钢铁行业是典型的高污染、高能耗和高排放行业, 其能源消耗总量约占全国总能耗的15%, 且钢铁企业的能源成本占其自身总成本的20%~40%, 钢铁工业节能减排迫在眉睫。同时, 我国钢铁能源利用效率不高, 吨钢可比能耗较高, 与国际先进水平有较大的差距, 节能潜力较大[1,2,3]。

目前钢铁行业余热余能回收利用水平有待提高。钢铁工业余能是指钢铁生产过程中某一工艺系统排出的未被利用的能量。按其回收利用的应用普及程度和成熟性, 可分为3类:

(1) 第一类是品质较高且稳定、回收利用可行性高的余热余压资源, 如高温高压蒸汽、各种副产煤气等, 目前已得到较为充分地回收利用。

(2) 第二类是品质略低但具有回收利用可行性的余热余压资源, 如加热炉汽化冷却余热余压、烧结大烟道及环冷机余热等。到目前为止, 并没有得到完全地利用, 有相当大的一部分余热余能资源被直接排放而浪费。这类余热余压的有效回收利用是钢铁工业节能降耗的重要途径, 需要进一步推广普及。

(3) 第三类是现阶段仍处于研究阶段、回收利用尚有一定障碍的余热余压资源, 需要进一步加强研发力量, 实现回收利用的经济性和可行性。

1 螺杆膨胀机余能回收发电技术

近30年来, 国内外研发了各种低品质能源回收技术, 并在国民经济各领域中开始应用。如蒸汽螺杆膨胀机能量转换技术[4]、有机工质朗肯循环螺杆膨胀机 (ORC) 能量转换技术[5]、无机工质卡琳娜循环能量转换技术[6]等, 实现了对低参数、大容量、分散的各种能源进行回收。特别是近几年螺杆蒸汽膨胀机和ORC螺杆膨胀机逐步在回收低品质的余能余压等方面显示出技术优势, 主要用于回收地热、太阳能及冶金、化工、建材等行业的低压蒸汽余热以及工业生产中产生>80℃的热水及热液的能量等。

1.1 国内外该项技术及设备的研发情况

上世纪70、80年代, 美国研制出地热水发电螺杆膨胀机[7], 随后日本进行了氟利昂气液两相螺杆膨胀机的试验及工业锅炉饱和蒸汽螺杆膨胀机差压发电研究[8]。近年来, 其他国家都有这方面的研发进展。

国内天津大学最早开始进行螺杆膨胀机的研究, 又相继完成了ORC螺杆膨胀机装置结构研究和系统优化设置研究等项工作[9,10,11]。其他院校对该技术也有不同程度地研究。

我国一些压缩机制造厂家, 如江西华电、浙江开山集团等研发制造出不同型号和容量的螺杆膨胀动力机、ORC螺杆膨胀机及成套的发电设备[12]。1.2 螺杆膨胀机余能回收发电设备

螺杆膨胀机余能回收发电是以蒸汽或有机工质为热载体实现朗肯热力循环, 将热能做功推动螺杆膨胀机, 带动发电机发电, 其核心设备是螺杆膨胀机。它是一种根据容量变化工作的双轴回转式螺杆机械, 由一对阴阳螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件及联轴器等部件组成 (见图1) 。螺杆膨胀机缸体呈两圆相交的“∞”型, 两轴按一定的转动比反向旋转, 互相啮合的螺旋阴阳转子平行地置于气缸中。做功介质先进入机内螺杆齿槽, 并推动螺杆转动。随着螺杆转动, 齿槽加长容积扩大, 介质降压降温膨胀做功, 最后排出, 功率从主轴阳螺杆输出, 带动发电机发电。

1.3 螺杆膨胀机余能回收发电系统

螺杆膨胀机余能回收发电系统依据低品位热源是否直接驱动螺杆膨胀机做功, 分为常规循环系统与有机朗肯循环系统。

常规循环系统 (单循环系统) , 是将含热流体直接引入螺杆膨胀机主机, 使其在主机工作腔中进行绝热膨胀, 驱动主机转子旋转做功, 膨胀做功的同时, 含热流体的压力和温度降低, 实现热功转换。这种类型系统比较简单, 适用于高温高压流体的能量回收。但由于受膨胀能力限制, 只适用于热源为低于300℃的0.15~3.0MPa的蒸汽或压力0.8MPa以上、高于170℃的热水等。

有机朗肯循环系统 (ORC型) , 是低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量后转变为高温高压蒸气, 然后推动螺杆膨胀机做功, 产生能量输出, 螺杆膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器, 向低温热源放热并冷凝为液态, 如此往复循环。图2为有机工质朗肯循环发电系统示意图。该系统适用于小于0.1MPa的蒸汽或压力0.8MPa以下、高于85℃的热水、烟气的余能回收。

1.4 螺杆膨胀机余能回收发电技术特点

尽管螺杆膨胀机余能回收发电技术及装备是最近十年才开始应用到我国工业各个领域, 但其已经显示出如下优点。

(1) 螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体、热水及无压热流体的动力机械, 可以回收不同种类的工业余热。对余热流体品质要求不高, 应用范围广。

(2) 变工况适用范围大, 可在20%~120%之间, 且机组效率稳定。

(3) 螺杆膨胀机组输出功率可以在5~1000k W之间, 弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的不足。

(4) 设备结构简单, 作业率高, 检修费用、运行维护费用很低。

2 螺杆膨胀机余能回收发电技术在天津钢铁企业中的应用

螺杆膨胀机发电技术在电厂、石化等领域已有广泛应用, 在钢铁领域的应用相对较少。钢铁行业是天津市第一大耗能行业, 一直是节能工作的重点和难点。为推动该市钢铁企业节能降耗和能源的综合利用, 市政府积极在钢铁企业中推广蒸汽螺杆膨胀机和ORC螺杆膨胀机二级梯度发电技术。

天丰钢铁公司率先在钢铁企业采用浙江开山的梯级发电余热余能回收技术及设备。这项技术主要应用在轧钢加热炉的余热蒸汽和转炉水冷低压饱和蒸汽的回收发电上。

其轧钢加热炉蒸汽发电电站采用两级梯度利用发电工艺:

第一级, 将加热炉产生的饱和蒸汽 (压力为0.5MPa, 温度为160℃) 引至开山蒸汽型螺杆膨胀机发电机组;发电后, 能源介质为压力为0.018MPa, 温度为102℃的蒸汽。这一级是利用加热炉蒸汽的压力及部分热能转换做功发电。

第二级, 将从第一级蒸汽螺杆膨胀机排出的蒸汽送进ORC螺杆膨胀机发电;发电后, 加热有机工质的蒸气变为45℃的软水, 回收再利用。第二级机组发电不但回收了一般热功转换装置不能利用的蒸汽低温余热, 而且冷凝水可以循环利用, 大大地提高了能源的利用率, 余热余能被彻底地回收利用。

该系统运行一年来, 总体上运行平稳、设备可靠, 其工质泵、润滑油泵及ORC主机的可靠性保证了电站的作业率。系统的等熵效率、热效率较高, 体现该工艺技术的优越性。天津天丰钢铁公司余热发电项目2016年4月份净发电量55.9万k Wh, 日最大净发电量2.3万k Wh。运行以来, 机组日平均净发电2万k Wh, 按年运行330天、电价0.73元测算, 年净发电660万k Wh, 折合节能量2244tce、减排量5834t二氧化碳, 年节能效益481.8万元, 静态投资回收期3年左右, 取得了良好的经济效益和社会效益。

天津市还有几家钢铁企业正在进行螺杆膨胀机中低温余热发电项目建设, 总装机容量6326k W (其中蒸汽螺杆膨胀机4537k W, ORC螺杆膨胀机1825k W) , 预计年可发电量4364.6k Wh, 减少CO2排放36994t, 年节能效益2793.33万元。

3 总结

钢铁企业应用螺杆膨胀机余能回收发电技术能够有效地解决高品质能源发电后蒸汽放散及分散的热源浪费问题, 实现能源充分利用。在钢铁行业面临产能过剩和环境污染两大考验之时, 螺杆膨胀机余能回收发电技术的应用能从节能减排方面为企业增效和改善环境。

钢铁企业在利用低品质余能时应遵循以下原则:

(1) 优先考虑余能直接利用的方式。钢铁企业要先对余能资源及用能情况进行调研评估, 优先考虑余能直接利用的方式, 遵循“温度对口, 梯次利用”的原则, 在仍有余量的情况下采用螺杆膨胀机发电技术。

(2) 合理选择余能回收发电装备。钢铁企业各生产线所具备的低品质余热余压资源不同, 螺杆膨胀机和ORC等发电技术具有不同的适应工况, 钢铁企业应在对其能源认真调研、检测、分析、分类的基础上选择适用的对应装备以保障发电装备的热源供应和高效运行。