科技新进展：钢铁流程分布式余热跨界利用关键技术系统集成开发
一、研究的背景与问题
随着居民对生态环境质量的要求越来越高，国家对环境保护和双碳日益重视，传统的燃煤锅炉供暖正逐步向电力、燃气锅炉及工业余热替代方向迈进。利用工业余热为居民供热，既能解决政府关注的居民供暖（民生）、环保（三废）及双碳问题，又能实现工业企业与供热企业的联动，保证采暖季供热企业长期稳定的运行，还能实现工业企业余热的回收与利用，具有很好的社会、经济效益，提高企业的综合竞争力。
目前钢铁产业中的余热资源回收利用率很低，大约为15%。其中，高温余热绝大部分已经被回收利用，回收率为44.4%；其次是中温余热资源，其约占总余热量的35%左右，回收率为30.2%；钢铁厂的低品位余热资源分布于钢铁生产工艺中的各个环节，然而低温余热资源的回收率却不足2%，基本上没有被回收利用。本项目以冶金全流程为基础，结合各工序生产特点、余热特性进行分类，按烟气类、乏汽类、浊环类、净环类、辐射类余热进行系统性梳理、研究与回收利用，最终实现钢铁厂低品质余热用于社会采暖的综合性成套技术。
技术问题与难点：
1、余热资源分散：钢铁企业生产特点流程长，余热资源又分布在各个工序，导致资源分散；
2、余热资源不稳定：因生产波动导致各工序余热资源的发生具有一定波动性；
3、用户侧系统热、水平衡波动频繁、范围大：由于各用户区域不同、对供暖参数的需求不同，导致系统热、水平衡调节难度大；
4、钢厂侧系统热、水平衡问题： 由于生产过程中存在热源波动、换热站投切、导致系统热、水平衡调节难度大；
5、输送难度大：供热水温度低，传统的一次供热水温在110～130℃，余热回收供暖采用80～85℃，低温差大流量的输送。
6、回收技术难度大：除传统余热回收技术外，对其它各类型的余热回收技术需重新研究与设计；
7、集中管控难度大：由于余热资源分散、不稳定，系统热-水平衡调节难度大，导致集中管控难度大。
二、解决问题的思路与技术方案
1、总体方案及技术路线
结合钢厂余热生产和分布特点，供暖系统各换热分站采用并联设计，供暖供回水母管采用切换母管制，实际运行工况各换热站是根据生产波动首先完成水量自平衡，再根据热量回收情况调节水平衡；热平衡是根据东、西首站供热需求，优先投入各区域直接换热站再调节热泵运行台数与工况，保证区域的热平衡与水平衡的合理性。供暖供回水母管采用切换母管制是为了预防系统局部管网出现故障时的系统崩溃，可以通过分段切除的方式保证系统运行的安全性；同时也可以按供暖参数的不同东西首站分列运行。
根据各工序余热发生的类型和特点，研发并实践了多种新型回收技术，包括双功能氟塑料烟气换热技术、多功能烧结环冷三四段换热技术、闷渣乏汽换热技术、冲渣水乏汽换热技术、辐射热换热技术、闪蒸+热泵的换热技术、组合型蒸汽疏水热量回收换热技术、基于工艺特点的大型热泵回收技术等等。
根据钢铁流程余热换热站分散、余热波动大、热-水平衡难度大的特点，在实现现场无人值守的条件下开发集控系统软件，包括集控画面、HUD/CPI/API画面、基于环境温度变化的热平衡自动调节功能、水平衡自动调节功能、热平衡调节功能、工序停产检修预告功能、工况偏离预警功能以及手机APP界面，实现现场与远程监管。
总的热-水平衡是依靠东、西首站各4台汽水换热器（尖峰或事故加热）和4台变频供暖循环泵实现。
2、各换热站余热回收工艺方案及技术参数：
（1）冲渣水余热换热站：
低品质余热：高炉冲渣水余热，1#高炉冲渣水余热站采用离心式除渣器+宽流道渣水换热器的回收方案。主要技术特征为：a从冲渣水泵出口引水，变频渣水循环泵精准控制渣水循环量，有效降低能耗；b离心式除渣器和渣水换热器宽流道设计，保证换热器不会污堵；设计厂供热能力15.5MW；
2#、3#、4#、5#高炉冲渣水余热站采用离心式除渣器+钛板片换热器的回收方案。主要技术特征为：a从冲渣水泵出口引水，变频渣水循环泵精准控制渣水循环量，负荷变化节能效果显著；b换热器板片材质为钛板，有效防止渣水高氯离子工况下的腐蚀现象；c换热板片表面使用纳米涂层技术能够完全防止渣棉及硅酸盐结垢体及二氧化硅结晶体的附着，阻垢效果显著；d换热器内部流道按湍流设计，传热效果显著，换热端差小于5℃。设计厂外供热能力分别为14.43MW、11.64MW、11.64MW、11.64MW。
图1冲渣水余热系统工艺图
（2）循环水热泵站：
低品质热源：高炉、转炉、连铸及发电系统循环水余热：
①100MW发电机组热泵站内建设2台40MW和1台30MW蒸汽型吸收式热泵。技术特征为：a.从100MW发电凝汽器出口上双曲线冷却水塔前引水，再通过变频采暖循环泵精准控制循环水量进入热泵提取低温余热，有效降低能耗；b.换热站低温热源水泵和采暖循环水泵全部采用稀土永磁电机，既节能又适应工况；c.100MW发电抽汽可直接驱动此三台热泵中的两台热泵，冷凝水可保证高指标除盐水要求直接回收，经济性好；d提取热量后的发电循环水直接回至发电循环水泵隧道入口，热量损失少；同时此部分水量无蒸发损失；
②1#高炉净环水热泵站内建设1台40MW蒸汽型吸收式热泵。技术特征为：a.从1#高炉净环冷却水泵出口上塔前管道引水，再通过变频采暖循环泵精准控制循环水量进入热泵提取低温余热，有效降低能耗；b.换热站低温热源水泵和采暖循环水泵全部采用稀土永磁电机，既节能又适应工况；c.驱动蒸汽冷凝水直接回收至全厂冷凝水母管，节水经济性好；d.提取热量后的循环水直接回至1#高炉冷水池，无蒸发损失，补水量减少1.5%；
③2#、3#高炉净环水热泵站内建设2台30MW蒸汽型吸收式热泵。技术特征为：a.从2#3#高炉净环冷却水泵出口上塔前管道引水，再通过变频采暖循环泵精准控制循环水量进入热泵提取低温余热，有效降低能耗；b.换热站低温热源水泵和采暖循环水泵全部采用稀土永磁电机，既节能又适应工况；c.驱动蒸汽冷凝水直接回收至全厂冷凝水母管，节水经济性好；d.提取热量后的循环水直接回至2#3#高炉冷水池，无蒸发损失，补水量减少1.5%；
④4#、5#高炉净环水热泵站内建设2台30MW蒸汽型吸收式热泵。技术特征为：a.从4#5#高炉净环冷却水泵出口上塔前管道引水，再通过变频采暖循环泵精准控制循环水量进入热泵提取低温余热，有效降低能耗；b.换热站低温热源水泵和采暖循环水泵全部采用稀土永磁电机，既节能又适应工况；c.驱动蒸汽冷凝水直接回收至全厂冷凝水母管，节水经济性好；d.提取热量后的循环水直接回至4#5#高炉冷水池，无蒸发损失，补水量减少1.5%；
⑤炼钢连铸热泵站内建设1台30MW蒸汽型吸收式热泵。技术特征为：a.从炼钢闭式净环冷却水泵出口上塔前管道引水，再通过变频采暖循环泵精准控制闭式冷却水量进入热泵提取低温余热，有效降低能耗；b.换热站低温热源水泵和采暖循环水泵全部采用稀土永磁电机，既节能又适应工况；c.驱动蒸汽冷凝水直接回收至全厂冷凝水母管，节水经济性好；
⑥5#6#转炉除尘水热泵站建设两台6MW闪蒸型热泵。技术特征为：a.从炼钢5#6#转炉除尘水上塔水泵出口引水进入闪蒸器，有效降低能耗；b.闪蒸器在真空状态下能将高浊度50℃左右的除尘水闪蒸成蒸汽，蒸汽再进入热泵进行热交换，有效解决了高浊度热水制约换热效果的问题；c.驱动蒸汽冷凝水直接回收至全厂冷凝水母管，节水经济性好。
图2 低品质热源系统工艺图
（3）烟气余热换热：
①100MW发电烟气余热回收换热站建设一台氟塑料换热器和中间换热器，设计供热能力9.29MW。技术特征为：a.利用140℃烟气余热加热工质，充分回收低位发热量至排烟温度90℃以下；b.耐低温腐蚀；c.双功能设计，既具有冬季加热采暖水的功能，又具有通过中间换热器四季加热发电凝结水而替代末端低压加热器抽汽的功能，从而提高机组发电热效率；
②1#180m2烧结环冷三、四段余热回收换热站建设一台碳钢烟气换热器，设计供热能力为7.22MW，2×90m2烧结环冷机三、四段余热回收换热站建设两台碳钢烟气换热器，设计供热能力为9.64MW；
技术特征为：a.与烧结环冷三四段烟气参数相匹配的烟气换热器和烟气循环风机，既要保证换热量和换热效果，又要保障烧结矿的冷却效果。b.有与原环冷冷却系统任意切换的功能。在原环冷三四段冷却风机运行的工况下随时切换至余热回收系统，而不影响烧结矿的冷却效果；同时不会出现原环冷三四段冷却风机倒转反风现象；在余热回收系统运行的工况下随时切换至原环冷三四段冷却风机运行工况；C.还有与环冷一二段联通梯级给风的功能，即余热回收系统风机可向一二段补充热风，提高一二段产汽量。
③1#180m2烧结大烟道余热锅炉为模块设计，产汽量8t/h；2×90m2烧结大烟道余热锅炉为模块设计，产汽量8t/h。
技术特征为：a.采用在烧结大烟道外置式布置，投入退出运行方式灵活；b.宽烟风道设计，系统阻力仅为100Pa。
图3 烟气余热工艺系统图
（4）乏汽类余热：
①转炉焖渣乏汽换热站建设一套乏汽切换系统、一套汽水换热系统和排气系统，设计换热能力为6MW。技术特征为：a.乏汽切换系统采用温度连锁控制，自动回收至乏汽母管；b.乏汽换热器设喷淋装置，能有效冲洗闷渣乏汽携带在换热器管束上的附着物，提高换热效果；C.位于换热器下部的排风口能将换热器中部凝结的气体通过排气系统排至闷渣乏汽放散管
②1#、2#3#、4#5#高炉冲渣水乏汽换热站分别建设3套、4套、4套带乏汽收集罩和轴流风机的乏汽换热系统，设计供热能力分别为2MW、3MW、3MW。
技术特征为：a.沿高炉冲渣水道布置，实时回收渣与水热交换过程中的热量；b.乏汽收集罩有效为换热器汇集和引流乏汽，提高集热效果；C.换热器出口设置轴流风机有效克服乏汽再换热器管束中的通流阻力，强化换热效果；d.换热器进水方式为逆流、串联、强制循环的方式，换热效果得以进一步优化。
图4 乏汽类余热工艺系统图
（5）辐射热余热：钢轧辐射热，高线、连铸辐射热回收，设计供热能力为5MW；
①炼钢辐射热换热站是在连铸车间连铸机扇形段后建设一套翅片管式可移动辐射热回收装置，设计供热能力为1MW。
技术特征为：a.根据连铸机扇形段后既有空间分散布置，充分适用场地限制；b.换热器可移动，不影响操作人员巡视、操作；不应影响检修人员作业；c.多组换热器之间采用金属软管连接，便于补偿和移动；d.换热系统设中间换热器，辐射热换热系统闭式强制循环系统内介质采用除盐水，不结垢，换热效率高；e.辐射热换热系统闭式强制循环系统采用定压补水系统。
②轧钢高线辐射热换热站
在高线吐丝机后冷床上方建设的一套翅片管式可移动辐射热回收装置，设计供热能力为1MW。
技术特征为：a.沿高线冷床布置，场地适用性强；b.换热系统设翻转机构，不应影响检修人员作业；c.换热系统采用半封闭结构，同时考虑风冷系统热风流向，不影响操作人员巡视、操作；d.换热系统设中间换热器，辐射热换热系统闭式强制循环系统内介质采用除盐水，不结垢，换热效率高；e.辐射热换热系统闭式强制循环系统采用定压补水系统。
图5 辐射热余热工艺流程图
三、主要创新性成果
针对钢厂余热产生和分布的特点，本技术根据钢铁企业余热存在的形态：固态、液态、气态和余热温度的高低，拟定供暖热源系统中针对各个余热资源点的回收设备、工艺、电气、智能仪表控制、及相对应的辅助配套工程。根据各工序余热发生的类型和特点，研发并实践了多种新型回收技术，包括双功能氟塑料烟气换热技术、多功能烧结环冷三四段换热技术、闷渣乏汽换热技术、冲渣水乏汽换热技术、辐射热换热技术、闪蒸+热泵的换热技术、组合型蒸汽疏水热量回收换热技术、基于工艺特点的热泵回收技术等等。实践了多种新型回收技术及设备在钢铁厂低品质余热社会采暖系统中的创新性集成应用：
根据钢铁流程余热换热站分散、预热波动大、热—水平衡难度大的特点，在实现现场无人值守的条件下开发集控系统软件，包括集控画面、UD/CPI/API画面、基于环境温度变化的热平衡自动调节功能、水平衡自动调节功能、热平衡调节功能、工序停产检修预告功能、工况偏离预警功能以及手机APP界面，实现现场与远程监管。
总的热-水平衡是依靠系统首站汽水换热器和变频供暖循环泵实现。
图5汽水监视画面
图6热量监视画面
图7 东首站控制画面
图8 西首站控制画面
四、应用情况与效果
通过企业产城融合发展战略，使企业成为城市绿色能源的提供者，融为城市不可或缺的一部分。2023抚顺新钢铁已实现社会居民供暖面积达到988，吨钢供暖面积从2020年的2.2m2提升到2.47m2，完成初步预期目标。2项目共计建设23个换热站（47个换热点），从2019年至今4年来钢厂的余热供暖无任何投诉并获得了当地供热质量第一名的成绩，实现钢厂余热深度利用，余热供暖节省标煤量18kgce/t钢，供暖余热节省能量比3.23%，替代抚顺市供暖燃煤锅炉17台套（锅炉额定负荷合计630t/h），辽宁省发展和改革委确认节能量12.78万吨标煤/年，对城市的环境改善起到了积极作用。2019年至2024年2月累计外供热量1219.75万GJ。
整体应用系统框图如下
钢铁流程余热资源分布图
信息来源：抚顺新钢铁有限责任公司