餘熱利用

餘熱的回收利用途徑很多，但主要途徑有三方面：餘熱的直接利用、餘熱發電、餘熱的綜合利用。餘熱的直接利用預熱空氣，它是利用高温煙道排氣，通過高温換熱器來對進入鍋爐和工業窯爐的空氣進行加熱。由於進入爐膛的空氣温度提高，使燃燒效率提高，從而節約燃料 ^[2]  。

餘熱是在一定經濟技術條件下，在能源利用設備中沒有被利用的能源，也就是多餘、廢棄的能源。它包括高温廢氣餘熱、冷卻介質餘熱、廢汽廢水餘熱、高温產品和爐渣餘熱、化學反應餘熱、可燃廢氣廢液和廢料餘熱以及高壓流體餘壓等七種。根據調查，各行業的餘熱總資源約佔其燃料消耗總量的17%-67%，可回收利用的餘熱資源約為餘熱總資源的60%。

玻璃、冶金、冶煉、石化、建材、陶瓷、輕紡等行業中具有280℃以上煙氣(或其他高温污染氣體)的餘熱回收。即只要是排煙温度高於280℃的工業鍋爐、流化牀鍋爐、導熱油爐、冶煉爐、冶金爐、高爐熱風爐、加熱爐，以及化肥廠、造紙廠都可應用。

餘熱回收利用是提高經濟性、節約燃料的一條重要途徑。火電廠的生產過程中存在各種餘熱。譬如,鍋爐排污熱量、除氧器排氣及汽封排汽等餘熱。這類餘熱屬於攜帶工質的分熱，通常在回收利用熱量的同時。還將回收部分工質:另一類餘熱，它們只有熱量可以利用,不存在工質的回收，譬如，發電機損失的熱量、冷油器帶走的熱量以及鍋爐排煙的餘熱等。這類餘熱屬於純熱量回收利用。 餘熱的可利用性和價值決定於它的產量和質量兩個方面。餘熱的數量是指餘熱量的大小，餘熱的質量是指餘熱的品位高低，可以用它的温度、壓力以及攜帶熱量的介質給於表徵。餘熱品位愈高，數量越大它的可利用性和價值也就愈大。 餘熱的可利用性和價值不等於餘熱利用的效果。前者是指餘熱本身的品質和性質，它僅表示餘熱具有的可用性,但並不表示餘熱利用的有效性。後者不全由余熱本身品質所決定，還決定於餘熱利用的場所、環境以及利用的方法,即決定於使用餘熱的對象和條件。譬如，餘熱作為熱量利用就比作為功能利用的效果好。因為，熱變功要付出冷源損失的代價。 火電廠熱系統由於存在各種能級，因而為選擇餘熱利用的場所提供了較大的自由度 ^[1]  。

餘熱的利用主要有兩種功能：一是生產低品質蒸汽供生產和生活所需；二是生產高壓蒸汽用來發電 ^[3]  。節能降耗是冶金企業長期的戰略任務。冶金企業從原料、焦化、燒結到鍊鐵、鍊鋼、連鑄以及軋鋼的生產過程中產生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣，同時在各工序之間存在着含有可利用能量的中間產品和半成品。充分回收和利用這些能量，是企業現代化程度的標誌之一。

在各種工業爐窯的能量支出中，廢氣餘熱約佔15%～35%，這些廢氣淨化處理後是一種輸送和使用方便、燃燒後又無需排渣和除塵、不易造成環境污染的優質能源。若能按工藝要求提供合適熱值的煤氣作能源，還有利於改善產品質量。但是由於企業生產結構和工業爐窯配置等原因，我國許多冶金企業仍排放大量廢氣。這是造成企業能源消耗高的一個重要原因。

冶金企業常用的廢氣餘熱利用方式有：①安裝換熱器；②在換熱器後安裝餘熱鍋爐；③爐底管汽化冷卻；④發電(熱電聯產)；⑤製冷。回收後的熱量主要用於預熱助燃空氣、預熱煤氣和生產蒸汽。對電爐而言，預熱廢鋼或進料可減少電爐的電能消耗，縮短熔鍊時間；對加熱爐而言，預熱空氣、燃料或工件，煙氣餘熱返回爐內，可使火焰穩定、提高燃料温度和燃燒效率以及爐子的熱效率。

工業爐窯餘熱回收差的原因，除了排煙温度高和換熱器能力小之外，鮮為人注意的是煙氣和熱風的顯熱未能有效保存，煙氣由爐膛冒出、吸入冷風，地下煙道漏水、漏氣，旁通煙道短路和管道絕熱不良，使多數爐子在回收裝置前的煙氣熱損失高達30%～50%，回爐熱風的顯熱損失為20%～33%。針對這種情況，提出了一系列降低出爐煙温的措施和能充分保存與回收餘熱的排煙-供風系統，使上述兩項熱損失分別降到5%和3%左右，同時開發了各種高效、經濟的換熱器和能使用全熱風的燃燒裝置，回收後煙温可下降到180～250℃，不再需要安裝價格昂貴而利用率不高的餘熱鍋爐，使爐氣餘熱從爐外回收轉到爐內回收的方向來，正是在這種形勢下提出了“餘熱全自回收”的新概念：首先設法降低爐子排出的煙温和煙量，並使餘熱回收過程中的各項熱損失減少，然後通過高效換熱器將餘熱最大限度地回收並全部送入爐內 ^[1]  。

(1)燒結廢氣

在鋼鐵生產過程中，燒結工序的能耗約佔總能耗的10%，僅次於鍊鐵工序而位居第二。在燒結工序總能耗中，有近50%的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣，既浪費了熱能又污染了環境。由於燒結廢氣的温度不高，以往人們對這部分熱能的回收利用重視不夠。但實際上大有文章可做，因為燒結廢氣不僅數量大，而且可供回收的熱量也大。不過，燒結餘熱回收裝置的投資費用較大，是否對燒結機或冷卻機實施餘熱回收還需要視全廠的蒸汽需要情況進行技術經濟分析後才能作出決斷。冷卻機廢氣屬於中低温熱源，其中中温部分(大於300℃)的開發技術比較成熟，用作點火器或保温爐的助燃風，生產蒸汽或餘熱發電。而低温部分(200℃左右，約佔廢氣的2/3)，由於熱效率低，應用的很少。

(2)高爐煤氣

高爐煤氣的回收利用比其它廢氣的回收利用意義更為重大，因為這涉及到冶金企業的氣體燃料平衡、減少燒油等重要的能源問題，所以是廢氣餘熱、餘能回收利用的重點之一，應當加快進程。對鋼鐵聯合企業來説，目標應當是努力降低高爐煤氣的放散率，增加混合煤氣量，或採用低熱值煤氣燃燒技術將其用於軋鋼加熱爐；對獨立鐵廠而言，則應儘快建設高爐煤氣電站。高爐煤氣屬於超低熱值燃料，且氣源壓力不穩定，不適宜遠距離輸送或用作城市生活煤氣，回收利用有較大的難度，除熱風爐和鍋爐外，只能用於復熱式加熱的焦爐和具有雙預熱功能的軋鋼加熱爐。轉換利用高爐煤氣的常用方式是燃燒發電。

高爐的大型化使高爐煤氣的產量成倍增加，燃用高爐煤氣的中低參數發電機組從鍋爐容量和能源的利用率等方面均已不能滿足需要，因此，發展高參數大容量全燃高爐煤氣發電機組勢在必行。近年來，我國在回收利用高爐煤氣方面作了不少工作，但是放散率仍然較高。許多企業在大量放散高爐煤氣的同時，工業爐窯及熱工設備都在燃用高價油和優質煤，不僅浪費能源、污染環境，而且提高了生產成本。解決煤氣放散的根本措施是鋼鐵廠應普遍採用煤和煤氣兩用鍋爐作為煤氣的緩衝用户。

因為冶金企業均有一定規模的熱(蒸汽)用户，而熱電聯產又是鍋爐蒸汽既靈活又便利的出路。這樣，富餘的煤氣經鍋爐轉換為蒸汽，在滿足供熱的同時，根據需要和可能還可以部分地轉化為電力供生產使用，從而緩解企業用電的緊張局面，減少企業的一次能源消耗，具有節能和降低成本的雙重經濟效益。

高爐煤氣的超低熱值並呈降低趨勢是限制高爐煤氣使用的最重要原因。1965年高爐煤氣的平均熱值為4180kJ/m3，而我國大型高爐的煤氣熱值已降到3135kJ/m3，中、小高爐分別降到3340～3550和3760～3970kJ/m3。它們在不預熱時的理論燃燒温度分別為1236、1290和1420℃。隨着高爐原料條件的進一步改善、裝備水平及操作水平的日益提高，高爐煤氣的發熱值會越來越低，

解決這個問題的主要途徑有：

①在熱風爐煙道中安裝換熱器，預熱助燃空氣及高爐煤氣，從而達到提高燃燒温度和熱效率的目的。200～300℃煙氣可使助燃空氣的預熱温度達到150℃以上，高爐煤氣的預熱温度達到100℃以上。

②富氧燃燒也是提高燃燒温度的有效措施之一。以熱值為3767kJ/m3的高爐煤氣為例，若把空氣中的含氧量從21%提高到30%，其理論燃燒温度可達1900℃左右，相當於空氣、煤氣雙預熱到950℃的效果。在有條件的企業，富氧燃燒較之安裝換熱器技術經濟上更為有利。

(3)轉爐煤氣

與先進國家接近100%的轉爐煤氣回收利用率相比，我國轉爐煤氣的利用水平仍有很大差距，回收利用率只有55%。

由於轉爐生產呈週期性，因此排出的煙氣餘熱也是間斷的、週期性的，使轉爐餘熱鍋爐只能間斷地產生蒸汽。為使間斷供氣變為連續的、穩定的氣源，以利於用户使用和轉爐冶金工廠鍋爐的負荷穩定，可以在供氣系統中設置蒸汽蓄熱器，這樣一般可提高鍋爐熱效率3%～5%。

影響轉爐煤氣回收的原因之一是轉爐煤氣回收過程中存在不安全因素。這是由於轉爐煤氣回收工藝和轉爐煤氣本身的特性所決定的。在高爐煤氣、焦爐煤氣、發生爐煤氣、天然氣和轉爐煤氣中，轉爐煤氣的毒性最大，其CO含量高達70%。此外，轉爐煤氣的斷續生產性使得生產過程中很容易發生事故並增大了回收利用的難度。但是隻要掌握轉爐煤氣的特性和生產規律並採取相應的措施，是完全可以做到安全回收的。

(4)電爐煙氣

在電弧爐的熱平衡中，煙氣顯熱一般佔電爐熱量的20%。國內電弧爐煙氣的餘熱利用尚不普及。回收利用電爐煙氣常用的兩種裝置是廢鋼預熱器和餘熱鍋爐。從二者回收能量的數量來看，餘熱鍋爐回收的熱能較多(為預熱廢鋼的2.5倍)；但若從能量質量的角度看，則是預熱廢鋼的方式高，即預熱廢鋼回收的熱量中可用能較多、能級較高、熱價較高；從主體設備的生產工藝來看，也以預熱廢鋼為優。因為電爐鍊鋼是以鍊鋼為目的，回收廢氣餘熱來預熱廢鋼具有綜合效益。

(5)軋鋼加熱爐煙氣

我國軋鋼加熱爐煙氣餘熱回收率平均為20%～25%。重點冶金企業略高些，地方中小企業要低一些。寶鋼軋鋼加熱爐煙氣的餘熱回收率已達到45%以上〔10〕。截止到1992年，國內有代表性的33個冶金企業200座軋鋼加熱爐的助燃空氣平均温度已上升到276℃，比1985年提高了24.3%。但是進一步提高助燃空氣的預熱温度還有很大的潛力。

對軋鋼加熱爐的煙氣餘熱應該隨煙温的由高到低逐級回收利用。對出爐温度為650～800℃的高温煙氣，可以通過各種換熱器預熱空氣或煤氣，換熱器後400～500℃左右較難回收的中温煙氣可以通過熱管或餘熱鍋爐進一步回收利用。在我國現有的技術水平條件下，排入煙囱的最佳煙温為150～180℃，工業先進國家(如日本)已經做到排入煙囱的煙温小於100℃。

從國內若干冶金企業軋鋼加熱爐用換熱器的使用情況來看，第一，大部分冶金企業已經能控制和掌握煙氣在經濟煙温下出爐，基本解決了煙氣出爐温度過高的問題；第二，預熱空氣的温度比過去提高100℃左右，達到400～500℃，温度效率接近60%；第三，換熱器的綜合傳熱係數一般都在20W/(m².K)以上，有的達到30W/(m².K)。在回收同樣熱量的情況下，現用換熱器的換熱面積和單位體積都比過去有所減少 ^[1]  。