维普资讯 http://www.cqvip.com 综述 《工业加热》第35卷2006年第1期 钢铁工业的节能新技术 王清成,罗永浩 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240) 摘要:钢铁产量连年大幅攀升,能量消耗约占钢铁生产成本的l/3左右,节约能源是钢铁企业发展的重点,采用震荡燃烧、稀释氧 燃烧、直接火焰冲击燃烧、高(焦)炉喷吹废塑料以及微波、电弧和放热加热直接炼钢技术,可以有效地节能降耗,促进钢铁工业 可持续发展。 关键词:钢铁工业;节能新技术;能量消耗 中图分类号:TF4 文献标识码:A 文章编号:1002-1639(2006)01—0001—02 The New Technologies of Energy Saving in the Iron and Steel Industry WANG Qing—cheng,LUO Yong-hao (Institute of Mechanical and Power Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China) Abstract:The annual output of the iron and steel is on the increase in China,and the energy cost is one third of the total production cost of hte iron and steel,SO energy saving is the emphasis ofthe iron and steel industry.These technologies,such as oscillating combustion,dilute oxygen combustion,direct lfame impingement combustion,disposal waste plastic in blast furnace and coke oven,and microwave,electric arc and exothermal heating technology,can save energy effectively and promote the sustainable development of the iron and steel industry. Key words:iorn and steel industry;new technologies of energy saving;energy cost l 引 言 铁企业各工序段的能耗大都有明显降低,烧结能耗降低 钢铁材料是最重要的、使用量最大的基础性结构材 4.43%,焦化能耗降低6.80%,转炉能耗降低1 8.87%,电 料和功能材料之一,同时钢铁生产为高温过程,其中间 炉能耗降低21.95%,轧钢能耗降低18.92%,炼铁能耗降 产品要经过多次加热和降温才能成为最终产品,消耗大 低不明显(因为高炉喷煤量较少)[3, 。 量的能源和载能工质,能源费用约占钢铁生产成本的1/3 节能工作仍存在很大差距。国外先进国家的高炉焦 左右。因此,降低能耗对提高钢铁企业的竞争力有重要 比已达到300 kg/t以下,燃料比<500 kg/t;我国重点钢 意义。 铁企业的高炉焦比为426 kg/t,部分其它企业为488 kg/t, 钢铁工业经过近几年的发展,取得了可喜的成绩。2004 燃料比在560 kg/t左右;分别高出42%和12%。我国 年,我国钢产量已经达到2.72亿t,比上年增长22.7%,为 2003年重点钢铁企业与国际1999年先进水平和美国1998 1995年的2.8倍,每年增长率为12%l1l。2000—2004年, 年水平比较如表l所示[ ],烧结工序能耗高23.38%; 重点统计企业的吨钢综合标准煤能耗从0.907 t降低到 炼铁工序能耗高14.56%;转炉工序标煤能耗是23.56 kg/t, 0.761 t,降低幅度为16.10%。尽管如此,我国仍然是钢 1999年国际先进水平负能炼钢(标煤消耗8.88 kg/t);轧 铁生产能耗较高的国家之一,其能耗占全国能源消耗总 量的10%左右,每生产1 t钢需要消耗5—6 t原燃料, 钢工序能耗高1 6.67%;焦化工序能耗高22.95%;电炉工 吨钢能耗比国际先进水平高20%一30%[ 因此,积极 序能耗高l2.9l%,有很大的节能潜力。 地开发、研究和应用节能新技术,是维持钢铁工业可持 表1 我国重点钢铁企业各工序平 均能耗与国际先进水平比较 标煤能耗kg/t 续发展的重要途径。 烧结焦化炼铁转炉 电炉轧钢 2我国钢铁工业能耗现状 美国1998年数据 120.79 386.90 189.30 82.93 工序能耗持续下降。 2000年底和2002年,国家经贸 国际1 999年先进水平 5O.89 405.63—8.88 82.53 委先后公布了第1批、第2批((国家重点行业清洁生产 点钢铁企业平均值 .03 66.42 148.51 464.68 23.56 213_73 96.29 技术导向目录》,与钢铁行业有关的技术多达27项,由 于干熄焦、高炉喷煤、小球团烧结、高炉余压发电、高 3钢铁工业的节能新技术 效连铸等技术的应用,从2000~2003年,我国重点钢 我国近几年成功引进并二次开发了大量的节能技术, 如干熄焦(CDQ)、高炉煤气余压透平发电(TRT)、转 收稿日期:2005-08—15;修回日期:2005-12-26 炉煤气回收、钢坯热装热送、高炉喷煤、连铸连轧等技 作者简介:王清成(1972一),男,河北邯郸人,博士研究生,主要 术,这些技术目前比较成熟,应用的关键是提高管理和 从事工业节能、环保方面研究. 操作水平。同时,钢铁工业的节能新技术不断涌现,这 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 综述 (《工业加热 第35卷2006年第1期 些节能新技术大致可分为3类:第1类是高效节能、减 稀释氧燃烧技术与常规燃烧技术相比,节约燃料5O% 少大气污染物排放的节能技术,如振荡燃烧技术、稀释 左右,提高产量3O%左右,炉膛温度均匀、加热质量好、 氧燃烧技术、直接火焰冲击燃烧等;第2类是生态化、环 废品率减少,初投资和运行费用较低。该技术在美国开发 境亲和型节能技术,如高炉喷吹废塑料技术、焦炉处理 完成后,成功应用于AuburnSteel公司,节约能源效果显著。 废塑料技术;第3类是未来短流程、新工艺的节能技术, (3)直接火焰冲击燃烧技术 如采用微波、电弧和放热加热直接炼钢技术。 直接火焰冲击燃烧(Direct Flame Impingement Com- (1)振荡燃烧技术 bustion)是指4个喷嘴按不同方向在炉内对称布置,燃料 振荡燃烧(Oscillating Combustion)是指通过装在烧 与空气混合后进入喷嘴,从喷嘴喷出后形成预混火焰,正 嘴上的高速振荡阀,周期性地向燃烧室供给燃料,在燃 对工件高速喷射,烟气从烟囱排出的一种燃烧方式,如 烧室内形成连续交替的富燃料区和贫燃料区,如图1所 图3所示。该技术于2004年9月在美国诞生L9J。 示,烟气从烟囱排出的一种燃烧方式[ 。 图3直接火焰冲击燃烧 图1震荡燃烧 直接火焰冲击燃烧技术可以改善加热条件,提高传 振荡燃烧技术的特征是:①由于富燃料区发光度较 热效率,节约燃料消耗,抑制NOx形成。 大及热边界层的破坏,加强了炉内烟气的脉动,从火焰 直接火焰冲击燃烧技术与常规燃烧技术相比节约能 到被加热工件的传热量增大,从而可以缩短加热时间,较 源35%,提高炉子生产率25%,减少炉子尺寸50%。喷 少燃料消耗,提高加热效率;②热传递较快,避免局部 嘴的尺寸设计和位置的选择是这一技术应用的关键。 高温的出现,防止热力型NOx的形成,减少环境污染; (4)高炉处理废塑料技术 ③技术改造时对炉子或烧嘴的改动较小。 塑料的成分是高分子碳氢化合物,是高炉炼铁的良 振荡燃烧技术与常规燃烧技术相比,可以节约燃料 好还原剂和发热剂。开发和应用高炉喷吹废塑料技术,不 5%,提高炉子生产率5%,节约氧消耗7%。该技术主 仅可以提供廉价的能源、使高炉焦比降低、能量消耗减 要用于燃气加热炉和热处理炉,已经应用于Bethlehem 少,同时是对塑料的资源化、无害化处理。 Steel公司,节能效果较好。 高炉处理废塑料技术要求废塑料粒度适中。粒J室过大, (2)稀释氧燃烧技术 塑料的表面积变小,与热空气的接触表面(即燃烧表面) 稀释氧燃烧(Dilute Oxygen Combustion)是指燃料和 相对较小,在风口前的有限时间里可能会出现反应不充分 氧气分别沿两个不同方向喷入炉内,如图2所示,被烟 的现象,所以燃烧效果不好,从而影响塑料的燃烧率和还 气加热后,混合燃烧,烟气从烟囱排出的一种燃烧方式|8]。 原效果;粒度过小,会在还没有来得及被喷入风口的时候 就可能在喷内软化,粘结在喷内壁,容易阻塞喷【1 。 该技术对塑料的品质也有较高要求,塑料的氯含量不能太 高…]。以上问题能够合理地解决,高炉喷吹废塑料技术是 一项既节能降耗,又能改善人类生活环境的技术。 德国的不莱梅钢铁公司于1994年进行了小规模的喷 图2稀释氧燃烧 吹试验,于1995年在高炉上建造了喷吹设备,是第1家 稀释氧燃烧技术的特征是:①传统炉子常常使用’ 把高炉喷吹废塑料的设想付诸实施的厂家。 个烧嘴组织燃烧,燃料和氧化剂从同一个烧嘴喷出,在 (5)焦炉处理废塑料技术 炉内燃烧;稀释氧燃烧技术是不同方向的两股气流在反 焦炉处理废塑料技术是基于现有炼焦炉的煤高温干馏 应前被炉内的气体加热,然后混合燃烧;②烟气的稀释 技术,近几年发展起来的处理混合废塑料的技术。其原理 作用可以降低局部火焰温度,抑制热力型NOx的产生; 是将废塑料和煤加到炭化室内干馏,使塑料转化为焦炭、 ③所用的氧化剂是氧气而不是空气,燃烧氧气可以节约 焦油和煤气,实现废塑料的100%资源化利用和无害化处理。 燃料和降低排烟温度,这是稀释氧燃烧技术不同于常规 该技术的特点是:①将废塑料炭化固体残渣(焦炭) 燃烧的重要特点。 作为高炉燃料,节约炼焦用煤资源,节约能源消耗;②废 (下转第6页) 2 维普资讯 http://www.cqvip.com 热能工程 无因次振幅不变的情况下,换热强化比随频率的增大逐 渐增大,在低频率时变化较为明显,在高频率时变化不 工业加热 第35卷2006年第1期 参考文献: 【1】周士强.强化传热在换热器的应用【J1.黑龙江石油化工, 1998,9(2):31 33. 明显。值得注意得是当频率较高时能够强化换热,而在 频率较低时会有弱化换热的情况。所以在利用流体脉动 强化传热时,需特别注意所设定的条件,否则将达不到 所预期的效果。②当频率不变的情况下,换热强化比是 随着无因次振幅的增大先是逐渐下降然后逐渐增大,在 无因次振幅较低时,会弱化换热,并且振幅的影响不是 很明显,当无因次振幅较大时,振幅对换热效果的影响 【2】0SCHANDRE0U T M,ZAMIR M.Heat Transfer in a Tube With Pulsating Flow and Constant Heat Flow[J1.Int.J.Heat Mass Transfer.Int Symp on Jet Cutting Technology,1 997,40 (10):2461-2466. 【3】HABIB M A,ATTYA A M,EID A L。 a1.Convective Heat Transfer Characteristics ofLaminar Pulsating Pipe Air Flow[J]. Heat Mass Transfer,2002,38:221-232. 十分显著,并且随着振幅的增大,换热效果逐渐增大。 f4 l ZHIX10NG GU0, HYuNG Jn SUNG.Analysis of Nusslet Number in Pulsating Pipe Flow[J】,lnt.J.Heat Mass Transfer, (2)流体脉动时的阻力比无脉动时增大:当无因次 1 997.4O(1 O):2486—2489. 脉动幅值不变的情况下,沿程阻力系数增强比随着频率 I 5 l SE0 Y0UNG KIM,BYUNG HA KAN0,JAE MIN HYUN. 的增大逐渐增大。当频率不变的情况下,沿程阻力系数 Heat Transfer in the Thermally Developing Region of a Pulsat- 增强比随着无因次振幅的增大先是逐渐增大,然后逐渐 ing Channel Flow【JJ.Int.J.Heat And Mass Trnasfer,1993。36 下降,最后又逐渐增大。 (1 7):4257.4266. 【6】HEMIDA H N,SABRY M N.Theoretical Analysis of Heat (3)在速度变化的一个周期内,当速度低于平均速度 11ransfer in Laminar Pulsating Flow fJ】.Int.J.Heat Mass 时,会出现管壁附近的流体流动的方向与主流区流动方向相 Tl_ansfer.2002.45:1 767.1 780. 反的现象(回流)。这可能是造成流体强化或弱化换热的原因。 【7】陶文铨.数值传热学【M】.西安:西安交通大学出版社,2001. 【8】杨世铭.传热学(第3版)【M】.北京:高等教育出版社,1998. 皂 电雷母G8G母S昌雷8雷0雷昌S8雷0雷己S 电G也雷母G昌 ∈ 邑雷0雷0雷8雷 (上接第2页) 持续发展的用能技术,大幅度降低成本,并且兼顾环保, 塑料的颗粒范围要求较宽;③允许含氯的废塑料进入焦 是实现高产、低耗、环保、可持续发展的钢铁生产之路。 炉,系统可以自己消除氯化物造成的二次污染和对设备 及管道的腐蚀[1 。首钢和东北大学正在进行焦炉处理废 参考文献: 塑料的工业试验,效果良好,为工业化生产奠定了基础。 【1】单尚华,张壮志,关克正。关于我国钢铁工业发展规模的思 考[J].专家论坛,2005,(2):4-7. (6)微波、电弧和放热加热炼钢技术 【2】刘跃军.钢铁工业建立循环经济的必然性和可行性探讨[J】. 采用微波、电弧和放热加热(microwave,electric arc 太原科技,2005,(2):28.29. and exothermal heating)直接炼钢,如图4所示,是目前 [3】臧秋华,刘千帆.2003年中国钢铁年会技术概况[J].甘肃 炼铁、炼钢长流程中的烧结、焦化、高炉和转炉工序的 冶金。20O4,(1):1罐. 替代工序,其原理是在装有铁矿石、煤和石灰的炉中使 【4】黄导.中国钢铁工业节能分析fJ1.中国能源,2004,(5):13.15. 用微波、电弧加热 再加上煤反应时放出的热量,可以 [5】Anon.Energy and Environmental Profile ofthe U.S.Iron and Steel Industry[EB/OL].http://www.eere.eneryg.gov/industry/ 把物料加热到炼铁和炼钢时的温度,进行冶炼,得到较 steel/pdfs/steel profile.pdf,2000—08-20. 高质量的产品。这项技术于2003年9月在美国开发成功, 【6】丁 皓,郭新有.关于我国钢铁工业二次能源利用的思考 可以节能25%,是包括企业、装备供应商、工程公司、 [J].科技进步与对策,2004,(10):102—104. 矿业公司和学院研究所多个单位共同智慧的结晶nl 。 【7】JOHN C WAGNER.NOx emission reduction by oscillating combustion[EB/OL】.http://www.eere.energy.gov/ industry/steel/success.html,2004-03-18. 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