鋼鐵行業是典型的高污染、高能耗和高排放行業, 其能源消耗總量約占全國總能耗的15%, 且鋼鐵企業的能源成本占其自身總成本的20%~40%, 鋼鐵工業節能減排迫在眉睫。同時, 我國鋼鐵能源利用效率不高, 噸鋼可比能耗較高, 與國際先進水平有較大的差距, 節能潛力較大[1,2,3]。

    目前鋼鐵行業餘熱餘能回收利用水平有待提高。鋼鐵工業餘能是指鋼鐵生産過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:

   (1) 第一類是品質較高且穩定、回收利用可行性高的餘熱餘壓資源, 如高溫高壓蒸汽、各種副産煤氣等, 目前已得到較為充分地回收利用。

   (2) 第二類是品質略低但具有回收利用可行性的餘熱餘壓資源, 如加熱爐汽化冷卻餘熱餘壓、燒結大煙道及環冷機餘熱等。到目前為止, 并沒有得到完全地利用, 有相當大的一部分餘熱餘能資源被直接排放而浪費。這類餘熱餘壓的有效回收利用是鋼鐵工業節能降耗的重要途徑, 需要進一步推廣普及。

   (3) 第三類是現階段仍處于研究階段、回收利用尚有一定障礙的餘熱餘壓資源, 需要進一步加強研發力量, 實現回收利用的經濟性和可行性。

1 螺杆膨脹機餘能回收發電技術

    近30年來, 國内外研發了各種低品質能源回收技術, 并在國民經濟各領域中開始應用。如蒸汽螺杆膨脹機能量轉換技術[4]、有機工質朗肯循環螺杆膨脹機 (ORC) 能量轉換技術[5]、無機工質卡琳娜循環能量轉換技術[6]等, 實現了對低參數、大容量、分散的各種能源進行回收。特别是近幾年螺杆蒸汽膨脹機和ORC螺杆膨脹機逐步在回收低品質的餘能餘壓等方面顯示出技術優勢, 主要用于回收地熱、太陽能及冶金、化工、建材等行業的低壓蒸汽餘熱以及工業生産中産生>80℃的熱水及熱液的能量等。

    1.1 國内外該項技術及設備的研發情況

    上世紀70、80年代, 美國研制出地熱水發電螺杆膨脹機[7], 随後日本進行了氟利昂氣液兩相螺杆膨脹機的試驗及工業鍋爐飽和蒸汽螺杆膨脹機差壓發電研究[8]。近年來, 其他國家都有這方面的研發進展。

    國内天津大學最早開始進行螺杆膨脹機的研究, 又相繼完成了ORC螺杆膨脹機裝置結構研究和系統優化設置研究等項工作[9,10,11]。其他院校對該技術也有不同程度地研究。

    我國一些壓縮機制造廠家, 如江西華電、浙江開山集團等研發制造出不同型号和容量的螺杆膨脹動力機、ORC螺杆膨脹機及成套的發電設備[12]。      1.2 螺杆膨脹機餘能回收發電設備

    螺杆膨脹機餘能回收發電是以蒸汽或有機工質為熱載體實現朗肯熱力循環, 将熱能做功推動螺杆膨脹機, 帶動發電機發電, 其核心設備是螺杆膨脹機。它是一種根據容量變化工作的雙軸回轉式螺杆機械, 由一對陰陽螺杆轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件及聯軸器等部件組成 (見圖1) 。螺杆膨脹機缸體呈兩圓相交的“∞”型, 兩軸按一定的轉動比反向旋轉, 互相齧合的螺旋陰陽轉子平行地置于氣缸中。做功介質先進入機内螺杆齒槽, 并推動螺杆轉動。随着螺杆轉動, 齒槽加長容積擴大, 介質降壓降溫膨脹做功, 最後排出, 功率從主軸陽螺杆輸出, 帶動發電機發電。

    1.3 螺杆膨脹機餘能回收發電系統

    螺杆膨脹機餘能回收發電系統依據低品位熱源是否直接驅動螺杆膨脹機做功, 分為常規循環系統與有機朗肯循環系統。

    常規循環系統 (單循環系統) , 是将含熱流體直接引入螺杆膨脹機主機, 使其在主機工作腔中進行絕熱膨脹, 驅動主機轉子旋轉做功, 膨脹做功的同時, 含熱流體的壓力和溫度降低, 實現熱功轉換。這種類型系統比較簡單, 适用于高溫高壓流體的能量回收。但由于受膨脹能力限制, 隻适用于熱源為低于300℃的0.15~3.0MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以上、高于170℃的熱水等。

    有機朗肯循環系統 (ORC型) , 是低壓液态有機工質經過工質泵增壓後進入預熱器、蒸發器吸收熱量後轉變為高溫高壓蒸氣, 然後推動螺杆膨脹機做功, 産生能量輸出, 螺杆膨脹機出口的低壓蒸氣進入冷凝器, 向低溫熱源放熱并冷凝為液态, 如此往複循環。圖2為有機工質朗肯循環發電系統示意圖。該系統适用于小于0.1MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以下、高于85℃的熱水、煙氣的餘能回收。

    1.4 螺杆膨脹機餘能回收發電技術特點

    盡管螺杆膨脹機餘能回收發電技術及裝備是最近十年才開始應用到我國工業各個領域, 但其已經顯示出如下優點。

    (1) 螺杆膨脹機适用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體、熱水及無壓熱流體的動力機械, 可以回收不同種類的工業餘熱。對餘熱流體品質要求不高, 應用範圍廣。

   (2) 變工況适用範圍大, 可在20%~120%之間, 且機組效率穩定。

   (3) 螺杆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) 設備結構簡單, 作業率高, 檢修費用、運行維護費用很低。

2 螺杆膨脹機餘能回收發電技術在天津鋼鐵企業中的應用

    螺杆膨脹機發電技術在電廠、石化等領域已有廣泛應用, 在鋼鐵領域的應用相對較少。鋼鐵行業是天津市第一大耗能行業, 一直是節能工作的重點和難點。為推動該市鋼鐵企業節能降耗和能源的綜合利用, 市政府積極在鋼鐵企業中推廣蒸汽螺杆膨脹機和ORC螺杆膨脹機二級梯度發電技術。

    天豐鋼鐵公司率先在鋼鐵企業采用浙江開山的梯級發電餘熱餘能回收技術及設備。這項技術主要應用在軋鋼加熱爐的餘熱蒸汽和轉爐水冷低壓飽和蒸汽的回收發電上。

   其軋鋼加熱爐蒸汽發電電站采用兩級梯度利用發電工藝:

   第一級, 将加熱爐産生的飽和蒸汽 (壓力為0.5MPa, 溫度為160℃) 引至開山蒸汽型螺杆膨脹機發電機組;發電後, 能源介質為壓力為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電。

   第二級, 将從第一級蒸汽螺杆膨脹機排出的蒸汽送進ORC螺杆膨脹機發電;發電後, 加熱有機工質的蒸氣變為45℃的軟水, 回收再利用。第二級機組發電不但回收了一般熱功轉換裝置不能利用的蒸汽低溫餘熱, 而且冷凝水可以循環利用, 大大地提高了能源的利用率, 餘熱餘能被徹底地回收利用。

   該系統運行一年來, 總體上運行平穩、設備可靠, 其工質泵、潤滑油泵及ORC主機的可靠性保證了電站的作業率。系統的等熵效率、熱效率較高, 體現該工藝技術的優越性。天津天豐鋼鐵公司餘熱發電項目2016年4月份淨發電量55.9萬k Wh, 日最大淨發電量2.3萬k Wh。運行以來, 機組日平均淨發電2萬k Wh, 按年運行330天、電價0.73元測算, 年淨發電660萬k Wh, 折合節能量2244tce、減排量5834t二氧化碳, 年節能效益481.8萬元, 靜态投資回收期3年左右, 取得了良好的經濟效益和社會效益。

   天津市還有幾家鋼鐵企業正在進行螺杆膨脹機中低溫餘熱發電項目建設, 總裝機容量6326k W (其中蒸汽螺杆膨脹機4537k W, ORC螺杆膨脹機1825k W) , 預計年可發電量4364.6k Wh, 減少CO2排放36994t, 年節能效益2793.33萬元。

3 總結

    鋼鐵企業應用螺杆膨脹機餘能回收發電技術能夠有效地解決高品質能源發電後蒸汽放散及分散的熱源浪費問題, 實現能源充分利用。在鋼鐵行業面臨産能過剩和環境污染兩大考驗之時, 螺杆膨脹機餘能回收發電技術的應用能從節能減排方面為企業增效和改善環境。

    鋼鐵企業在利用低品質餘能時應遵循以下原則:

   (1) 優先考慮餘能直接利用的方式。鋼鐵企業要先對餘能資源及用能情況進行調研評估, 優先考慮餘能直接利用的方式, 遵循“溫度對口, 梯次利用”的原則, 在仍有餘量的情況下采用螺杆膨脹機發電技術。

   (2) 合理選擇餘能回收發電裝備。鋼鐵企業各生産線所具備的低品質餘熱餘壓資源不同, 螺杆膨脹機和ORC等發電技術具有不同的适應工況, 鋼鐵企業應在對其能源認真調研、檢測、分析、分類的基礎上選擇适用的對應裝備以保障發電裝備的熱源供應和高效運行。