽冷凝回用,不仅是节水的主要技术途径,更是环保达标、减少大气雾霾污染的重要途径,高效、低成本回收利用低温余热,还可以使钢企沉重的环保负担转变为盈利的非钢产业,其利润甚至能超过钢铁主业。

1.1烧结湿法脱硫排烟除湿

烧结生产主要由配料混料、烧结、筛分冷却三个工序组成,烧结机头烟气量大、污染物种类多,需要去除颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二恶英、酸雾、重金属等多种污染物,是钢铁工业大气污染治理的主要环节。环保新标准对这些污染成分的排放浓度都制定了严格的控制标准,但却没有排烟温湿度的控制指标。

烧结机头排烟带出的水分主要有两部分:一是混料喷水,全部以过热蒸汽形式进入烧结大烟道,二是湿法脱硫系统的补充水,主要以饱和蒸汽形式随放散烟气一同排入大气。我国现有1200多台烧结机,除尘多采用干式静电除尘,脱硫多采用湿法。采用活性焦脱硫虽然不增加脱硫补充水,但是投资多,特别是原有湿法改造投资更多。副产硫酸能内部使用或邻近化工企业能利用还可以,作为商品外销比较难。而对于烧结混料带入的水分,该工艺也无法回收利用。从我国国情、厂情考虑,烧结湿法改造更经济可行。

我国电力行业早期引进的锅炉湿法脱硫技术配有烟气再热GGH(Gas-Gas-Heater)系统,脱硫净湿烟气温度从约50℃加至约80℃以上排放干烟气。由于GGH存在问题多,升级改为热媒烟气再热系统MGGH(Media Gas-Gas-Heater),解决了部分问题但不彻底。我国电厂在湿法脱硫快速发展过程中采用了防腐烟囱湿排烟,实际排放的饱和湿烟气温度在50-60℃,要求夹带机械水滴小于75mg/Nm3。钢铁工业的烧结烟气湿法脱硫沿用了电厂锅炉烟气湿法脱硫的湿烟气排放技术。

近年来,对于湿法烧结烟气除湿,国内有些钢厂还是借鉴电厂脱硫的经验,在脱硫除雾器后增加湿式静电除尘器WESP,实现所谓的超低近零排放,效果是很满意的。存在的问题是WESP因为防腐而造价过高,1台WESP的造价超过4电场的干式静电除尘器;另外,运行时间长了,设备内部结垢清洗不干净,是否能长期稳定运行还需要观察。更主要的是,WESP只能去除超细的水滴,是低阻损的顶级除雾器,但不能除饱和水蒸气。

烧结湿法脱硫排烟除湿技术研发的重点应该是研发混合除湿技术,比如将排烟温度从目前的平均55℃降低到25℃,将湿烟气的饱和湿度从148g/Nm3降低到26g/Nm3,就可以回收排烟中80%的水分,折合吨钢节水约0.5吨,也就是把脱硫的补充水全部回收外,还可以把混料带入的水分部分回收。目前,正在论证落实该技术方案,将尽快组织工业试验。

1.2高炉水冲渣放散蒸汽回收

我国高炉的高温熔渣绝大多数采取水冲渣处理工艺,高炉冶炼所产的液态炉渣温度约为1400-1500℃,定时从渣口放出,通过渣沟流出,与冲渣水混合后,温度迅速降低到100℃以下。高温渣热量的30%被冲渣水吸收,使冲渣水温度从约70℃升至约90℃,热量的70%被冲渣水吸收蒸发为水蒸气,随蒸汽放散。处理每吨渣要消耗1立方米水,80%都是作为蒸汽放散的,高炉渣的显热高达60kgce/t,采用水冲渣工艺,不仅余热没有回收,还要消耗大量的补充水。冲渣产生的水蒸气也是产生雾霾的主要来源之一。

为了解决这些问题,国内某研究院计划通过合作研发风淬处理工艺,预期可以回收余热、节水,技术开发能否成功的关键是高炉渣能否得到利用和风淬粒化设备的可靠性。

从我国钢铁工业的实际出发,高炉水冲渣的蒸汽余热回收和节水技术开发应该分两步:首先是在现有水冲渣工艺的前提下,与冲渣水余热回收系统相结合,进行放散蒸汽冷凝回收技术的研发,回收的余热应先考虑钢企内部利用,比如用于冷轧系统替换蒸汽或统一用于采暖或供热水。国内某企业高炉冲渣水余热回收已经实现了1900万平米的供暖,停开几百台供热锅炉,取得了节煤、减少二氧化硫和氮氧化物排放量的效果,每平米一个采暖季的成本不到3元,企业和当地城市获得了显著的经济效益和社会效益。

从长远考虑,十分有必要研发既可回收高温渣余热、不消耗水,又不影响高炉渣作为建材利用的技术。转炉、电炉、铁合金等行业对渣处理工艺都有同样需求。

1.3连铸二冷蒸汽回收

连铸生产过程中,向高温连铸坯表面喷水冷却,喷水吸热后部分蒸发为水蒸气,被二冷排烟风机抽出去,通过烟囱放散。目前,还没有了解到回收连铸二冷蒸汽或二冷水余热的业绩。事实上,其节能的经济效益可以与高炉水冲渣相比较,并且连铸二冷蒸汽还比较干净、腐蚀性小、容易回收。连铸二冷放散的饱和湿烟气温度约为70℃,湿度约为359g/Nm3,回收余热和节水的潜力大。

1.4转炉一次除尘排烟除湿

转炉一次除尘有干法、湿法、半干法,目前干法排放干烟气,湿法、半干法都排放湿烟气,但无论哪种方法排放烟气湿度都在200-300g/Nm3,特别是湿法和半干法排放湿烟气,不利于放散煤气中CO的燃烧,CO是环保部门严禁排放的。国家要求转炉一次除尘工艺采用干法、新OG湿法改造,干法、新OG湿法、半干法都需要进行排烟除湿的技术改进,也就是都要排放干烟气,并且烟气湿度要降低到大气平均水平。

1.5湿熄焦排烟除湿

我国焦化厂有钢铁联合企业配套的,也有独立焦化厂。焦炭出炉到焦车上温度超过1400℃,需要熄火冷却到100℃以下。目前,我国钢铁工业大力推广干熄焦工艺,熄焦不用水、回收余热产生蒸汽用于发电和其他用途,焦炭强度提高。由于改造投资大、余热发电回收投资时间长,还有相当部分的焦炉沿用湿熄焦。保留利用湿熄焦的另一个重要原因是用于处理和消纳焦化废水,按照我国现行的焦化行业准入条件,焦化废水必须处理合格后回用,不得外排,湿熄焦把外排废水变成了外排蒸汽。

湿熄焦排放蒸汽量为0.5吨/吨焦,产生的蒸汽中还夹带着焦粉、焦化废水中残余的污染成分,湿熄焦已被列为淘汰的工艺技术。在淘汰前的过渡期,有必要进行回收蒸汽的技术改造,保留利用焦化废水的功能,但将放散的蒸汽冷凝回收,冷凝水经过适当处理可以作为补充新水,至少可以用于冷却和除尘。在回收冷凝水的过程中,回收蒸汽余热用于外供热,由于投资少、改造简单容易,特别是有回收余热的经济效益,可以采用合同能源管理模式解决企业的投资紧张问题。

1.6循环水冷却塔

如上所述,钢铁生产过程中以煤、电为主的综合能耗接近600kgce/t,相当大部分都直接或间接放散到大气中,而且主要是通过循环冷却水升温、降温散发到大气中。目前,循环水冷却设备多是开式冷却塔,通过环境干空气与循环冷却回水的热交换,降低循环水的温度到35℃以下,而干空气吸热吸湿后排入大气。估算循环水每降低5.5℃就会有1.2%的水分蒸发,带走2.3kJ/kg的热量。开式循环水冷却塔除了浪费能源和水以外,还有一个大问题,就是供水温度受当地大气温湿度的限制,难以进一步降低,甚至在热湿地区的夏季,供水温度还达不到要求,出水温度高达40-50℃。

从节水和节能角度出发,现有的开式循环水冷却塔应该改进或淘汰。结合实际,应分步进行:首先,可以采取放散蒸汽冷凝回收节水,其次保留现有的工艺和设备运行,增加其他并联冷却系统比如高温热泵,回收部分烟气的余热,解决夏季供水温度偏高问题,供水温度不受大气温度的限制。从长远看,首先还是要在尽可能的高温位回收余热,实现余热的回收利用,通过釜底抽薪减少循环水的冷却负荷,同时开发新的循环水冷却系统,充分利用地热、环境江河海水、冷空气等自然冷源,结合采用低投入、低成本的制冷技术比如蒸汽喷射式热泵,用少量低压饱和蒸汽制出大量的7℃空调冷水用于循环水冷却,可以将循环水供水温度降低到25℃以下,不仅节水,还能回收大量低温余热,替换洗浴和生活热水消耗的燃煤、天然气、电等能源,具有显著的经济效益和社会效益。

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