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)節能減排迫在眉睫。同時(shí), 我國鋼鐵能源利用效率不高, 噸鋼可比能耗較高, 與國際先進(jìn)水平有較大的差距, 節能潛力較大[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)程中某一工藝系統排出的未被利用的能量。按其回收利用的應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、燒結大煙道及環(huán)冷機余熱等。到目前為止, 并沒(méi)有得到完全地利用, 有相當大的一部分余熱余能資源被直接排放而浪費。這類(lèi)余熱余壓的有效回收利用是鋼鐵工業(yè)節能降耗的重要途徑, 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)一步加強研發(fā)力量, 實(shí)現回收利用的經(jīng)濟性和可行性。

1 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電技術(shù)

    近30年來(lái), 國內外研發(fā)了各種低品質(zhì)能源回收技術(shù), 并在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中開(kāi)始應用。如蒸汽螺桿膨脹機能量轉換技術(shù)[4]、有機工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機 (ORC) 能量轉換技術(shù)[5]、無(wú)機工質(zhì)卡琳娜循環(huán)能量轉換技術(shù)[6]等, 實(shí)現了對低參數、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和ORC螺桿膨脹機逐步在回收低品質(zhì)的余能余壓等方面顯示出技術(shù)優(yōu)勢, 主要用于回收地熱、太陽(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 國內外該項技術(shù)及設備的研發(fā)情況

    上世紀70、80年代, 美國研制出地熱水發(fā)電螺桿膨脹機[7], 隨后日本進(jìn)行了氟利昂氣液兩相螺桿膨脹機的試驗及工業(yè)鍋爐飽和蒸汽螺桿膨脹機差壓發(fā)電研究[8]。近年來(lái), 其他國家都有這方面的研發(fā)進(jìn)展。

    國內天津大學(xué)最早開(kāi)始進(jìn)行螺桿膨脹機的研究, 又相繼完成了ORC螺桿膨脹機裝置結構研究和系統優(yōu)化設置研究等項工作[9,10,11]。其他院校對該技術(shù)也有不同程度地研究。

    我國一些壓縮機制造廠(chǎng)家, 如江西華電、浙江開(kāi)山集團等研發(fā)制造出不同型號和容量的螺桿膨脹動(dòng)力機、ORC螺桿膨脹機及成套的發(fā)電設備[12]。      1.2 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電設備

    螺桿膨脹機余能回收發(fā)電是以蒸汽或有機工質(zhì)為熱載體實(shí)現朗肯熱力循環(huán), 將熱能做功推動(dòng)螺桿膨脹機, 帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電, 其核心設備是螺桿膨脹機。它是一種根據容量變化工作的雙軸回轉式螺桿機械, 由一對陰陽(yáng)螺桿轉子、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) 。螺桿膨脹機缸體呈兩圓相交的“∞”型, 兩軸按一定的轉動(dòng)比反向旋轉, 互相嚙合的螺旋陰陽(yáng)轉子平行地置于氣缸中。做功介質(zhì)先進(jìn)入機內螺桿齒槽, 并推動(dòng)螺桿轉動(dòng)。隨著(zhù)螺桿轉動(dòng), 齒槽加長(cháng)容積擴大, 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)電機發(fā)電。

    1.3 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電系統

    螺桿膨脹機余能回收發(fā)電系統依據低品位熱源是否直接驅動(dòng)螺桿膨脹機做功, 分為常規循環(huán)系統與有機朗肯循環(huán)系統。

    常規循環(huán)系統 (單循環(huán)系統) , 是將含熱流體直接引入螺桿膨脹機主機, 使其在主機工作腔中進(jìn)行絕熱膨脹, 驅動(dòng)主機轉子旋轉做功, 膨脹做功的同時(shí), 含熱流體的壓力和溫度降低, 實(shí)現熱功轉換。這種類(lèi)型系統比較簡(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。

    有機朗肯循環(huán)系統 (ORC型) , 是低壓液態(tài)有機工質(zhì)經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入預熱器、蒸發(fā)器吸收熱量后轉變?yōu)楦邷馗邏赫魵? 然后推動(dòng)螺桿膨脹機做功, 產(chǎn)生能量輸出, 螺桿膨脹機出口的低壓蒸氣進(jìn)入冷凝器, 向低溫熱源放熱并冷凝為液態(tài), 如此往復循環(huán)。圖2為有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統示意圖。該系統適用于小于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 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

    盡管螺桿膨脹機余能回收發(fā)電技術(shù)及裝備是最近十年才開(kāi)始應用到我國工業(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)力機械, 可以回收不同種類(lèi)的工業(yè)余熱。對余熱流體品質(zhì)要求不高, 應用范圍廣。

   (2) 變工況適用范圍大, 可在20%~120%之間, 且機組效率穩定。

   (3) 螺桿膨脹機組輸出功率可以在5~1000k W之間, 彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的不足。

   (4) 設備結構簡(jiǎn)單, 作業(yè)率高, 檢修費用、運行維護費用很低。

2 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電技術(shù)在天津鋼鐵企業(yè)中的應用

    螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)在電廠(chǎng)、石化等領(lǐng)域已有廣泛應用, 在鋼鐵領(lǐng)域的應用相對較少。鋼鐵行業(yè)是天津市第一大耗能行業(yè), 一直是節能工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為推動(dòng)該市鋼鐵企業(yè)節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和ORC螺桿膨脹機二級梯度發(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)山的梯級發(fā)電余熱余能回收技術(shù)及設備。這項技術(shù)主要應用在軋鋼加熱爐的余熱蒸汽和轉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)電電站采用兩級梯度利用發(fā)電工藝:

   第一級, 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發(fā)電機組;發(fā)電后, 能源介質(zhì)為壓力為0.018MPa, 溫度為102℃的蒸汽。這一級是利用加熱爐蒸汽的壓力及部分熱能轉換做功發(fā)電。

   第二級, 將從第一級蒸汽螺桿膨脹機排出的蒸汽送進(jìn)ORC螺桿膨脹機發(fā)電;發(fā)電后, 加熱有機工質(zhì)的蒸氣變?yōu)?5℃的軟水, 回收再利用。第二級機組發(fā)電不但回收了一般熱功轉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。

   該系統運行一年來(lái), 總體上運行平穩、設備可靠, 其工質(zhì)泵、潤滑油泵及ORC主機的可靠性保證了電站的作業(yè)率。系統的等熵效率、熱效率較高, 體現該工藝技術(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。運行以來(lái), 機組日平均凈發(fā)電2萬(wàn)k Wh, 按年運行330天、電價(jià)0.73元測算, 年凈發(fā)電660萬(wàn)k Wh, 折合節能量2244tce、減排量5834t二氧化碳, 年節能效益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)行螺桿膨脹機中低溫余熱發(fā)電項目建設, 總裝機容量6326k W (其中蒸汽螺桿膨脹機4537k W, ORC螺桿膨脹機1825k W) , 預計年可發(fā)電量4364.6k Wh, 減少CO2排放36994t, 年節能效益2793.33萬(wàn)元。

3 總結

    鋼鐵企業(yè)應用螺桿膨脹機余能回收發(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問(wèn)題, 實(shí)現能源充分利用。在鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能過(guò)剩和環(huán)境污染兩大考驗之時(shí), 螺桿膨脹機余能回收發(fā)電技術(shù)的應用能從節能減排方面為企業(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)要先對余能資源及用能情況進(jìn)行調研評估, 優(yōu)先考慮余能直接利用的方式, 遵循“溫度對口, 梯次利用”的原則, 在仍有余量的情況下采用螺桿膨脹機發(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(xiàn)所具備的低品質(zhì)余熱余壓資源不同, 螺桿膨脹機和ORC等發(fā)電技術(shù)具有不同的適應工況, 鋼鐵企業(yè)應在對其能源認真調研、檢測、分析、分類(lèi)的基礎上選擇適用的對應裝備以保障發(fā)電裝備的熱源供應和高效運行。