鋼鐵工業放散蒸汽冷凝回用技術
每1千克水蒸發為水蒸氣要消耗0.32千克標煤的熱量,在鋼鐵生產過程中,平均噸鋼綜合能耗為560千克標煤,除了回收的余能外,相當部分低溫余熱以熱量和水分的形式進入大氣,增加了大氣的溫濕度,主要放散水蒸氣的工序包括:燒結濕法脫硫排煙、高爐水沖渣、連鑄二冷蒸汽、轉爐悶渣、轉爐除塵、濕熄焦、循環水冷卻塔等。研究結果表明,噸鋼新水消耗中隨排煙蒸發散失的水分約為新水消耗量的40%(約為1.5噸/噸)。
此外,電廠、熱力和熱水鍋爐、天然氣燃燒、有色金屬等行業也都在向大氣大量排放水蒸氣,按照1噸煤放散1噸水蒸氣估算,每年放散蒸汽合計達幾十億噸。放散水蒸氣量增加,不僅是潛在的非常規水源,還因為不同程度殘留PM2.5細顆粒物、二氧化硫、氮氣化物、有機物等,是導致我國大氣霧霾污染的主要成因。這也能解釋為什么近15年來我國大氣污染控制的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、有機污染物等指標都在逐年顯著降低而霧霾污染卻在增加。放散蒸汽冷凝回用,不僅是節水的主要技術途徑,更是環保達標、減少大氣霧霾污染的重要途徑,高效、低成本回收利用低溫余熱,還可以使鋼企沉重的環保負擔轉變為盈利的非鋼產業,其利潤甚至能超過鋼鐵主業。
燒結濕法脫硫排煙除濕
燒結生產主要由配料混料、燒結、篩分冷卻三個工序組成,燒結機頭煙氣量大、污染物種類多,需要去除顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二惡英、酸霧、重金屬等多種污染物,是鋼鐵工業大氣污染治理的主要環節。環保新標準對這些污染成分的排放濃度都制定了嚴格的控制標準,但卻沒有排煙溫濕度的控制指標。
燒結機頭排煙帶出的水分主要有兩部分:一是混料噴水,全部以過熱蒸汽形式進入燒結大煙道,二是濕法脫硫系統的補充水,主要以飽和蒸汽形式隨放散煙氣一同排入大氣。我國現有1200多臺燒結機,除塵多采用干式靜電除塵,脫硫多采用濕法。采用活性焦脫硫雖然不增加脫硫補充水,但是投資多,特別是原有濕法改造投資更多。副產硫酸能內部使用或鄰近化工企業能利用還可以,作為商品外銷比較難。而對于燒結混料帶入的水分,該工藝也無法回收利用。從我國國情、廠情考慮,燒結濕法改造更經濟可行。
我國電力行業早期引進的鍋爐濕法脫硫技術配有煙氣再熱GGH(Gas-Gas-Heater)系統,脫硫凈濕煙氣溫度從約50℃加至約80℃以上排放干煙氣。由于GGH存在問題多,升級改為熱媒煙氣再熱系統MGGH(Media Gas-Gas-Heater),解決了部分問題但不徹底。我國電廠在濕法脫硫快速發展過程中采用了防腐煙囪濕排煙,實際排放的飽和濕煙氣溫度在50-60℃,要求夾帶機械水滴小于75mg/Nm3。鋼鐵工業的燒結煙氣濕法脫硫沿用了電廠鍋爐煙氣濕法脫硫的濕煙氣排放技術。
近年來,對于濕法燒結煙氣除濕,國內有些鋼廠還是借鑒電廠脫硫的經驗,在脫硫除霧器后增加濕式靜電除塵器WESP,實現所謂的超低近零排放,效果是很滿意的。存在的問題是WESP因為防腐而造價過高,1臺WESP的造價超過4電場的干式靜電除塵器;另外,運行時間長了,設備內部結垢清洗不干凈,是否能長期穩定運行還需要觀察。更主要的是,WESP只能去除超細的水滴,是低阻損的頂級除霧器,但不能除飽和水蒸氣。
燒結濕法脫硫排煙除濕技術研發的重點應該是研發混合除濕技術,比如將排煙溫度從目前的平均55℃降低到25℃,將濕煙氣的飽和濕度從148g/Nm3降低到26g/Nm3,就可以回收排煙中80%的水分,折合噸鋼節水約0.5噸,也就是把脫硫的補充水全部回收外,還可以把混料帶入的水分部分回收。目前,正在論證落實該技術方案,將盡快組織工業試驗。
高爐水沖渣放散蒸汽回收
我國高爐的高溫熔渣絕大多數采取水沖渣處理工藝,高爐冶煉所產的液態爐渣溫度約為1400-1500℃,定時從渣口放出,通過渣溝流出,與沖渣水混合后,溫度迅速降低到100℃以下。高溫渣熱量的30%被沖渣水吸收,使沖渣水溫度從約70℃升至約90℃,熱量的70%被沖渣水吸收蒸發為水蒸氣,隨蒸汽放散。處理每噸渣要消耗1立方米水,80%都是作為蒸汽放散的,高爐渣的顯熱高達60kgce/t,采用水沖渣工藝,不僅余熱沒有回收,還要消耗大量的補充水。沖渣產生的水蒸氣也是產生霧霾的主要來源之一。
為了解決這些問題,國內某研究院計劃通過合作研發風淬處理工藝,預期可以回收余熱、節水,技術開發能否成功的關鍵是高爐渣能否得到利用和風淬?;O備的可靠性。
從我國鋼鐵工業的實際出發,高爐水沖渣的蒸汽余熱回收和節水技術開發應該分兩步:首先是在現有水沖渣工藝的前提下,與沖渣水余熱回收系統相結合,進行放散蒸汽冷凝回收技術的研發,回收的余熱應先考慮鋼企內部利用,比如用于冷軋系統替換蒸汽或統一用于采暖或供熱水。國內某企業高爐沖渣水余熱回收已經實現了1900萬平米的供暖,停開幾百臺供熱鍋爐,取得了節煤、減少二氧化硫和氮氧化物排放量的效果,每平米一個采暖季的成本不到3元,企業和當地城市獲得了顯著的經濟效益和社會效益。
從長遠考慮,十分有必要研發既可回收高溫渣余熱、不消耗水,又不影響高爐渣作為建材利用的技術。轉爐、電爐、鐵合金等行業對渣處理工藝都有同樣需求。
連鑄二冷蒸汽回收
連鑄生產過程中,向高溫連鑄坯表面噴水冷卻,噴水吸熱后部分蒸發為水蒸氣,被二冷排煙風機抽出去,通過煙囪放散。目前,還沒有了解到回收連鑄二冷蒸汽或二冷水余熱的業績。事實上,其節能的經濟效益可以與高爐水沖渣相比較,并且連鑄二冷蒸汽還比較干凈、腐蝕性小、容易回收。連鑄二冷放散的飽和濕煙氣溫度約為70℃,濕度約為359g/Nm3,回收余熱和節水的潛力大。
轉爐一次除塵排煙除濕
轉爐一次除塵有干法、濕法、半干法,目前干法排放干煙氣,濕法、半干法都排放濕煙氣,但無論哪種方法排放煙氣濕度都在200-300g/Nm3,特別是濕法和半干法排放濕煙氣,不利于放散煤氣中CO的燃燒,CO是環保部門嚴禁排放的。國家要求轉爐一次除塵工藝采用干法、新OG濕法改造,干法、新OG濕法、半干法都需要進行排煙除濕的技術改進,也就是都要排放干煙氣,并且煙氣濕度要降低到大氣平均水平。
濕熄焦排煙除濕
我國焦化廠有鋼鐵聯合企業配套的,也有獨立焦化廠。焦炭出爐到焦車上溫度超過1400℃,需要熄火冷卻到100℃以下。目前,我國鋼鐵工業大力推廣干熄焦工藝,熄焦不用水、回收余熱產生蒸汽用于發電和其他用途,焦炭強度提高。由于改造投資大、余熱發電回收投資時間長,還有相當部分的焦爐沿用濕熄焦。保留利用濕熄焦的另一個重要原因是用于處理和消納焦化廢水,按照我國現行的焦化行業準入條件,焦化廢水必須處理合格后回用,不得外排,濕熄焦把外排廢水變成了外排蒸汽。
濕熄焦排放蒸汽量為0.5噸/噸焦,產生的蒸汽中還夾帶著焦粉、焦化廢水中殘余的污染成分,濕熄焦已被列為淘汰的工藝技術。在淘汰前的過渡期,有必要進行回收蒸汽的技術改造,保留利用焦化廢水的功能,但將放散的蒸汽冷凝回收,冷凝水經過適當處理可以作為補充新水,至少可以用于冷卻和除塵。在回收冷凝水的過程中,回收蒸汽余熱用于外供熱,由于投資少、改造簡單容易,特別是有回收余熱的經濟效益,可以采用合同能源管理模式解決企業的投資緊張問題。
循環水冷卻塔
如上所述,鋼鐵生產過程中以煤、電為主的綜合能耗接近600kgce/t,相當大部分都直接或間接放散到大氣中,而且主要是通過循環冷卻水升溫、降溫散發到大氣中。目前,循環水冷卻設備多是開式冷卻塔,通過環境干空氣與循環冷卻回水的熱交換,降低循環水的溫度到35℃以下,而干空氣吸熱吸濕后排入大氣。估算循環水每降低5.5℃就會有1.2%的水分蒸發,帶走2.3kJ/kg的熱量。開式循環水冷卻塔除了浪費能源和水以外,還有一個大問題,就是供水溫度受當地大氣溫濕度的限制,難以進一步降低,甚至在熱濕地區的夏季,供水溫度還達不到要求,出水溫度高達40-50℃。
從節水和節能角度出發,現有的開式循環水冷卻塔應該改進或淘汰。結合實際,應分步進行:首先,可以采取放散蒸汽冷凝回收節水,其次保留現有的工藝和設備運行,增加其他并聯冷卻系統比如高溫熱泵,回收部分煙氣的余熱,解決夏季供水溫度偏高問題,供水溫度不受大氣溫度的限制。從長遠看,首先還是要在盡可能的高溫位回收余熱,實現余熱的回收利用,通過釜底抽薪減少循環水的冷卻負荷,同時開發新的循環水冷卻系統,充分利用地熱、環境江河海水、冷空氣等自然冷源,結合采用低投入、低成本的制冷技術比如蒸汽噴射式熱泵,用少量低壓飽和蒸汽制出大量的7℃空調冷水用于循環水冷卻,可以將循環水供水溫度降低到25℃以下,不僅節水,還能回收大量低溫余熱,替換洗浴和生活熱水消耗的燃煤、天然氣、電等能源,具有顯著的經濟效益和社會效益。