Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi giúp bảo tồn năng lượng và giảm lượng carbon trong ngành thép
Định vị cốt lõi: Giá trị cốt lõi của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi
Sản xuất thép không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ của các loại nồi hơi như bếp lò nóng lò cao, nồi hơi phát điện khí, bộ làm mát vòng thiêu kết, lò luyện cốc, v.v. Các thiết bị này tạo ra một lượng lớn nhiệt thải ở các mức nhiệt độ khác nhau trong quá trình vận hành - từ khí thải nhiệt độ trung bình và thấp ở 100 độ đến khí thải nhiệt độ cao ở 1050 độ. Nếu thải trực tiếp không chỉ gây lãng phí năng lượng nghiêm trọng mà còn làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm nhiệt môi trường. Giá trị cốt lõi của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt lò hơi nằm ở việc xây dựng một hệ thống-vòng khép kín "tái sử dụng năng lượng trao đổi nhiệt hiệu quả thu giữ nhiệt thải", khớp chính xác với đặc tính nhiệt thải của nồi hơi tại nhà máy thép, chuyển nhiệt thải thất thoát thành năng lượng có thể sử dụng như làm nóng sơ bộ không khí đốt, làm nóng nước cấp cho lò hơi và tạo ra hơi nước, đạt được mục tiêu "biến chất thải thành kho báu". Hiệu suất của nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải của lò hơi, hiệu quả tiết kiệm năng lượng và-giảm carbon, đồng thời là cầu nối quan trọng kết nối nhiệt thải của lò hơi và tái sử dụng năng lượng.
(1) Tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng
Trong lượng nhiệt thải phát ra từ nồi hơi của nhà máy thép, chỉ riêng nhiệt lượng do khí thải có nhiệt độ cao -bỏ ra đã chiếm hơn 40% tổng lượng nhiệt tản ra của thiết bị. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi chất lượng cao có thể đạt hiệu suất truyền nhiệt trên 85%, cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng. Ví dụ, sau khi khí thải từ lò cao lò cao được xử lý bằng bộ trao đổi nhiệt, không khí và khí đốt có thể được làm nóng trước đến 190-380 độ, giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu của lò cao nóng và giúp nâng cao hiệu suất năng lượng tối ưu của quá trình lò cao. Lợi ích tổng thể có thể tăng 2% -4%; Sau khi đưa một bộ trao đổi nhiệt quay lớn vào lò cao 2500 mét khối của một doanh nghiệp thép 10 triệu tấn, nhiệt độ của không khí đốt tăng từ nhiệt độ phòng lên 380 độ, hiệu suất đốt nhiên liệu của lò cao tăng 12% và tỷ lệ than cốc giảm từ 550kg/t xuống 480kg/t, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Đồng thời, bộ trao đổi nhiệt có thể giảm nhiệt độ khí thải của lò hơi xuống 100-130 độ, tránh thất thoát nhiệt và thúc đẩy mức tiêu thụ năng lượng chung của nhà máy thép đạt đến mức tiêu chuẩn của ngành.
(2) Giảm chi phí và tăng hiệu quả, nâng cao năng lực cạnh tranh cốt lõi của doanh nghiệp
Chi phí năng lượng là một bộ phận quan trọng trong giá thành sản xuất của các doanh nghiệp thép. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi trực tiếp giảm chi phí vận hành cho doanh nghiệp bằng cách giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và điện mua, đồng thời giảm đầu tư vận hành và bảo trì thiết bị, đạt được hiệu quả kép. Lấy lò cao 1800 mét khối của Qinggang làm ví dụ, với sự hỗ trợ của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt chuyên dụng, mỗi năm có thể thu hồi thêm một lượng nhiệt, tương đương với việc tiết kiệm 39,57 triệu mét khối khí tiêu chuẩn. Kết hợp với việc giảm rò rỉ không khí và tiết kiệm khí đốt, lợi ích tiết kiệm năng lượng-hàng năm đạt 9,116 triệu nhân dân tệ. Sau khi trừ đi chi phí vận hành, lợi ích tiết kiệm năng lượng-tăng thêm là khoảng 8,91 triệu nhân dân tệ; Xưởng chuyển đổi 120 tấn sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn ốc, có thể thu hồi 12 triệu kcal nhiệt cho mỗi lò luyện thép, tương đương tiết kiệm 1,2 tấn than tiêu chuẩn. Sản lượng điện sản xuất hàng năm tăng thêm 18 triệu kWh, chu kỳ bảo trì thiết bị giảm từ 4 lần/năm xuống còn 2 lần, giúp giảm 40% chi phí bảo trì. Đối với các doanh nghiệp thép lớn, một hệ thống trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt lò hơi hoàn chỉnh có thể giảm chi phí hàng triệu, thậm chí hàng chục triệu nhân dân tệ mỗi năm, nâng cao đáng kể khả năng cạnh tranh trên thị trường của công ty.
(3) Giảm lượng carbon xanh, hỗ trợ quá trình chuyển đổi-carbon thấp của ngành
Với mục tiêu “carbon kép”, ngành thép đang phải đối mặt với những yêu cầu nghiêm ngặt về giảm phát thải. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi có thể giảm hiệu quả mức tiêu thụ năng lượng như than và khí tự nhiên bằng cách thu hồi nhiệt thải thay vì đốt nhiên liệu hóa thạch, từ đó giảm phát thải các chất ô nhiễm như carbon dioxide, sulfur dioxide và oxit nitơ. Theo tính toán, cứ 1GJ nhiệt thải được thu hồi thì có thể giảm được khoảng 80-100kg lượng khí thải carbon dioxide; Lấy một doanh nghiệp thép có công suất sản xuất 5 triệu tấn làm ví dụ, với sự hỗ trợ của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt lò hơi, hàng năm có thể giảm được 26000 tấn carbon dioxide, 750 tấn sulfur dioxide và 375 tấn oxit nitơ. Shiheng Special Steel thu hồi nhiệt thải từ khí than thô thông qua bộ trao đổi nhiệt áo khoác lò than cốc, đạt được nhiều lợi ích trong việc giảm tiêu thụ năng lượng luyện cốc và kiểm soát khí thải ô nhiễm. Dự án cố định và giảm lượng carbon trong sản xuất thép cường lực của nó giúp giảm lượng khí thải carbon 300.000 tấn mỗi năm và đã được Bộ Sinh thái và Môi trường công nhận là "trường hợp điển hình về tính trung hòa carbon"; Sau khi triển khai nhiều bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt khác nhau trong toàn bộ quá trình, một doanh nghiệp thép hàng đầu đã giảm lượng khí thải carbon dioxide 850.000 tấn mỗi năm và tạo ra lợi ích kinh tế hơn 230 triệu nhân dân tệ, thể hiện đầy đủ giá trị carbon thấp của các bộ trao đổi nhiệt.
Các loại cốt lõi và tính năng kỹ thuật: Thích hợp cho nhiều kịch bản nồi hơi trong nhà máy thép
Có nhiều loại nồi hơi khác nhau trong các nhà máy thép với sự khác biệt đáng kể về đặc tính nhiệt thải - nhiệt độ từ 100 độ C đến 1050 độ C và thành phần khí thải phức tạp (bao gồm lưu huỳnh, clo, bụi, v.v.). Các bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi tương ứng cũng có các loại khác nhau, với cốt lõi xoay quanh "sử dụng theo tầng, trao đổi nhiệt chính xác", thích ứng với các kịch bản nồi hơi khác nhau và chất lượng nhiệt thải, đạt được mức sử dụng tối đa nguồn nhiệt thải và giải quyết các điểm yếu như ăn mòn, tích tụ tro và suy giảm hiệu suất của thiết bị truyền thống.
(1) Các loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến và ưu điểm công nghệ
1. Bộ trao đổi nhiệt làm nóng sơ bộ kép kiểm soát nhiệt độ thông minh: Sử dụng dầu nhiệt làm môi trường nhiệt, hệ thống trao đổi nhiệt của "khí/khí dầu nhiệt khí thải" được xây dựng, bao gồm bộ trao đổi nhiệt khí thải, bộ trao đổi nhiệt không khí, bộ trao đổi nhiệt khí và hệ thống điều khiển thông minh, chủ yếu thích hợp cho việc thu hồi nhiệt thải khí thải ở nhiệt độ thấp của lò cao lò cao và nồi hơi phát điện khí. Ưu điểm cốt lõi của nó là giải quyết cơ bản vấn đề ăn mòn điểm sương axit ở nhiệt độ thấp, giảm bớt hiện tượng tích tụ tro và tuổi thọ của thiết bị có thể đạt hơn 10 năm, vượt xa tuổi thọ sử dụng của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và ống dẫn nhiệt truyền thống từ 3-5 năm. Trong điều kiện vận hành bình thường, nhiệt thải ở nhiệt độ đầu vào khí thải là 280 độ có thể được thu hồi để làm nóng trước khí và không khí đến nhiệt độ 190 độ; Khi nhiệt độ đầu vào của khí thải là 330 độ, nhiệt độ gia nhiệt sơ bộ có thể tăng lên 230 độ và nhiệt độ khí thải có thể giảm xuống dưới 130 độ, tối thiểu là 100 độ.
2. High temperature sleeve heat exchanger: Designed for high temperature conditions, the upper limit of the working temperature of the hot fluid reaches 1050 ℃, breaking through the bottleneck of conventional heat exchangers in handling high temperature media. Adopting a "radiation+convection" composite heat transfer mode, the high-temperature section (>750 độ) sử dụng mô-đun truyền nhiệt bức xạ loại ống bọc để truyền năng lượng nhiệt thông qua các đặc tính bức xạ của khí thải, tránh thiệt hại do ứng suất nhiệt; Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 750 độ, hãy chuyển sang chế độ truyền nhiệt đối lưu, kết hợp với-ưu thế truyền nhiệt hiệu quả cao của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, hệ số truyền nhiệt có thể đạt tới 3500W/(m ² · K) và diện tích thiết bị giảm hơn 40% so với các giải pháp truyền thống [2]. Sau khi cải tạo lò cao 2000m³ ở một nhà máy thép nào đó, hiệu suất thu hồi nhiệt cảm biến khí tăng 22%, tiết kiệm 12000 tấn than tiêu chuẩn hàng năm.
3. Bộ trao đổi nhiệt dạng ống: Một trong những loại được sử dụng rộng rãi nhất, lõi bao gồm nhiều ống kim loại-chịu nhiệt độ cao (chẳng hạn như thép không gỉ 310S, hợp kim Inconel, v.v.). Khí thải nhiệt độ cao chảy ra bên ngoài bó ống và môi trường được làm nóng lưu thông bên trong ống, đạt được sự truyền nhiệt thông qua dẫn nhiệt thành ống. Kết cấu chắc chắn, có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất cao 800{12}}1200 độ, dễ dàng vệ sinh và bảo trì, phù hợp với môi trường khí thải có hàm lượng bụi cao như lò cao và lò chuyển đổi trong nhà máy thép. Bộ chuyển đổi 120 tấn của một doanh nghiệp thép đặc biệt sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn ốc, với diện tích trao đổi nhiệt duy nhất là 3200 mét vuông. Các vây được làm bằng vật liệu hợp kim niken crom có khả năng chịu nhiệt độ 850 độ, chống ăn mòn ở nhiệt độ cao một cách hiệu quả và giảm nhiệt độ khí thải từ 800 độ xuống 280 độ. Hiệu quả thu hồi nhiệt thải là đáng kể.
4. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm: Sử dụng các tấm kim loại lượn sóng làm bộ phận trao đổi nhiệt, các kênh hẹp được hình thành giữa các tấm và khí thải có nhiệt độ cao-sẽ chảy ngược lại với môi trường cần gia nhiệt. Diện tích truyền nhiệt lớn và hiệu suất cao, cao hơn 10% -30% so với các bộ trao đổi nhiệt dạng ống truyền thống. Âm lượng nhỏ gọn phù hợp với các tình huống không gian hạn chế. Đối với khí thải nhiệt độ cao 650 độ trong lò nung cán thép, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chống tro sử dụng thiết kế tấm đặc biệt và được trang bị hệ thống làm sạch tro tự động, có thể sử dụng nhiệt của khí thải để làm nóng trước không khí đốt và nước làm mát của máy cán, giảm 10% mức tiêu thụ nhiên liệu của lò sưởi.
5. Bộ trao đổi nhiệt phụ trợ: bao gồm bộ tiết kiệm, bộ sấy sơ bộ không khí, bộ trao đổi nhiệt ống dẫn nhiệt, v.v., chủ yếu được sử dụng để thu hồi nhiệt thải ở nhiệt độ trung bình và thấp (nhiệt độ<500 ℃). Economizer recovers waste heat from boiler exhaust to heat water and reduce boiler energy consumption; Preheat the combustion air with an air preheater to improve combustion efficiency; Heat pipe heat exchangers have extremely strong thermal conductivity, dozens of times that of traditional metals, and can efficiently transfer heat at small temperature differences. They are suitable for the recovery of medium and low temperature waste heat such as blast furnace gas and sintering flue gas, but need to solve the problems of traditional heat pipe overheating and bursting, and annual performance degradation of 5%.
Xu hướng và triển vọng phát triển của ngành
Với việc thúc đẩy "Kế hoạch hành động đặc biệt về bảo tồn năng lượng và giảm lượng carbon trong ngành thép" quốc gia, đến cuối năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản phẩm của lò cao và máy chuyển đổi trong ngành thép sẽ giảm hơn 1% so với năm 2023 và mức tiêu thụ năng lượng toàn diện trên mỗi tấn thép sẽ giảm hơn 2%. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi, là thiết bị cốt lõi để bảo tồn năng lượng và giảm lượng carbon, sẽ mở ra không gian phát triển rộng hơn. Dựa trên nhu cầu phát triển của ngành và định hướng đổi mới công nghệ, sẽ có ba xu hướng phát triển chính đối với bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt lò hơi trong tương lai.
Một là nâng cấp trí tuệ công nghệ, tích hợp các công nghệ mới như AI, bản sao kỹ thuật số và Internet vạn vật để đạt được khả năng giám sát theo thời gian thực, điều chỉnh chính xác và cảnh báo lỗi về trạng thái vận hành của bộ trao đổi nhiệt, cải thiện hơn nữa hiệu quả trao đổi nhiệt và giảm chi phí vận hành và bảo trì; Đồng thời, việc phát triển các bộ trao đổi nhiệt thích ứng có thể tự động điều chỉnh các thông số vận hành dựa trên sự biến động của nhiệt độ nhiệt thải và tốc độ dòng chảy, thích ứng với các kịch bản nhiệt thải phức tạp trong các nhà máy thép.
Thứ hai là đổi mới vật liệu và cấu trúc, sử dụng vật liệu hợp kim chống ăn mòn và-nhiệt độ cao-tiên tiến hơn, chẳng hạn như INCONEL 625, thép không gỉ 310S, v.v., để cải thiện độ ổn định của bộ trao đổi nhiệt trong môi trường nhiệt độ cao, ăn mòn cao và nhiều bụi; Tối ưu hóa thiết kế cấu trúc của bộ trao đổi nhiệt, phát triển bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn và hiệu quả, giảm diện tích và cải thiện việc sử dụng không gian, chẳng hạn như giảm hơn 40% diện tích của bộ trao đổi nhiệt dạng ống bọc nhiệt độ cao so với các giải pháp truyền thống.
Thứ ba là phát triển tích hợp hệ thống, kết hợp bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt lò hơi với hệ thống thu hồi khí, chu trình hơi nước và lưu trữ năng lượng để xây dựng hệ thống tái chế năng lượng tích hợp, nâng cao khả năng tự cung cấp năng lượng của doanh nghiệp và đối phó với biến động giá điện và rủi ro cung cấp năng lượng; Đồng thời, kết hợp các công nghệ luyện kim mới như luyện kim hydro, tối ưu hóa thiết kế trao đổi nhiệt, thích ứng với cấu trúc nguồn nhiệt mới và thúc đẩy ngành thép chuyển từ “bảo tồn năng lượng và giảm carbon” sang “không phát thải carbon”.
Ngoài ra, với sự cải tiến liên tục của các tiêu chuẩn ngành, chẳng hạn như việc thúc đẩy các tiêu chuẩn ngành về thu hồi nhiệt thải từ khí đốt lò than cốc, việc áp dụng bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi sẽ được tiêu chuẩn hóa và tiêu chuẩn hóa hơn, thúc đẩy mức hiệu quả năng lượng tổng thể của ngành. Theo công suất sản xuất sắt quốc gia là 1 tỷ tấn, nếu phát huy hết công suất trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt nồi hơi tiên tiến, nó có thể tiết kiệm khoảng 4,8 tỷ nhân dân tệ chi phí và giảm lượng khí thải carbon dioxide 5,2 triệu tấn mỗi năm, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể.
