鋼鐵工業(yè)放散蒸汽冷凝回用技術(shù)
每1千克水蒸發(fā)為水蒸氣要消耗0.32千克標(biāo)煤的熱量，在鋼鐵生產(chǎn)過程中，平均噸鋼綜合能耗為560千克標(biāo)煤，除了回收的余能外，相當(dāng)部分低溫余熱以熱量和水分的形式進(jìn)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(jié)濕法脫硫排煙、高爐水沖渣、連鑄二冷蒸汽、轉(zhuǎn)爐悶渣、轉(zhuǎn)爐除塵、濕熄焦、循環(huán)水冷卻塔等。研究結(jié)果表明，噸鋼新水消耗中隨排煙蒸發(fā)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(yè)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(jì)達(dá)幾十億噸。放散水蒸氣量增加，不僅是潛在的非常規(guī)水源，還因?yàn)椴煌潭葰埩鬚M2.5細(xì)顆粒物、二氧化硫、氮?dú)饣?、有機(jī)物等，是導(dǎo)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(jī)污染物等指標(biāo)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(jié)水的主要技術(shù)途徑，更是環(huán)保達(dá)標(biāo)、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(huán)保負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橛姆卿摦a(chǎn)業(yè)，其利潤甚至能超過鋼鐵主業(yè)。
燒結(jié)濕法脫硫排煙除濕
燒結(jié)生產(chǎn)主要由配料混料、燒結(jié)、篩分冷卻三個(gè)工序組成，燒結(jié)機(jī)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(yè)大氣污染治理的主要環(huán)節(jié)。環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)對這些污染成分的排放濃度都制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，但卻沒有排煙溫濕度的控制指標(biāo)。
燒結(jié)機(jī)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(jìn)入燒結(jié)大煙道，二是濕法脫硫系統(tǒng)的補(bǔ)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(xiàn)有1200多臺燒結(jié)機(jī)，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(bǔ)充水，但是投資多，特別是原有濕法改造投資更多。副產(chǎn)硫酸能內(nèi)部使用或鄰近化工企業(yè)能利用還可以，作為商品外銷比較難。而對于燒結(jié)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(jié)濕法改造更經(jīng)濟(jì)可行。
我國電力行業(yè)早期引進(jìn)的鍋爐濕法脫硫技術(shù)配有煙氣再熱GGH（Gas-Gas-Heater）系統(tǒng)，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(tǒng)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(fā)展過程中采用了防腐煙囪濕排煙，實(shí)際排放的飽和濕煙氣溫度在50-60℃，要求夾帶機(jī)械水滴小于75mg/Nm3。鋼鐵工業(yè)的燒結(jié)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(shù)。
近年來，對于濕法燒結(jié)煙氣除濕，國內(nèi)有些鋼廠還是借鑒電廠脫硫的經(jīng)驗(yàn)，在脫硫除霧器后增加濕式靜電除塵器WESP，實(shí)現(xiàn)所謂的超低近零排放，效果是很滿意的。存在的問題是WESP因?yàn)榉栏靸r(jià)過高，1臺WESP的造價(jià)超過4電場的干式靜電除塵器；另外，運(yùn)行時(shí)間長了，設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢清洗不干凈，是否能長期穩(wěn)定運(yùn)行還需要觀察。更主要的是，WESP只能去除超細(xì)的水滴，是低阻損的頂級除霧器，但不能除飽和水蒸氣。
燒結(jié)濕法脫硫排煙除濕技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)應(yīng)該是研發(fā)混合除濕技術(shù)，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(jié)水約0.5噸，也就是把脫硫的補(bǔ)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(shí)該技術(shù)方案，將盡快組織工業(yè)試驗(yàn)。
高爐水沖渣放散蒸汽回收
我國高爐的高溫熔渣絕大多數(shù)采取水沖渣處理工藝，高爐冶煉所產(chǎn)的液態(tài)爐渣溫度約為1400-1500℃，定時(shí)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(fā)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(dá)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(bǔ)充水。沖渣產(chǎn)生的水蒸氣也是產(chǎn)生霧霾的主要來源之一。
為了解決這些問題，國內(nèi)某研究院計(jì)劃通過合作研發(fā)風(fēng)淬處理工藝，預(yù)期可以回收余熱、節(jié)水，技術(shù)開發(fā)能否成功的關(guān)鍵是高爐渣能否得到利用和風(fēng)淬?；O(shè)備的可靠性。
從我國鋼鐵工業(yè)的實(shí)際出發(fā)，高爐水沖渣的蒸汽余熱回收和節(jié)水技術(shù)開發(fā)應(yīng)該分兩步：首先是在現(xiàn)有水沖渣工藝的前提下，與沖渣水余熱回收系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行放散蒸汽冷凝回收技術(shù)的研發(fā)，回收的余熱應(yīng)先考慮鋼企內(nèi)部利用，比如用于冷軋系統(tǒng)替換蒸汽或統(tǒng)一用于采暖或供熱水。國內(nèi)某企業(yè)高爐沖渣水余熱回收已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1900萬平米的供暖，停開幾百臺供熱鍋爐，取得了節(jié)煤、減少二氧化硫和氮氧化物排放量的效果，每平米一個(gè)采暖季的成本不到3元，企業(yè)和當(dāng)?shù)爻鞘蝎@得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
從長遠(yuǎn)考慮，十分有必要研發(fā)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(shù)。轉(zhuǎn)爐、電爐、鐵合金等行業(yè)對渣處理工藝都有同樣需求。
連鑄二冷蒸汽回收
連鑄生產(chǎn)過程中，向高溫連鑄坯表面噴水冷卻，噴水吸熱后部分蒸發(fā)為水蒸氣，被二冷排煙風(fēng)機(jī)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(yè)績。事實(shí)上，其節(jié)能的經(jīng)濟(jì)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(jié)水的潛力大。
轉(zhuǎn)爐一次除塵排煙除濕
轉(zhuǎn)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(huán)保部門嚴(yán)禁排放的。國家要求轉(zhuǎn)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(jìn)行排煙除濕的技術(shù)改進(jìn)，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(lián)合企業(yè)配套的，也有獨(dú)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(yè)大力推廣干熄焦工藝，熄焦不用水、回收余熱產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電和其他用途，焦炭強(qiáng)度提高。由于改造投資大、余熱發(fā)電回收投資時(shí)間長，還有相當(dāng)部分的焦?fàn)t沿用濕熄焦。保留利用濕熄焦的另一個(gè)重要原因是用于處理和消納焦化廢水，按照我國現(xiàn)行的焦化行業(yè)準(zhǔn)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(chǎn)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(shù)。在淘汰前的過渡期，有必要進(jìn)行回收蒸汽的技術(shù)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(jīng)過適當(dāng)處理可以作為補(bǔ)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(jīng)濟(jì)效益，可以采用合同能源管理模式解決企業(yè)的投資緊張問題。
循環(huán)水冷卻塔
如上所述，鋼鐵生產(chǎn)過程中以煤、電為主的綜合能耗接近600kgce/t，相當(dāng)大部分都直接或間接放散到大氣中，而且主要是通過循環(huán)冷卻水升溫、降溫散發(fā)到大氣中。目前，循環(huán)水冷卻設(shè)備多是開式冷卻塔，通過環(huán)境干空氣與循環(huán)冷卻回水的熱交換，降低循環(huán)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(huán)水每降低5.5℃就會有1.2%的水分蒸發(fā)，帶走2.3kJ/kg的熱量。開式循環(huán)水冷卻塔除了浪費(fèi)能源和水以外，還有一個(gè)大問題，就是供水溫度受當(dāng)?shù)卮髿鉁貪穸鹊南拗疲y以進(jìn)一步降低，甚至在熱濕地區(qū)的夏季，供水溫度還達(dá)不到要求，出水溫度高達(dá)40-50℃。
從節(jié)水和節(jié)能角度出發(fā)，現(xiàn)有的開式循環(huán)水冷卻塔應(yīng)該改進(jìn)或淘汰。結(jié)合實(shí)際，應(yīng)分步進(jìn)行：首先，可以采取放散蒸汽冷凝回收節(jié)水，其次保留現(xiàn)有的工藝和設(shè)備運(yùn)行，增加其他并聯(lián)冷卻系統(tǒng)比如高溫?zé)岜?，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(yuǎn)看，首先還是要在盡可能的高溫位回收余熱，實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用，通過釜底抽薪減少循環(huán)水的冷卻負(fù)荷，同時(shí)開發(fā)新的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，充分利用地?zé)?、環(huán)境江河海水、冷空氣等自然冷源，結(jié)合采用低投入、低成本的制冷技術(shù)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(diào)冷水用于循環(huán)水冷卻，可以將循環(huán)水供水溫度降低到25℃以下，不僅節(jié)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益。