电炉热回收潜力及具体问题分析

实验研究平台创新与发展
电炉炼钢中所排废气造成的热损失份额与其他热损失相比最高，一般可达180-220kWh/t钢水，损失的这些热量可通过蒸发冷却系统转化成高压蒸汽予以回收利用。因为一般电炉都是间歇式操作及需为所产蒸汽的利用寻求出路（一般钢厂内部所需蒸汽量都低于其自身所产蒸汽量），所以主要问题是如何有效贮存蒸汽。iRecovery开发出一套蒸汽贮存方法解决了这一难题，使某钢厂电炉装建的这种热回收系统能连续为用户供汽。
1 前言
虽然已有许多可使电炉操作优化的理念及手段问世，但这些创新都具有三个相同的主要目的：
1）改善产品质量；
2）延长设备寿命；
3）降低所用能源消耗
最近几年，上述几项主要目标明显偏重于减少能耗这一侧面，有许多令人瞩目的工艺技术，操作模式及各种设备推向市场，其中包括造渣控制、装炉方式优化以及炉子智能控制等，这些无疑都是令人折服的有效举措。当现代化新建电炉采用各种优化技术及设备后，要进一步降低能耗就变得更加困难，或者说，需付出更大代价。而电炉废气热回收却有着优化能效的最大潜力，电炉钢厂就此可大有作为。
2 废气能含量
电炉回收热能就是指回收电炉所排废气中的热量，这不可避免地引出这样一个问题：一座特定电炉会产生多少废气？有哪些主要因素影响其能含量？
有些人企图通过仪表检测求出此能含量，但大多数场合都无果而终。专家经验表明，几乎所有的钢厂都缺少废气温度检测的可靠方法（至少无第4孔上的检测），同时也不是很多钢厂配有废气流量检测系统。因此，“能含量=温度×流量”这一基本公式根本用不上。
某些场合有可能用各种指数进行反向倒算求出废气能含量，即：如果检测管道热交换器循环冷却水流量及温度变化（ΔT）并检测废气急冷装置下游耗水量及袋式除尘器入口废气温度，那么就能倒算出炉子第4孔所排废气能含量。但这种间接计算法，不但不够精确，而且不会推广，因为废气冷却系统一般都无专用仪表检测同一冷却水分流到炉壳、炉顶及废气管道的水量各是多少。
在探索含能量可靠计算方法方面，工程师们选择了不同的作法，他们通过物质及能量平衡推导，更准确算出了废气能含量。这种计算法工作量很大，但更切合实际，因为大多数钢厂握有比废气检测数据完整得多的能量输入资料。
早些时候的工程师们开发出EFSOP控制系统及称为iEAF的智能化炼钢电炉。在这些研发成果基础上，某工程师研究出一种数学模型进行上述平衡计算，并将所得结果与前面所述反向倒算方法作了比较。比较所得结果证实平衡计算法与实际情况非常相符。
对比电炉两种小时出钢量及不同操作模式（低化学能输入组合，高化学能输入组合，Consteel电炉及DRI炉料电炉）分类列出平衡计算结果得出结果是：电炉产能高低对废气能含量影响很小，而操作模式的影响却很大。大多数炉顶上料电炉废气能含量在180-220kwh/t钢水之间。但这并不是说废气能含量低的炉子就费用低效率高，因为化学能价格比电能低，即使技术效率低，也很可能达到较低的吨钢成本水平。当然电炉废气的平均热含量也与电炉出钢时间的长有关。
3 能量回收
为了解热回收系统能保证多少能含量，首先应简要说明一下热回收技术。工业炉热回收首先是指生产蒸汽，且与炉子类型有关。
iRecovery系统与电炉传统水冷废气管路有些相似，也是属管-管构型，虽然这与传统水冷模式相似，但有质的差别，它是用更高温度及更大压力运作。传统水冷一般进水温度为20-40℃，冷却后水温升高5-20℃。而iRecovery系统是用10-30巴压力下达到高沸点的水工作（沸点高达180-250℃）。这样就能通过局部蒸发从废气中回收大量的热。关键是要“抓住”其中的潜热，因为只有这样才能在一定的用水量下大量增加回收的热量。iRecovery系统设计为使水一小部分蒸发，蒸发量不超过5%-12%，使水冷管路有一定裕度。
从废气中回收可供利用的能量，其可行性取决于冷却管路出口冷却水温度。如果此处水温，比如说为40-50℃，那么用这样的低温循环水回收热量，水就发挥不了能源作用，这时水在冷却塔冷却后，其所含热量即告作废。如果将同一数量的能量转化为，比如说，250℃的蒸汽，那么就可将这些能量应用于多种场合。
传热表面的大小决定着iRecovery系统出口温度，而传热表面的多少取决于：
1）废气管道长度；
2）附加的热辐射传热表面，例如二次燃烧室及沉降槽；
3）附加的U形管锅炉对流传热表面。
显然，回收的总热量随着热回收后冷却水温度下降会逐渐增加，但只有知道废气流量才能计算出具体是多少。
4 废气用空气稀释的作用
电炉不回收热量场合广为流行的作法是通过吸入大量空气降低废气温度，使废气在袋式除尘器入口处降到一定温度，这是一种花钱少效率高的处理方法。但iRecovery系统设计规定必须控制稀释空气的使用。为确保最佳效率，大多数情况下应减少稀释空气量，原因是：
1）废气温度越高，传导的热量才越多，换而言之，比如1400-1000℃下回收10MW能量所需投资费用要低于500-900℃下回收10MW能量所需花费；
2）稀释空气全部是在环境温度下吸入的，而在离开iRecovery系统时气体温度一般会升高至350℃。这就是说，在iRecovery系统上发生环境温度与350℃之间的能含量损失，大大降低了该系统效率。但也不可能将稀释空气减至零，因为二次燃烧仍需用一小部分空气。iRecovery系统始终保证废气中有足够O2含量，使废气中的CO完全燃烧。
iRecovery系统能将燃烧后O2含量保持6%，6%这一水平是保护产保安全的折衷方案，能使该系统在各种环境下实现完全燃烧，达到最高效率。如果能在燃烧室处增加更多传热表面，那么按81%吸能效率计算就可使蒸汽出口温度达到317℃，从23282kW的输入能量中回收18937kW的能量。
相反，在同一输入功率下，采取同一空气稀释度（仍含O2 6%）时，若是靠废气管路回收热量，那么炉子的能量回收率就将下降到75%，回收的能量降至17438kW。再说，如果吸入的稀释空气过多，使二次燃烧后留下12%的O2，那么回收的总热量就将降至12868kW，回收率减至55%。
综上所述可以看出影响电炉热回收潜力的3个主要因素是：
1）决定废气总能含量的操作模式；
2）取决于传热表面大小的iRecovery系统后面废气温度；
3）稀释空气控制。
电炉容量影响废气的绝对能含量，但对吨钢热输出量的影响不大。
5 热回收难点
电炉热回收潜力巨大。同时，采用iRecovery系统还可获得经验证的标准技术，但几乎百分之百的电炉至今尚未采取电炉废气热能回收技术。原因何在，有哪些实际困难呢？
1）如何使回收的热量得到充分利用，这确实是各热回收项目普遍存在的最大问题。
iRecovery系统热回收旨在生产蒸汽。有些钢厂配有庞大的蒸汽分配管网，为钢水脱气、带钢酸洗 、钢坯加热、压缩空气生产、空调及制氧供应蒸汽。从最理想的角度来说，iRecovery系统生产的蒸汽量应正好是上述各项作业所需蒸汽的总和，即完全由iRecovery蒸汽来代替。在这种条件下，将iRecovery蒸汽送至钢厂分配站，钢厂锅炉房原来生产蒸汽用的燃油或燃气会急剧减少。遗憾的是，这样的情况极为罕见。在各种热回项目中，有90%都缺少单一的吸热系统，无法保证蒸汽被充分利用。钢厂的蒸汽需求量也是分不同作业点来计算。
真空脱气单元有为数很多的蒸汽用户，但通常蒸汽用量不超过电炉iRecovery系统所产蒸汽量的20%-35%。其他主体工艺，像带钢酸洗等也都是小蒸汽用户。
厂房采暖是另一个可能的蒸汽用户。但若厂房采暖是从其他地方，比如加热炉，获得90-100℃的低档热源保持车间一定气温，那么这就不在此例之内。不管怎么说，世界许多地方一年当中有相当长的一段时间需要用暖气采暖。
实际上始终存在一种方法可使iRecovery系统的蒸汽得到完全利用，那就是用蒸汽发电。安装蒸汽透平发电机要投入较大的一笔基建费，因而从经济角度来说，此种办法并非最佳方案。如果有条件能在发电用途以外找到初衷，则应尽量争取这种可能性。对向附近厂矿出售蒸汽也应予以评价。有许多行业使用蒸汽例如轮胎制造、人工合成木板生产、制氧、砖及石灰焙烧等就是常见实例。向附近厂矿或其他部门出售iRecovery系统所产蒸汽所获效益可能要比用于发电更好。
2）其次是不间断蒸汽供应问题
举例来说，邻近的一家工厂有意购买蒸汽，而且给出的价格不低，但可售的蒸汽却与该厂蒸汽需求步调不一致。比如说，该厂每年需供汽6000h，而电炉每年运行7000h，调查结果表明，蒸汽供求在时间范围上很不合拍。典型例子是用户正常生产期间，电炉每周都有一个班进行维护不能正常运行，一年需停炉100-400h。厂房采暖方面也存在同样问题，每周三早8时至下午2时中断供暖，办公室员工会感到不快。有这些情况，就需研究供汽补缺问题。凡是以往由本厂锅炉房生产蒸汽的钢厂，只要保留锅炉房，问题就好解决：将锅炉房保留下来，使它随时备用即可。这时只需由iRecovery系统向备用锅炉房输送少量蒸汽保持所需压力即可达到补缺问题。这样处理仅用1%-2%的回收热量就可保证供汽压力，无需动用一次能源。此时需增加一些费用。虽然锅炉房大部分时间处于备用状态，但为维护及劳动力所付经费几乎与锅炉常态运行经费是相同的。无论怎样，锅炉不再动火可节省燃料，是iRecovery系统代替锅炉生产蒸汽最有效热回收途径。
当钢厂无备用锅炉房时情况变得更难些。常见的情况是钢厂因无蒸汽管网，需将生产的蒸汽外销，而非常可能的局面，购买蒸汽的厂家其所购蒸汽正是它过去锅炉房生产的蒸汽。
因此基本情况是大体相同，无论在钢厂现场或在附近工厂，锅炉房都可用作备份。两种场合的差别是在合同方面，电炉停产期间，用户仍要负责供汽。还有一个不同的地方是，必须将iRecovery系统及用锅炉房这两个环节的单独控制系统整合起来。这两个问题都容易解决，只是较比麻烦，但不是技术问题而是属于合同事宜。
3）最后是饱和蒸汽与过热蒸汽的比较
有时会听到一些人的偏见，他们说，电炉炼钢是间歇作业，电炉回收的热不足为取，因为这种热无法持续，不能稳定的供汽。
回答是，没有这种问题。确实应保证不间断地供汽。为此，一整套蒸汽贮存手段已成为iRecovery系统的组成部分，可为电炉大约30min停电期间连续供汽。
不过，还有一个问题，即可以贮存饱和蒸汽，但不能贮存过热蒸汽。其中的原因是，称为“Ruth”的蒸汽贮存器能力有限。这种贮存装置的工作原理是将高压下的高温水作贮汽能量，将压力释放后，使高温水变为蒸汽。这样其产生的蒸汽温度略高于蒸汽管网温度2-5℃。而对过热蒸汽有需求的常用设备是蒸汽透平发电机，它所需的蒸汽需过热到高出饱和蒸汽100-200℃。此问题可采取外部过热或避免使用过热蒸汽得到解决。
外部过热装置的缺点是需消耗一次能源。如果大部分蒸汽是用于发电，而一小部分是用作主体工艺用汽，那么这个缺点就更为突出（比如说，一方面用回收的热量代替锅炉房正常烧炉消耗的7000MWh/年，另一方面却为电炉废气管路作过热处理消耗5800MWh/年时，这就不合逻辑）。根据上述参数，会否定项目的经济价值。
如果主要是蒸汽透平发电机需要用过热蒸汽，另一种可行方案是装用ORC透平机（兰金有机物循环透平机）。这种透平发电机是用闭路循环加热及冷却有机物流体来驱动此透平机。这种替换透平机理念与用蒸汽透平机相比有某些可取之处。除了能够在低温下为其供应过热蒸汽外，还能利用高温水或它载能体（低能载体）并能比蒸汽透平达到更高自动化水平，从而降低产权总成本（TCO）。
另一方面，这种方案效率要低得多，会降低生产收入。对每个项目都需仔细考量上述两种方案之间的优劣。
6 经济潜力概论
iRecovery项目投资偿还期取决于下列各点：
1）最为关键的一点是项目建设时间安排。当项目成为新建电炉工程的一部分，或者炉子冷却系统到了非改不可时，装设iRecovery系统只需补加其与传统系统之间的差额费用。因为iRecovery系统需采用更高性能的设备及添加蒸汽数或蒸汽贮存器这类设备，所以与传统水冷系统相比可能要多支出最高为20%-25%的投资。大多数场合，这不成问题，并应成为新建电炉的立项标准。
2）第二点是看主体工艺对蒸汽或加热能量的需求以及蒸汽能否外销。当蒸汽只能用于发电时，投资偿还期一般拖延一倍时间。
3）最后一点是看当地能源价格。问题很明显，如果生产的蒸汽是用来代替当地价格很高的天然气或很贵的电，那么iRecovery项目投资偿还期必定比代替“廉价”天然气或电力要短得多。但在讨论是否上iRecovery项目时必须考虑能源预期上涨因素。当前能源价格条件下，iRecovery项目可能不看好，但若能源价格预期上涨5%时，此项目的上马可能效果不可低估。
当主体工艺对蒸汽的需求很大，及时筹建iRecovery系统是绝对必要的。另外，当现有炉子冷却系统急需改建或拟建新炉时，也应考虑装用iRecovery系统。