文 献 综 述

1背景

我国现如今已是世界钢铁生产大国,全国每年钢的产量已超过4亿吨接近5亿吨， 位居世界第一[1]。 钢铁工业的能源消耗在全国能源总消耗中占有非常大的比例，高炉炼铁的主要原料就是烧结矿，烧结过程中的能源消耗大约占钢铁企业总能耗的10%，仅次于炼铁；在可利用的余热中，仅环冷机废气和烧结烟气的显热大约占烧结全部热量支出的30%以上，充分回收和利用这些烧结余热，是烧结节能的有效途径及未来的发展趋势[2]。利用烧结余热发电的技术是一项将烧结废气的余热资源转变为电能的节能技术。该技术不会产生额外的废气、废渣、粉尘和其它有害气体，能够有效的提高烧结工序中的的能源利用效率，进一步降低生产成本、对实现节能降耗发挥积极作用。在这里，非常值得一提的是企业可以采BOT的合作方式，自己不用出资金，不用承担风险，不仅能实现余热资源的回收，而且还可以得到一个电站，一举多得[3]。

2 国外余热回收利用现状

2.1日本烧结余热回收发电

近年来，国内外针对烧结余热的回收利用进行了大量的实验研究，而且已经有多个烧结余热电站投入运行。日本因为资源缺少，所以节能就显得尤为重要，各公司烧结厂在余热利用方面走在了世界各国的前面[4]。20世纪80年代中期，日本烧结厂的余热回收技术就已经得到了广泛的应用， 其冷却机废气的余热利用的普及率也达到了57%，烧结机主烟道烟气的余热利用的普及率也达到了大约26%[5]。世界上最初利用冷却机废气来产生蒸汽用于发电的是日本钢管公司的扇岛厂和福山厂，它的余热回收方式是在环冷机高温段部分鼓入100℃的循环空气，这些空气经过冷机后的温度会达到350℃，再经过余热锅炉产生1.4 MPa的蒸汽用于发电[6]。

2.2美国有机工质发电技术

美国七十年代就开始研究低沸点工质余热回收发电系统, 目前,低沸点工质余热回收发电系统已经商品化,单机容量可以达到5万千瓦[7]。美国 Kinetics公司在1977年开始成批生产用氟里昂作传热介质回收85℃热水用来发电的装置，运行两年即可回收设备投资。该公司还设计制造了2000千瓦的发电装置[8]。

有机工质循环发电系统的效率较高,结构简单，不存在除氧、除盐、排污及疏放水等一系列的问题。凝结器里的压力一般会处于略高于环境大气压力的正压状态，不需要设置真空维持系统。透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小，易于小型化设计制造，具有管理维护费用低等优点[9]。

图1.有机工质发电工艺流程图

2.3德国一家叫做蒂森钢铁公司施韦尔根厂利用冷却机废气余热预热烧结点火助燃空气

具体做法是在烧结机的卸矿处和冷却机排气罩上设置三级循环冷却器, 出口与电除尘器相连接。除尘器的气流量可以达到85000立方米每小时,平均温度大约为200摄氏度, 粉尘浓度低于30mg每立方米[10]。该冷却机排出的废气通过风管进入烧结机点火器作助燃空气用[11]。

3 国内余热利用现状

3.1烧结余热利用技术

目前烧结废气余热回收系统大致有以下四种形式：（1）用余热锅炉产生蒸汽或者直接提供热水利用：（2）用冷却机的废气代替烧结机点火器的助燃空气或者用于预热空气：（3）将余热锅炉产生的蒸汽通过透平和其他装置转换为电力:（4）将排出的废气直接用于预热烧结的混和料[12]。

余热回收的装置基本上可以分为以下四大类：（1）冷却机余热回收系统:（2）冷却机和烧结机的余热回收系统:（3）冷却机和烧结机的气体循环余热回收系统:（4）新型机和冷式烧结机余热回收系统。

3.2冶金行业余热利用

目前，冶金企业常用的余热利用方式有以下几种:安装换热器、余热锅炉、炉底管汽化冷却、冷热电联产等，回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽[13]。国内冶金企业换热器的发展趋势是换热器的型式是由简单的低效型慢慢走向强化传热的高效型，热风温度一般在300℃以上(相比比过去提高80～100℃) ,出换热器的烟温由过去的400～500℃降低到250～400℃[14]。

3.3水泥窑余热发电

利用水泥窑窑尾的预热器排出的废气设置一台窑尾预热器余热锅炉，利用水泥窑窑头熟料冷却机排出的400℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉[15]，两台锅炉设置一台蒸汽轮机、发电系统的主蒸汽参数为0.69～1.27MPa#8212;280～340℃、余热发电能力为3140kJ/kg熟料#8212;28～32kWh/t熟料[16]。

4 现有余热回收技术

4.1烧结余热发电技术

余热锅炉中的热烟气与液态水进行热量交换，产生了中压蒸汽和低压蒸汽．中压蒸汽可以作为汽轮机的主汽转化为机械能，进而在发电机中产生电能，低压蒸汽部分用于汽轮机补充汽。图1为烧结余热发电的工艺流程。该技术已经非常成熟，而且应用领域非常广泛，而该技术的难点在于烧结机烟气含硫、含尘量较高，需要解决受热面腐蚀的问题和受热面的积灰问题，还要必须保证混合烟气的温度高于露点温度[17]。

图2.烧结余热发电系统工艺流程图

4.2烧结环冷机部分余热回收技术

当前我国所用的冷却烧结矿的设备主要有环冷机和带冷机两种，在运行的原理上两者差不多基本一致，存在的区别只是环形运行和直线运行。下面以安钢烧结环冷机为例生产工艺如图。烧结矿料从烧结机下到环冷机台车上时，烧结矿料的温度可达到500～800℃，经鼓风机逐渐冷却至120℃以下后，再经传送带送至高炉[18]。

图3.环冷机余热回收流程图

4.3冶金行业余热利用技术

钢铁企业的余热的回收利用要根据余热的参数和用户所提出的需求，制定更加详细和可行的方案，分清楚动力利用和直接热量利用，总体部署要按照强化主工序、按质回收、温度对口、梯级利用和系统优化提升的原则[19]。该技术在高温废气余热的利用情况比较好，而中低温废气余热的回收利用效率低[20]。此外，各个企业的废气余热回收利用水平各不相同，水平相差悬殊。废气余热回收利用设备比较陈旧，应用领域较窄。

4.4工业余热锅炉

杭州锅炉集团股份有限公司采用其烟气余热利用的方法及其装置的发明专利设计了双通道双压自然循环无补燃 型余热锅炉[21]。余热锅炉的布置形式塔式布置，全支撑管箱结构构造。自下而上，支承于钢架梁上，管箱整体向上均匀膨胀。它由入口转角烟道、锅炉本体受热面管箱、出口烟道、钢架、平台扶梯、中压锅筒、低压锅筒(带除氧器) 等组成余热锅炉。图中A、B分别为高、低温人口烟气，l、2分别为高温和低温入口烟道，3、4分别为受热面管子和集箱，5为出口烟道[22]。该技术的利用要进行相关的辅助计算，计算量比较大、技术相对复杂[23]。

图4工业余热锅炉布置图

4.5热管余热锅炉

热管余热锅炉的主要组成部件是汽包和热管管束。汽包需要大量的不同蒸汽参数，而蒸汽参数的选择必须严格按照标准，一般使用的是低压蒸汽，低压蒸汽可以直接用于生产工作当中[24]。 热管技术的安全可靠性高，导热性较强、等温性好、热流密度可变性、适应环境性强，使用寿命长，应用领域广泛[25]。

5 余热回收技术发展前景

5.1 空压机余热回收。

螺杆空压机余热利用装置与燃油锅炉相比较而言具有无一氧化碳、二氧化硫、黑烟和噪音以及污油对大气环境的污染[26]。如果安装投入使用，只要空压机在运行状态，企业职员就随时可以使用热水，不会存在定时定量供应的缺点，回收系统较大的企业还可以满足企业职员在冬季使用热水来活泼衣服、被褥等生活用品。为创建资源节约型和环境友好型企业奠定良好的基础[27]。

5.2 热泵余热回收技术

热泵的基本组成是由两个热交换器(蒸发器和冷凝器)和二台压缩机。热泵可用于回收低温余热。

5.3 基于有机介质的低温工业余热发电。

对于烧结余热利用这种品位相对较低的余热资源，系统可采用一种叫做 F-85 的有机介质循环发电系统或油一氟利昂循环发电系统[28]。由于F-85工质的沸点比水低,蒸发潜热小和比容比水小(水的1/5),所以发电效率高， 在相同工况下,发电效率比蒸汽轮机高出10%-15%,ORCS机组的大型化使其在烧结余热发电领域的应用成为可能[29]。

5.4 船舶余热回收利用技术

回收利用船舶尾气余热的最简单有效的方法就是在主机的排气管道上安装余热锅炉来产生蒸汽或者热水,供旅客和船员的日常生活使用,也可以用来加热重油(柴油 机燃料) ,或用来作为船舶动力。已有各种不同形式的烟管式余热锅炉安装在各种不同类型的船舶上来使用,但其也具有不可忽视的缺点,比如体积大,耗材多,压降较大,传热系数太小,启动速度慢,回收效率低等缺点[30]。

6 结论

目前，部分省份已经开始从技术及政策层面开展钢铁企业销毁社会废弃物的立法工作，在突破废弃物的高效回收利用和稳定性等瓶颈后，将会实现大规模的工业化生产。排烟的热量损失是导致锅炉生产效率低的最主要原因，通过利用热管技术回收和利用锅炉产生的烟气余热不但可以提高锅炉的使用效率，而且是我国经济可持续发展战略的重要保障。烧结余热回收属于中低温余热回收,在我国的起步较晚,传统的余热回收方式不仅浪费了资源,而且还会污染环境。所以研究与开发新型的余热回收利用方法是开展节能减排、增效降耗的有效措施,也是钢铁企业实现循环经济的必经之路。余热回收未来的发展前景可观，钢铁工业作为一个高耗能、高污染的产业, 在节能减排方面存在很大的潜力, 在我国能源问题日趋严峻的情况下, 在烧结系统中开展节能工作,增加余热回收的装置,对节能减排、提高企业的经济效益和社会效益具有深远的重要意义。

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