鋼鐵行業(yè)是典型的高污染、高能耗和高排放行業(yè), 其能源消耗總量約占全國(guó)總能耗的15%, 且鋼鐵企業(yè)的能源成本占其自身總成本的20%~40%, 鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排迫在眉睫。同時(shí), 我國(guó)鋼鐵能源利用效率不高, 噸鋼可比能耗較高, 與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距, 節(jié)能潛力較大[1,2,3]。
目前鋼鐵行業(yè)余熱余能回收利用水平有待提高。鋼鐵工業(yè)余能是指鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中某一工藝系統(tǒng)排出的未被利用的能量。按其回收利用的應(yīng)用普及程度和成熟性, 可分為3類(lèi):
(1) 第一類(lèi)是品質(zhì)較高且穩(wěn)定、回收利用可行性高的余熱余壓資源, 如高溫高壓蒸汽、各種副產(chǎn)煤氣等, 目前已得到較為充分地回收利用。
(2) 第二類(lèi)是品質(zhì)略低但具有回收利用可行性的余熱余壓資源, 如加熱爐汽化冷卻余熱余壓、燒結(jié)大煙道及環(huán)冷機(jī)余熱等。到目前為止, 并沒(méi)有得到完全地利用, 有相當(dāng)大的一部分余熱余能資源被直接排放而浪費(fèi)。這類(lèi)余熱余壓的有效回收利用是鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的重要途徑, 需要進(jìn)一步推廣普及。
(3) 第三類(lèi)是現(xiàn)階段仍處于研究階段、回收利用尚有一定障礙的余熱余壓資源, 需要進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā)力量, 實(shí)現(xiàn)回收利用的經(jīng)濟(jì)性和可行性。
1 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)
近30年來(lái), 國(guó)內(nèi)外研發(fā)了各種低品質(zhì)能源回收技術(shù), 并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中開(kāi)始應(yīng)用。如蒸汽螺桿膨脹機(jī)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[4]、有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī) (ORC) 能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[5]、無(wú)機(jī)工質(zhì)卡琳娜循環(huán)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[6]等, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)低參數(shù)、大容量、分散的各種能源進(jìn)行回收。特別是近幾年螺桿蒸汽膨脹機(jī)和ORC螺桿膨脹機(jī)逐步在回收低品質(zhì)的余能余壓等方面顯示出技術(shù)優(yōu)勢(shì), 主要用于回收地?zé)?、太?yáng)能及冶金、化工、建材等行業(yè)的低壓蒸汽余熱以及工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生>80℃的熱水及熱液的能量等。
1.1 國(guó)內(nèi)外該項(xiàng)技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)情況
上世紀(jì)70、80年代, 美國(guó)研制出地?zé)崴l(fā)電螺桿膨脹機(jī)[7], 隨后日本進(jìn)行了氟利昂氣液兩相螺桿膨脹機(jī)的試驗(yàn)及工業(yè)鍋爐飽和蒸汽螺桿膨脹機(jī)差壓發(fā)電研究[8]。近年來(lái), 其他國(guó)家都有這方面的研發(fā)進(jìn)展。
國(guó)內(nèi)天津大學(xué)最早開(kāi)始進(jìn)行螺桿膨脹機(jī)的研究, 又相繼完成了ORC螺桿膨脹機(jī)裝置結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置研究等項(xiàng)工作[9,10,11]。其他院校對(duì)該技術(shù)也有不同程度地研究。
我國(guó)一些壓縮機(jī)制造廠家, 如江西華電、浙江開(kāi)山集團(tuán)等研發(fā)制造出不同型號(hào)和容量的螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)、ORC螺桿膨脹機(jī)及成套的發(fā)電設(shè)備[12]。 1.2 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電設(shè)備
螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電是以蒸汽或有機(jī)工質(zhì)為熱載體實(shí)現(xiàn)朗肯熱力循環(huán), 將熱能做功推動(dòng)螺桿膨脹機(jī), 帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電, 其核心設(shè)備是螺桿膨脹機(jī)。它是一種根據(jù)容量變化工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機(jī)械, 由一對(duì)陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件及聯(lián)軸器等部件組成 (見(jiàn)圖1) 。螺桿膨脹機(jī)缸體呈兩圓相交的“∞”型, 兩軸按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn), 互相嚙合的螺旋陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。做功介質(zhì)先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽, 并推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng), 齒槽加長(zhǎng)容積擴(kuò)大, 介質(zhì)降壓降溫膨脹做功, 最后排出, 功率從主軸陽(yáng)螺桿輸出, 帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
1.3 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電系統(tǒng)
螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)低品位熱源是否直接驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹機(jī)做功, 分為常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)與有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。
常規(guī)循環(huán)系統(tǒng) (單循環(huán)系統(tǒng)) , 是將含熱流體直接引入螺桿膨脹機(jī)主機(jī), 使其在主機(jī)工作腔中進(jìn)行絕熱膨脹, 驅(qū)動(dòng)主機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功, 膨脹做功的同時(shí), 含熱流體的壓力和溫度降低, 實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。這種類(lèi)型系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單, 適用于高溫高壓流體的能量回收。但由于受膨脹能力限制, 只適用于熱源為低于300℃的0.15~3.0MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以上、高于170℃的熱水等。
有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng) (ORC型) , 是低壓液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵? 然后推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)做功, 產(chǎn)生能量輸出, 螺桿膨脹機(jī)出口的低壓蒸氣進(jìn)入冷凝器, 向低溫?zé)嵩捶艧岵⒗淠秊橐簯B(tài), 如此往復(fù)循環(huán)。圖2為有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)適用于小于0.1MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以下、高于85℃的熱水、煙氣的余能回收。
1.4 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)
盡管螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)及裝備是最近十年才開(kāi)始應(yīng)用到我國(guó)工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域, 但其已經(jīng)顯示出如下優(yōu)點(diǎn)。
(1) 螺桿膨脹機(jī)適用于過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體、熱水及無(wú)壓熱流體的動(dòng)力機(jī)械, 可以回收不同種類(lèi)的工業(yè)余熱。對(duì)余熱流體品質(zhì)要求不高, 應(yīng)用范圍廣。
(2) 變工況適用范圍大, 可在20%~120%之間, 且機(jī)組效率穩(wěn)定。
(3) 螺桿膨脹機(jī)組輸出功率可以在5~1000k W之間, 彌補(bǔ)了蒸汽輪機(jī)單機(jī)功率不能太小的不足。
(4) 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 作業(yè)率高, 檢修費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很低。
2 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)在天津鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用
螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)在電廠、石化等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用, 在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。鋼鐵行業(yè)是天津市第一大耗能行業(yè), 一直是節(jié)能工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為推動(dòng)該市鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗和能源的綜合利用, 市政府積極在鋼鐵企業(yè)中推廣蒸汽螺桿膨脹機(jī)和ORC螺桿膨脹機(jī)二級(jí)梯度發(fā)電技術(shù)。
天豐鋼鐵公司率先在鋼鐵企業(yè)采用浙江開(kāi)山的梯級(jí)發(fā)電余熱余能回收技術(shù)及設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在軋鋼加熱爐的余熱蒸汽和轉(zhuǎn)爐水冷低壓飽和蒸汽的回收發(fā)電上。
其軋鋼加熱爐蒸汽發(fā)電電站采用兩級(jí)梯度利用發(fā)電工藝:
第一級(jí), 將加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽 (壓力為0.5MPa, 溫度為160℃) 引至開(kāi)山蒸汽型螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組;發(fā)電后, 能源介質(zhì)為壓力為0.018MPa, 溫度為102℃的蒸汽。這一級(jí)是利用加熱爐蒸汽的壓力及部分熱能轉(zhuǎn)換做功發(fā)電。
第二級(jí), 將從第一級(jí)蒸汽螺桿膨脹機(jī)排出的蒸汽送進(jìn)ORC螺桿膨脹機(jī)發(fā)電;發(fā)電后, 加熱有機(jī)工質(zhì)的蒸氣變?yōu)?5℃的軟水, 回收再利用。第二級(jí)機(jī)組發(fā)電不但回收了一般熱功轉(zhuǎn)換裝置不能利用的蒸汽低溫余熱, 而且冷凝水可以循環(huán)利用, 大大地提高了能源的利用率, 余熱余能被徹底地回收利用。
該系統(tǒng)運(yùn)行一年來(lái), 總體上運(yùn)行平穩(wěn)、設(shè)備可靠, 其工質(zhì)泵、潤(rùn)滑油泵及ORC主機(jī)的可靠性保證了電站的作業(yè)率。系統(tǒng)的等熵效率、熱效率較高, 體現(xiàn)該工藝技術(shù)的優(yōu)越性。天津天豐鋼鐵公司余熱發(fā)電項(xiàng)目2016年4月份凈發(fā)電量55.9萬(wàn)k Wh, 日最大凈發(fā)電量2.3萬(wàn)k Wh。運(yùn)行以來(lái), 機(jī)組日平均凈發(fā)電2萬(wàn)k Wh, 按年運(yùn)行330天、電價(jià)0.73元測(cè)算, 年凈發(fā)電660萬(wàn)k Wh, 折合節(jié)能量2244tce、減排量5834t二氧化碳, 年節(jié)能效益481.8萬(wàn)元, 靜態(tài)投資回收期3年左右, 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
天津市還有幾家鋼鐵企業(yè)正在進(jìn)行螺桿膨脹機(jī)中低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目建設(shè), 總裝機(jī)容量6326k W (其中蒸汽螺桿膨脹機(jī)4537k W, ORC螺桿膨脹機(jī)1825k W) , 預(yù)計(jì)年可發(fā)電量4364.6k Wh, 減少CO2排放36994t, 年節(jié)能效益2793.33萬(wàn)元。
3 總結(jié)
鋼鐵企業(yè)應(yīng)用螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)能夠有效地解決高品質(zhì)能源發(fā)電后蒸汽放散及分散的熱源浪費(fèi)問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)能源充分利用。在鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能過(guò)剩和環(huán)境污染兩大考驗(yàn)之時(shí), 螺桿膨脹機(jī)余能回收發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用能從節(jié)能減排方面為企業(yè)增效和改善環(huán)境。
鋼鐵企業(yè)在利用低品質(zhì)余能時(shí)應(yīng)遵循以下原則:
(1) 優(yōu)先考慮余能直接利用的方式。鋼鐵企業(yè)要先對(duì)余能資源及用能情況進(jìn)行調(diào)研評(píng)估, 優(yōu)先考慮余能直接利用的方式, 遵循“溫度對(duì)口, 梯次利用”的原則, 在仍有余量的情況下采用螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)。
(2) 合理選擇余能回收發(fā)電裝備。鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)線所具備的低品質(zhì)余熱余壓資源不同, 螺桿膨脹機(jī)和ORC等發(fā)電技術(shù)具有不同的適應(yīng)工況, 鋼鐵企業(yè)應(yīng)在對(duì)其能源認(rèn)真調(diào)研、檢測(cè)、分析、分類(lèi)的基礎(chǔ)上選擇適用的對(duì)應(yīng)裝備以保障發(fā)電裝備的熱源供應(yīng)和高效運(yùn)行。
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