钢铁企业低温余热余能利用的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.19MB 51 页 15积分

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摘要

我国钢铁工业能耗与国外先进水平能耗相比高出很多，随着能源价格的上涨，

能耗成本占钢铁企业成本的比重越来越大，同时钢铁生产是高端能源消耗，产生

大量的余热资源，这就要求钢铁企业加大余热回收利用的步伐，尤其是对低温余

热的回收利用。

本文第一部分分析了我国钢铁工业的能耗现状及对余热回收利用的情况，作

者根据热力学分析方法，对现有的余热回收利用技术分析研究，从能量分析方法

的角度介绍了钢铁工业余热回收的方法，对不同形态的余热资源的回收利用做了

探讨，指出了低温余热的特点及利用难度，并提出了节能思路。

第二部分以钢铁企业为背景，分析了低温余热的来源及其特点，针对不同形

态和能质的低温余热资源，分析低温余热资源的回收利用方案，提出了低温余热

利用的原则和方法。

第三部分针对某临海建设的大型钢铁企业利用低温余热资源进行海水淡化的

可行性方案设计，解决淡水资源紧缺的问题。介绍了海水淡化的国内外发展情况，

结合钢铁企业的实际情况，利用低温余热水作为热源，设计了海水淡化的实验方

案，并根据实验的情况，分析了影响海水闪蒸量的因素，对实验加以改进，达到

了较好的效果。

关键词：低温余热余热回收能量分析海水淡化

ABSTRACT

China's iron and steel industry energy consumption with foreign advanced level of

energy consumption compared to much higher energy prices, energy costs accounted

for a growing proportion of the cost of iron and steel enterprises, steel production is the

high-end energy consumption, resulting in a large number of waste heat, which

requires iron and steel enterprises to increase the pace of utilization of waste heat

recovery, especially in the low temperature waste heat recycling.

The first part analyzes the status quo of China's iron and steel industry energy

consumption of waste heat recovery, use of technology of existing waste heat recovery

based on thermodynamic analysis method analysis, the iron and steel industry waste

heat recovery fromthe perspective of energy analysis method, do the different forms

of waste heat recycling explore the characteristics of low temperature waste heat and

difficulty of use, and energy-saving ideas.

The second part of the iron and steel enterprises, analysis of the sources and

characteristics of low temperature waste heat, low temperature waste heat for

different forms and can bequalitative analysis of low temperature waste heat recycling

program, the principles and methods of low temperature waste heat utilization.

Large-scale iron and steel enterprises in the third part of the construction of a

water front use of low temperature waste heat for seawater desalination feasibility

of design to solve the problem of shortage of freshwater resources. Desalination

domestic and international developments, the actual situation of the iron and steel

enterprises, the use of low temperature more than hot water as a heat source, the

design of the desalination pilot program, and according to the experiments,

analyzed the factors affecting the amount of seawater flash, experimental be

improved to achieve better results.

Keywords: Low-temperature waste heat, Waste heat recovery,

Energy analysis, Desalination

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 课题背景......................................................................................................... 1

§1.2 我国钢铁工业能耗现状及余热余能回收的情况........................................ 2

§1.2.1 我国钢铁工业能耗现状 ................................................................... 2

§1.2.2 钢铁行业余热的回收情况 ............................................................... 5

§1.3 余热回收的分析方法.................................................................................... 6

§1.3.1 热力学第一定律 ............................................................................... 6

§1.3.2 热力学第二定律 ............................................................................... 6

§1.4 本课题研究的目的及意义............................................................................ 6

第二章低温余热回收利用的热力学分析 .................................................................... 8

§2.1 能量分析理论................................................................................................. 8

§2.1.1 焓分析法 ........................................................................................... 8

§2.1.2 火用分析法 ....................................................................................... 9

§2.1.3 能级分析 ..........................................................................................11

§2.2 余热系统的热力学分析.............................................................................. 13

§2.2.1 余热回收的评价指标 ..................................................................... 13

§2.2.2 余热回收的系统模型 ..................................................................... 14

§2.3 余热回收的基本原则.................................................................................. 15

§2.4 低温余热的回收利用的条件...................................................................... 17

§2.5 本章小结...................................................................................................... 17

第三章钢铁企业低温余热利用的分析 ...................................................................... 18

§3.1 低温余热资源的来源.................................................................................. 18

§3.2 低温余热资源的利用方案.......................................................................... 18

§3.2.1 对低温液态余热资源的回收 ......................................................... 20

§3.2.2 对低温气态余热资源的回收 ......................................................... 21

§3.2.3 对固态余热资源的回收 ................................................................. 27

§3.3 低温余热回收的难度.................................................................................. 28

§3.4 低温余热利用的原则.................................................................................. 29

§3.5 本章小结...................................................................................................... 30

第四章低温余热应用于海水淡化的研究 .................................................................. 31

§4.1 前言.............................................................................................................. 31

§4.2 海水淡化的方式.......................................................................................... 31

§4.2.1 海水淡化处理方法 .......................................................................... 31

§4.2.2 海水淡化处理方法特性的比较 ..................................................... 33

§4.3 海水淡化技术的发展.................................................................................. 34

§4.3.1 国外发展历程 .................................................................................. 34

§4.3.2 国内发展历程 ................................................................................. 34

§4.4 闪蒸法海水淡化装置.................................................................................. 35

§4.4.1 影响闪蒸效率的因素 ..................................................................... 36

§4.4.2 对实验装置的改进 ......................................................................... 40

§4.5 本章小结...................................................................................................... 41

第五章总结与建议 ...................................................................................................... 42

§5.1 总结.............................................................................................................. 42

§5.2 建议和展望.................................................................................................. 43

符号表 ............................................................................................................................ 44

参考文献 ........................................................................................................................ 45

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目及取得成果 ........................................ 48

致谢 ................................................................................................................................49

第一章绪论

§1.1 课题背景

能源与环境问题是当今世界发展所面临的两大难题。能源是人类发展的基础，

纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更

替，能源的开发利用极大程度的推进了世界经济和人类社会的发展。能源的短缺

严重制约着人类社会的发展，能源的高效利用是各国科技工作者一直致力解决的

问题。

中国是世界上第二位能源生产国和消费国，能源消费增长迅速，在能源利用

的同时排放大量污染物，对环境造成了严重污染。因此，我国的能源发展既要满

足当前的需求，同时还要满足可持续发展的要求，这是我国能源战略所面临的严

峻挑战。

钢铁工业是国民经济的基础，关系到国计民生，但长期以来我国钢铁工业面

临的能源形势十分严峻。一方面，能源供应的不足，能源价格的不断上涨，使得

成本压力已成为钢铁企业生存发展的限制条件；另一方面，我国钢铁工业的能耗

比世界先进水平高出很多，若不考虑国内外轧钢系统在工序能耗和成材率等方面

的差距，我国大中型钢铁企业的吨钢可比能耗比先进产钢国吨钢可比能耗高出

9.9%，为 64kgce/t；若考虑两者的差异并取国内轧钢工序与国外相同的水平，则

我国的吨钢可比能耗将比先进产钢国高出 17.2%，为 112kgce/t[1]。

钢铁行业是高耗能行业，2010 年钢铁行业能耗占到全国总能耗的 16.67%，

与国际先进水平相比，存在很大的差距[2]，我国钢铁行业节能压力很大。

2010 年7月，《钢铁行业生产经营规范条件》经工信部正式发布，新规范对

钢铁企业的排放标准、能耗、环境保护等方面做出了许多硬性规定。同时，对于

钢铁企业来说，能源消耗是钢铁行业生产成本的主要方面，随着能源价格的提高，

降低能耗是钢铁行业降低生产成本，提高竞争力的重要手段。

钢铁工业的特点是工艺流程长，用能均为高品质能源，因此不可避免的会造

成钢铁企业在生产过程中产生大量的余热资源，其中大部分为中低品质的余热资

源。目前，我国不少钢铁企业的余热资源尤其是低温余热资源未能得到合理的利

用。

我国钢铁企业对余热资源的回收率低，一般的钢铁企业余热回收利用率在

30%-50%，能耗成本占生产成本的30%-45%。近年来，随着蓄热式燃烧技术、烧

结余热回收技术、干熄焦技术等高、中温余热回收技术的广泛应用，钢铁企业余

热资源中的高、中温余热部分得到了很大程度的回收，但高、中温余热资源仅占

钢铁企业低温余热余能利用的研究

全部余热资源的一小部分，而占全部余热资源2/3的低温余热资源，由于其火用值

低、利用困难等因素还未被充分利用。因此，这部分余热资源的回收利用对于提

高我国钢铁企业余热资源回收率，降低生产成本具有深远的影响。

低温余热回收等同于对另一种新资源的开采，对企业而言，既帮助企业解决

了节能减排和环境污染的问题，还为企业带来了新的经济效益，并对国家的环境

保护和资源整合都形成了良性的循环。在国家特别关注余热资源利用的今天，充

分利用余热资源，全面提高能源回收率，对我国经济发展和能源战略具有重要的

意义。

本课题研究分析了钢铁企业生产流程中低温余热的产生及其特点等，并对低

温余热资源的特性进行分析，找出合适的低温余热回收技术和利用方式，对开拓

钢铁企业低温余热回收利用领域，提高低温余热回收利用技术具有积极的推动作

用。

§1.2 我国钢铁工业能耗现状及余热余能回收的情况

§1.2.1 我国钢铁工业能耗现状

钢铁行业是我国基础性产业，目前我国钢铁产量、净出口量、消费量及铁矿

石进口量均占世界第一，并且在逐年增加。

如图 1-1 所示，2005 年中国粗钢产量为 3.49 亿吨，到 2010 年，粗钢产量已

达到 6.26 亿吨。就钢的产量而言，中国的钢产量占世界钢产量总产量的 26.31％，

其产量比产量居世界第二、第三、第四位国家的产量之和还要多；焦炭产量占世

界总产量的 50％以上，其贸易量占世界焦炭贸易量的 60％。

由于中国钢铁产品产量高，加之我国钢铁企业能耗高，不可避免的就造成了

我国钢铁工业所消耗的能源总量很大，能耗量仅次于电力行业。

2005 2006 2007 2008 2009 2010

30000

40000

50000

60000

年份

产量（万吨）

图1-1 2005-2010 年中国粗钢产量趋势图

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摘要我国钢铁工业能耗与国外先进水平能耗相比高出很多，随着能源价格的上涨，能耗成本占钢铁企业成本的比重越来越大，同时钢铁生产是高端能源消耗，产生大量的余热资源，这就要求钢铁企业加大余热回收利用的步伐，尤其是对低温余热的回收利用。本文第一部分分析了我国钢铁工业的能耗现状及对余热回收利用的情况，作者根据热力学分析方法，对现有的余热回收利用技术分析研究，从能量分析方法的角度介绍了钢铁工业余热回收的方法，对不同形态的余热资源的回收利用做了探讨，指出了低温余热的特点及利用难度，并提出了节能思路。第二部分以钢铁企业为背景，分析了低温余热的来源及其特点，针对不同形态和能质的低温余热资源，分析低温余热资源的回收...

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