一、研究的背景與問題
隨著國家對環(huán)境保護(hù)和“雙碳”日益重視，傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供暖正逐步向更加清潔的電力、燃?xì)忮仩t及工業(yè)余熱替代方向邁進(jìn)。撫順新鋼鐵也正以“產(chǎn)城融合發(fā)展的典范、智能制造的先行者、綠色發(fā)展的踐行者、建筑業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)的主導(dǎo)者”四大發(fā)展戰(zhàn)略為企業(yè)使命，致力開發(fā)利用工業(yè)余熱為居民供暖，既能解決政府關(guān)注的居民供暖環(huán)保問題，又能實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)與供暖企業(yè)的聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)城融合的企業(yè)愿景。目前，鋼鐵余熱利用以下技術(shù)難題：
1、余熱形態(tài)、品質(zhì)差異大，導(dǎo)致回收技術(shù)差異大。
2、鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)是流程長，余熱資源分散，集中回收利用難度大；
3、用戶側(cè)供暖參數(shù)的不同，導(dǎo)致供熱系統(tǒng)熱平衡、水平衡調(diào)節(jié)難度大；
4、鋼廠生產(chǎn)波動(dòng)導(dǎo)致供熱系統(tǒng)熱平衡、水平衡調(diào)節(jié)難度大。
針對鋼鐵這些存在的普遍問題,撫順新鋼鐵開展了鋼鐵流程分布式余熱跨界利用關(guān)鍵技術(shù)的系集成開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供暖面積2.27平方米/噸鋼的成績。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、總體思路：
（1）根據(jù)鋼廠余熱產(chǎn)生與分布的特點(diǎn)，系統(tǒng)梳理全廠余熱資源并按凈環(huán)類、濁環(huán)類、煙氣類、乏汽類、輻射類分類，以便利于確定回收的技術(shù)方案。
圖1 鋼鐵流程余熱分類圖
（2）針對供暖安全和余熱資源點(diǎn)多而分散的難題，各熱源站采暖水系統(tǒng)采用并聯(lián)設(shè)計(jì)；供暖供回水的母管采用分段母管制，防止局部管網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)的系統(tǒng)崩潰；設(shè)置東、西首站并在廠內(nèi)和廠外形成環(huán)網(wǎng)，可以按供暖參數(shù)的不同,東、西首站分列運(yùn)行，也可并列運(yùn)行。
圖2 原則性熱網(wǎng)系統(tǒng)圖
（3）根據(jù)鋼鐵流程余熱換熱站分散、余熱波動(dòng)大、熱—水平衡難度大的特點(diǎn)，研究開發(fā)了智能集控系統(tǒng)軟件，包括集控、HUD/CPI/API、天氣和工況偏離預(yù)警功能、熱-水平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以及手機(jī)APP功能界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。
圖3 供暖首站控制圖
（4）系統(tǒng)按多功能組織設(shè)計(jì)，管網(wǎng)可冷熱功能互換，冬季用于供暖，夏季作為廠內(nèi)沖渣水和蒸汽制冷的供冷管線；各工序余熱換熱站冬季用于供熱，夏季用于本工序熱力循環(huán)系統(tǒng)。
2、余熱回收的技術(shù)方案
（1）100MW發(fā)電鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)方案
采用耐腐蝕氟塑料換熱器回收100MW煤氣發(fā)電340t/h鍋爐煙氣余熱，將鍋爐排煙從140℃降到90℃。冬季用于加熱供暖水，夏季通過中間換熱器加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水，停用末段低加抽汽而提高發(fā)電效率。
（2）燒結(jié)環(huán)冷余熱回收技術(shù)方案
通過循環(huán)風(fēng)機(jī)和煙氣換熱器組成的余熱回收系統(tǒng)，將兩臺(tái)180平燒結(jié)機(jī)環(huán)冷將三、四段煙氣余熱從180℃回收至90℃。冬季加熱供暖水，夏季可為一、二段梯級補(bǔ)熱風(fēng)，提高余熱蒸汽產(chǎn)量用于發(fā)電。
（3）燒結(jié)大煙道余熱回收技術(shù)方案
通過建設(shè)2臺(tái)180平燒結(jié)大煙道煙氣余熱鍋爐，將360℃的燒結(jié)廢煙氣余熱回收至110℃。產(chǎn)生的蒸汽冬季用于供暖，夏季用于發(fā)電。
（4）轉(zhuǎn)爐悶渣乏汽余熱回收技術(shù)方案
鋼渣在熱悶處理過程中與冷卻水充分反應(yīng)，并產(chǎn)生大量的汽化水蒸汽，鋼渣通過熱悶后溫度由900℃降至50℃以下，回收此部分乏汽是在原有乏汽排汽管道上做連鎖切換管道設(shè)計(jì)改造，悶渣時(shí)收集乏汽再通過專用乏汽換熱器回收。冬季用于供暖，夏季用于加熱汽化系統(tǒng)除鹽水，減少除氧用汽。
（5）高爐沖渣乏汽余熱回收技術(shù)方案
通過在高爐沖渣水溝道上建設(shè)渣水乏汽換熱器，回收1-5#高爐沖渣水乏汽的熱量。冬季用于加熱供暖水，夏季用于燒結(jié)混合料加熱。
（6）高爐沖渣水余熱回收技術(shù)方案
通過建設(shè)高爐沖渣水換熱器對采用底濾法沖渣工藝的1-5#高爐沖渣水的余熱進(jìn)行回收。其中1#高爐采用寬流道換熱器回收方案，2-5#高爐采用鈦板式換熱器回收方案。冬季用于供暖，夏季1#高爐沖渣水余熱用于制冷。
（7）連鑄鋼坯和軋鋼高線輻射熱回收技術(shù)方案
通過建設(shè)軋鋼高線、煉鋼連鑄輻射余熱回收裝置，包括強(qiáng)制循環(huán)泵、翻轉(zhuǎn)構(gòu)架、蛇形管換熱組以及板式換熱器，兩條產(chǎn)線輻射熱進(jìn)行余熱回收，工藝特點(diǎn)是換熱裝置不影響工序巡檢、操作和檢修。冬季用于供暖，夏季用于加熱汽化系統(tǒng)除鹽水，減少除氧用汽。
（8）100MW循環(huán)冷卻水余熱回收技術(shù)方案
100MW循環(huán)冷卻水余熱利用供暖系統(tǒng)分為循環(huán)水系統(tǒng)、低壓蒸汽系統(tǒng)和熱網(wǎng)供回水系統(tǒng)，加熱水溫由50℃升至80℃。循環(huán)冷卻水余熱利用熱泵站內(nèi)主要設(shè)備為2臺(tái)40MW、1臺(tái)30MW吸收式熱泵和4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵。
（9）高爐凈環(huán)水余熱回收技術(shù)
1#-5#高爐凈環(huán)水采用吸收式熱泵回收低溫水余熱，系統(tǒng)分為循環(huán)水系統(tǒng)、低壓蒸汽系統(tǒng)和熱網(wǎng)供回水系統(tǒng)，將供暖水由50℃升至80℃。
（10）煉鋼結(jié)晶器閉式冷卻水余熱回收技術(shù)方案
煉鋼閉式冷卻水換熱站采用吸收式熱泵回收凈環(huán)水余熱，系統(tǒng)分為循環(huán)水系統(tǒng)、低壓蒸汽系統(tǒng)和熱網(wǎng)供回水系統(tǒng)，將采暖水從50℃提高到80℃。
（11）轉(zhuǎn)爐除塵水余熱回收方案
轉(zhuǎn)爐除塵水為濁環(huán)水，因高污染性無法直接換熱，故采用閃蒸+熱泵回收技術(shù)。除塵水先進(jìn)入閃蒸罐內(nèi)閃蒸汽化，再進(jìn)入熱泵完成換熱，將采暖水從50℃提高到80℃。
（12）蒸汽管道疏水余熱回收技術(shù)方案
對廠內(nèi)各疏水點(diǎn)進(jìn)行余熱和疏水回收，通過疏水箱、疏水泵和采暖水冷卻器，將疏水余熱和疏水回收至供暖供管網(wǎng)內(nèi)。將采暖水從50℃提高到80℃。夏季回收疏水。
（13）余熱制冷技術(shù)方案
撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司冬季回收了大量的低品位余熱用于供暖，但夏季仍有大量的余熱資源沒有利用，為充分利用夏季余熱資源，節(jié)約空調(diào)電費(fèi)和改善生產(chǎn)辦公環(huán)境，建設(shè)2套5MW余熱制冷系統(tǒng)。
3、智能控制系統(tǒng)技術(shù)方案
項(xiàng)目開發(fā)了一套智能過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能多樣化：廠內(nèi)供暖熱源自動(dòng)分級的控制功能、廠內(nèi)供暖熱源換熱站績效實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和天氣預(yù)判功能。
由于大范圍的城市居民供暖，具有大時(shí)延、大慣性的特點(diǎn)，本項(xiàng)目的智能控制結(jié)合廠內(nèi)余熱供暖三級管控邏輯，開發(fā)了天氣預(yù)報(bào)預(yù)判系統(tǒng)。用以判斷未來供暖負(fù)荷變化趨勢，為操作及調(diào)度管控提供未來操作提示，有利于指導(dǎo)生產(chǎn)計(jì)劃排布及供暖能力評估。
圖4 三級控制系統(tǒng)界面
圖5 換熱站API指標(biāo)系統(tǒng)界面
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、鋼廠（無焦化和無燃煤電廠）的余熱供暖為工程重大技術(shù)集成創(chuàng)新。本項(xiàng)目鋼廠低品質(zhì)余熱向社會(huì)供暖綜合性成套集技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了長流程(無焦化和無外部燃料電廠)鋼廠余熱供暖2.2㎡/噸鋼的業(yè)績，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，解決了鋼廠余熱供暖熱源點(diǎn)多而分散，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，熱源形態(tài)差異大而且不穩(wěn)定，余熱品質(zhì)差異大，鋼廠外部管路和換熱裝置差異大所造成的水平衡和熱平衡難度大，生產(chǎn)設(shè)備存在問題隱患而需要智能化調(diào)節(jié)等諸多問題，為重大工程系統(tǒng)集成創(chuàng)新。
2、爐悶渣、鋼坯和高線輻射熱回收技術(shù)用于供暖為國內(nèi)首創(chuàng)。本項(xiàng)目開發(fā)的轉(zhuǎn)爐煉鋼悶渣乏汽換熱技術(shù)，有效地解決了高腐蝕高攜帶乏汽的回收與換熱效果問題；煉鋼連鑄鋼坯和軋鋼高線冷床輻射熱的可移動(dòng)式回收裝置，在不影響產(chǎn)品性能、巡檢操作、檢修的情況下既回收了熱量又改善了現(xiàn)場環(huán)境。以上回收技術(shù)為業(yè)界用于供暖的首個(gè)工程案例。
3、超大型（40MW級）低壓余熱蒸汽熱泵技術(shù)首次在鋼廠余熱供暖中集成應(yīng)用，將轉(zhuǎn)爐濁環(huán)水和高爐凈環(huán)水作為冷端熱源為國內(nèi)首創(chuàng)，拓展了鋼廠大規(guī)模余熱供暖的冷端熱源應(yīng)用范圍；
4、開發(fā)了鋼鐵流程余熱的冷熱電集成技術(shù)，拓展了余熱應(yīng)用領(lǐng)域并提高了余熱回收的經(jīng)濟(jì)性。高爐沖渣水夏季用于制冷，冬季用于供暖，實(shí)現(xiàn)了冷熱互換，為國內(nèi)首次成功實(shí)施的工程應(yīng)用案例。采用氟塑料換熱器，冬季成功將發(fā)電煙氣余熱用于供暖，夏季用于替代低加抽汽加熱發(fā)電凝結(jié)水，提高發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)首個(gè)可冷熱電互換的工程案例。
四、應(yīng)用情況與效果
1、產(chǎn)城共融應(yīng)用效果
撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司自2018年以來，不斷推進(jìn)低品位質(zhì)余熱回收成套技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，從最初的社會(huì)供熱200萬平方米已經(jīng)擴(kuò)展至目前887萬平方米，噸鋼供暖面積2.2 m2。項(xiàng)目投運(yùn)后運(yùn)行效果良好，并在2020年撫順市供熱企業(yè)評選中獲得撫順市供熱質(zhì)量名列第1名，對應(yīng)區(qū)域的供暖水平得到大幅度提升，供熱區(qū)域內(nèi)居民反饋供暖室內(nèi)溫度大幅度提升。項(xiàng)目于2020年12月30日順利通過了中國鋼鐵協(xié)會(huì)的項(xiàng)目評審，噸鋼供暖面積達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
2、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益
項(xiàng)目2018年至2021年11月份共計(jì)收入14280萬元，項(xiàng)目純利潤6314萬元。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了每年供熱353萬吉焦，減排二氧化碳35萬噸，減排二氧化硫2340噸，氮氧化物2212噸，粉塵1361噸，節(jié)水38萬噸，降低噸鋼綜合能耗18公斤標(biāo)煤，二氧化碳減排效果顯著。項(xiàng)目總投資28319萬元，投資回收期為7.4年。供暖項(xiàng)目替代了撫順市供暖燃煤鍋爐17臺(tái)套，遼寧省發(fā)展改革委已驗(yàn)收確認(rèn)節(jié)能量12.8萬噸標(biāo)煤/年，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
表1 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益
目前，本項(xiàng)目開發(fā)的鋼廠余熱供暖成套技術(shù)，已經(jīng)在黑龍江建龍阿鋼的余熱供暖進(jìn)行了推廣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。阿鋼產(chǎn)能150萬噸，已經(jīng)在2021年實(shí)現(xiàn)供暖200萬平米（一期為50萬平、二期為150萬平），噸鋼供熱面積實(shí)現(xiàn)了全國先進(jìn)水平。
