يعمل المبادل الحراري لاسترداد حرارة الغلايات على تمكين الحفاظ على الطاقة وتقليل الكربون في صناعة الصلب
تحديد المواقع الأساسية: القيمة الأساسية للمبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات
لا يمكن فصل إنتاج الفولاذ عن دعم أنواع مختلفة من الغلايات مثل مواقد الفرن العالي، وغلايات توليد الطاقة بالغاز، ومبردات حلقة التلبيد، وأفران فحم الكوك، وما إلى ذلك. تولد هذه المعدات كمية كبيرة من الحرارة المهدرة عند مستويات درجات حرارة مختلفة أثناء التشغيل - من غاز المداخن ذو درجة الحرارة المتوسطة والمنخفضة عند 100 درجة إلى غاز المداخن بدرجة حرارة عالية عند 1050 درجة. إذا تم تفريغها مباشرة، فإنها لا تسبب هدرًا خطيرًا للطاقة فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى تفاقم التلوث الحراري البيئي. تكمن القيمة الأساسية للمبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات في بناء-نظام حلقة مغلقة "لإعادة استخدام طاقة التبادل الحراري بكفاءة لالتقاط الحرارة المهدرة"، والمطابقة الدقيقة لخصائص حرارة النفايات لغلايات مصانع الصلب، وتحويل الحرارة المفقودة إلى طاقة قابلة للاستخدام مثل التسخين المسبق لهواء الاحتراق، وتسخين مياه تغذية الغلاية، وتوليد البخار، وتحقيق "تحويل النفايات إلى كنز". ويحدد أدائها بشكل مباشر كفاءة استعادة الحرارة المهدرة للغلاية وتوفير الطاقة-وتأثيرات تقليل الكربون، كما أنها بمثابة جسر رئيسي يربط بين حرارة الغلاية المهدرة وإعادة استخدام الطاقة.
(1) الحفاظ على الطاقة وخفض استهلاكها، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة
في الحرارة المهدرة المنبعثة من مراجل مصانع الصلب، تمثل الحرارة المنقولة بواسطة غاز المداخن ذو درجة الحرارة المرتفعة-وحده أكثر من 40% من إجمالي تبديد الحرارة للمعدات. يمكن للمبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات ذات الجودة العالية أن تحقق كفاءة نقل الحرارة بأكثر من 85%، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة استخدام الطاقة. على سبيل المثال، بعد معالجة غاز المداخن من موقد الصهر الساخن بالفرن العالي بواسطة مبادل حراري، يمكن تسخين الهواء والغاز إلى 190-380 درجة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الوقود لموقد الصهر الساخن ويساعد على تحسين كفاءة الطاقة النهائية لعملية الفرن العالي. يمكن زيادة الفائدة الإجمالية بنسبة 2% -4%؛ بعد إدخال مبادل حراري دوار كبير في فرن صهر سعته 2500 متر مكعب لمشروع فولاذي بقدرة 10 ملايين طن، زادت درجة حرارة هواء الاحتراق من درجة حرارة الغرفة إلى 380 درجة، وزادت كفاءة احتراق الوقود للفرن العالي بنسبة 12%، وانخفضت نسبة فحم الكوك من 550 كجم/طن إلى 480 كجم/طن، مما حقق توفيرًا كبيرًا في الطاقة. في الوقت نفسه، يمكن للمبادل الحراري تقليل درجة حرارة عادم الغلاية إلى 100-130 درجة، وتجنب فقدان الحرارة وتعزيز مستوى استهلاك الطاقة الإجمالي لمصنع الصلب للاقتراب من معيار الصناعة.
(2) خفض التكاليف وزيادة الكفاءة، وتعزيز القدرة التنافسية الأساسية للمؤسسات
تعد تكلفة الطاقة عنصرا هاما في تكلفة إنتاج شركات الصلب. تعمل المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات على تقليل تكاليف التشغيل للمؤسسات بشكل مباشر عن طريق تقليل استهلاك الوقود والكهرباء المشتراة، مع تقليل الاستثمار في تشغيل المعدات وصيانتها، وتحقيق مكاسب مزدوجة في الكفاءة. بأخذ فرن Qinggang ذو 1800 متر مكعب كمثال، بدعم من المبادل الحراري المخصص لاسترداد الحرارة، يمكن استعادة كمية إضافية من الحرارة كل عام، أي ما يعادل توفير 39.57 مليون متر مكعب قياسي من الغاز. بالإضافة إلى تقليل تسرب الهواء وتوفير الغاز، تصل فوائد توفير الطاقة السنوية-إلى 9.116 مليون يوان. وبعد خصم تكاليف التشغيل، تبلغ فوائد توفير الطاقة الإضافية-حوالي 8.91 مليون يوان؛ ورشة المحولات 120 طن تستخدم مبادل حراري أنبوبي ذو زعانف حلزونية، والذي يمكنه استعادة 12 مليون كيلو كالوري من الحرارة لكل فرن من الفولاذ، أي ما يعادل توفير 1.2 طن من الفحم القياسي. يزداد توليد الطاقة السنوي بمقدار 18 مليون كيلووات ساعة، وتنخفض دورة صيانة المعدات من 4 مرات في السنة إلى مرتين، مما يقلل تكاليف الصيانة بنسبة 40%. بالنسبة لشركات الصلب الكبيرة، يمكن لنظام المبادل الحراري الكامل لاسترداد حرارة الغلاية أن يقلل التكاليف بملايين أو حتى عشرات الملايين من اليوانات سنويًا، مما يعزز بشكل كبير القدرة التنافسية للشركة في السوق.
(3) الحد من الكربون الأخضر، مما يساعد في تحقيق التحول المنخفض للكربون-في الصناعة
وفي إطار هدف "الكربون المزدوج"، تواجه صناعة الصلب متطلبات صارمة لخفض الانبعاثات. يمكن للمبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات أن تقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة مثل الفحم والغاز الطبيعي عن طريق استعادة الحرارة المهدرة بدلاً من حرق الوقود الأحفوري، وبالتالي تقليل انبعاثات الملوثات مثل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين. وفقًا للحسابات، مقابل كل 1 جيجا جول من الحرارة المهدرة المستردة، يمكن تقليل ما يقرب من 80-100 كجم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؛ وبأخذ شركة الصلب كمثال بطاقة إنتاجية تبلغ 5 ملايين طن، فإنه بدعم من المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات، يمكن تخفيض 26000 طن من ثاني أكسيد الكربون، و750 طنًا من ثاني أكسيد الكبريت، و375 طنًا من أكاسيد النيتروجين سنويًا. تستعيد Shiheng Special Steel الحرارة المهدرة من غاز الفحم الخام من خلال المبادل الحراري لغطاء فرن فحم الكوك، مما يحقق فوائد متعددة لتقليل استهلاك طاقة فحم الكوك والتحكم في انبعاثات الملوثات. يقلل مشروع خفض الكربون وتثبيته من إنتاج الفولاذ المقسى من انبعاثات الكربون بمقدار 300000 طن سنويًا وقد تم الاعتراف به على أنه "حالة نموذجية لحياد الكربون" من قبل وزارة البيئة والبيئة؛ بعد نشر العديد من المبادلات الحرارية لاسترداد الحرارة طوال العملية بأكملها، قامت إحدى شركات الصلب الرائدة بتخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 850000 طن سنويًا وخلقت فوائد اقتصادية تزيد عن 230 مليون يوان، مما يوضح بشكل كامل القيمة المنخفضة للكربون للمبادلات الحرارية.
الأنواع الأساسية والميزات التقنية: مناسبة لسيناريوهات الغلايات المتعددة في مصانع الصلب
هناك أنواع مختلفة من الغلايات في مصانع الصلب، مع اختلافات كبيرة في خصائص الحرارة المهدرة - حيث تتراوح درجات الحرارة من 100 درجة مئوية إلى 1050 درجة مئوية، وتركيبات غاز المداخن المعقدة (بما في ذلك الكبريت والكلور والغبار وما إلى ذلك). تعرض المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات المقابلة أيضًا أنواعًا مختلفة، حيث يدور جوهرها حول "الاستخدام المتتالي، والتبادل الحراري الدقيق"، والتكيف مع سيناريوهات الغلايات المختلفة وجودة الحرارة المهدرة، وتحقيق أقصى استفادة من موارد الحرارة المهدرة، وحل نقاط الألم مثل التآكل وتراكم الرماد وتدهور أداء المعدات التقليدية.
(1) أنواع المبادلات الحرارية السائدة والمزايا التكنولوجية
1. التحكم الذكي في درجة الحرارة مبادل حراري مزدوج التسخين: باستخدام الزيت الحراري كوسيط حراري، يتم إنشاء نظام تبادل الحرارة "الهواء/الغاز بالزيت الحراري لغاز المداخن"، ويتكون من مبادل حراري لغاز المداخن، ومبادل حراري للهواء، ومبادل حراري للغاز ونظام تحكم ذكي، مناسب بشكل أساسي لاستعادة الحرارة المهدرة لغاز المداخن ذات درجة الحرارة المنخفضة لموقد الصهر الساخن ومراجل توليد الطاقة بالغاز. وتتمثل ميزتها الأساسية في الحل الأساسي لمشكلة التآكل في نقطة الندى الحمضية ذات درجة الحرارة المنخفضة-، والتخفيف من ظاهرة تراكم الرماد، ويمكن أن يصل عمر خدمة المعدات إلى أكثر من 10 سنوات، وهو ما يتجاوز بكثير عمر الخدمة للمبادلات الحرارية التقليدية للألواح والأنابيب الحرارية بمقدار 3-5 سنوات. في ظل ظروف التشغيل العادية، يمكن استرداد الحرارة المهدرة عند درجة حرارة مدخل غاز المداخن البالغة 280 درجة لتسخين الغاز والهواء إلى درجة حرارة 190 درجة؛ عندما تكون درجة حرارة مدخل غاز المداخن 330 درجة، يمكن زيادة درجة حرارة التسخين المسبق إلى 230 درجة، ويمكن تقليل درجة حرارة العادم إلى أقل من 130 درجة، بحد أدنى 100 درجة.
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 درجة) يستخدم وحدة نقل الحرارة الإشعاعية من نوع الأكمام لنقل الطاقة الحرارية من خلال الخصائص الإشعاعية لغاز المداخن، وتجنب تلف الإجهاد الحراري؛ عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 750 درجة، قم بالتبديل إلى وضع نقل الحرارة بالحمل الحراري، جنبًا إلى جنب مع -ميزة نقل الحرارة العالية الكفاءة للمبادلات الحرارية اللوحية، ويمكن أن يصل معامل نقل الحرارة إلى 3500 واط/(م² · كلفن)، ويتم تقليل أثر المعدات بأكثر من 40% مقارنة بالحلول التقليدية [2]. بعد تجديد الفرن العالي سعة 2000 متر مكعب في أحد مصانع الصلب، زادت كفاءة استرداد الحرارة المحسوس للغاز بنسبة 22%، مما يوفر 12000 طن من الفحم القياسي سنويًا.
3. المبادل الحراري الأنبوبي: أحد أكثر الأنواع استخدامًا، ويتكون القلب من عدة أنابيب معدنية مقاومة للحرارة العالية (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 310S، وسبائك Inconel، وما إلى ذلك). يتدفق غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية خارج حزمة الأنبوب، ويدور الوسط المراد تسخينه داخل الأنبوب، مما يحقق نقل الحرارة من خلال التوصيل الحراري لجدار الأنبوب. يتميز الهيكل بالمتانة، وقادر على تحمل درجات الحرارة العالية والضغط الذي يصل إلى 800-1200 درجة، كما أنه سهل التنظيف والصيانة، ومناسب لبيئات غاز المداخن ذات المحتوى العالي من الغبار، مثل الأفران العالية والمحولات في مصانع الصلب. إن محول 120 طن الخاص بشركة فولاذية يستخدم مبادل حراري أنبوبي ذو زعانف حلزونية، مع مساحة تبادل حراري واحدة تبلغ 3200 متر مربع. الزعانف مصنوعة من مادة سبائك النيكل والكروم مع مقاومة لدرجة الحرارة تصل إلى 850 درجة، ومقاومة التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية بشكل فعال وتقليل درجة حرارة غاز المداخن من 800 درجة إلى 280 درجة. تأثير استعادة الحرارة المهدرة مهم.
4. المبادل الحراري للوحة: باستخدام الألواح المعدنية المموجة كعناصر للتبادل الحراري، يتم تشكيل قنوات ضيقة بين الألواح، ويتدفق غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية- في الاتجاه المعاكس مع الوسط المراد تسخينه. مساحة نقل الحرارة كبيرة وكفاءة عالية، وهي أعلى بنسبة 10% -30% من المبادلات الحرارية الأنبوبية التقليدية. الحجم الصغير مناسب لسيناريوهات المساحة المحدودة. بالنسبة لغاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية التي تصل إلى 650 درجة في فرن تسخين الدرفلة الفولاذية، فإن المبادل الحراري للوحة المقاومة للرماد يعتمد تصميم لوحة خاص ومجهز بنظام تنظيف الرماد الأوتوماتيكي، والذي يمكنه استخدام حرارة غاز المداخن لتسخين هواء الاحتراق ومياه التبريد لمطحنة الدرفلة، مما يقلل من استهلاك الوقود لفرن التسخين بنسبة 10%.
5. المبادلات الحرارية المساعدة: بما في ذلك المقتصدات، وسخانات الهواء، والمبادلات الحرارية لأنابيب الحرارة، وما إلى ذلك، تستخدم بشكل رئيسي لاستعادة الحرارة المهدرة بدرجة الحرارة المتوسطة والمنخفضة (درجة الحرارة<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%.
اتجاهات الصناعة وآفاق التنمية
ومع تعزيز "خطة العمل الخاصة للحفاظ على الطاقة وخفض الكربون في صناعة الصلب" الوطنية، بحلول نهاية عام 2025، سيتم تخفيض استهلاك الطاقة لكل وحدة منتج للأفران العالية والمحولات في صناعة الصلب بأكثر من 1% مقارنة بعام 2023، وسيتم تخفيض استهلاك الطاقة الشامل لكل طن من الفولاذ بأكثر من 2%. إن المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات، باعتبارها المعدات الأساسية للحفاظ على الطاقة وتقليل الكربون، ستفتح مجالًا أوسع للتنمية. استنادًا إلى احتياجات تطوير الصناعة واتجاهات الابتكار التكنولوجي، سيكون هناك ثلاثة اتجاهات تطوير رئيسية للمبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات في المستقبل.
الأول هو ترقية الذكاء التكنولوجي، ودمج التقنيات الجديدة مثل الذكاء الاصطناعي، والتوائم الرقمية، وإنترنت الأشياء لتحقيق مراقبة في الوقت الفعلي{0}، وتنظيم دقيق، والتحذير من الأخطاء لحالة تشغيل المبادلات الحرارية، وزيادة تحسين كفاءة التبادل الحراري وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة؛ وفي الوقت نفسه، يمكن لتطوير المبادلات الحرارية التكيفية ضبط معلمات التشغيل تلقائيًا بناءً على التقلبات في درجة حرارة الحرارة المهدرة ومعدل التدفق، والتكيف مع سيناريوهات الحرارة المهدرة المعقدة في مصانع الصلب.
والثاني هو الابتكار المادي والهيكلي، باستخدام مواد أكثر تقدمًا-من السبائك المقاومة للحرارة والتآكل-، مثل INCONEL 625، والفولاذ المقاوم للصدأ 310S، وما إلى ذلك، لتحسين استقرار المبادل الحراري في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة والتآكل العالي والغبار العالي؛ يمكنك تحسين التصميم الهيكلي للمبادلات الحرارية، وتطوير مبادلات حرارية مدمجة وفعالة، وتقليل البصمة، وتحسين استخدام المساحة، مثل تقليل البصمة للمبادلات الحرارية ذات الغلاف الحراري -عالية بأكثر من 40% مقارنة بالحلول التقليدية.
والثالث هو تطوير تكامل النظام، الذي يجمع بين المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات وأنظمة استرداد الغاز ودورة البخار وتخزين الطاقة لبناء نظام متكامل لإعادة تدوير الطاقة، وتعزيز الاكتفاء الذاتي من الطاقة في المؤسسة-، والتعامل مع تقلبات أسعار الكهرباء ومخاطر إمدادات الطاقة؛ وفي الوقت نفسه، الجمع بين تقنيات الصهر الجديدة مثل تعدين الهيدروجين، وتحسين تصميم المبادلات الحرارية، والتكيف مع هياكل مصادر الحرارة الجديدة، وتعزيز صناعة الصلب للانتقال من "الحفاظ على الطاقة وخفض الكربون" إلى "انبعاثات الكربون الصفرية".
بالإضافة إلى ذلك، مع التحسين المستمر لمعايير الصناعة، مثل تعزيز معايير الصناعة لاستعادة الحرارة المهدرة من غاز الناهض في فرن فحم الكوك، سيكون تطبيق المبادلات الحرارية لاسترداد حرارة الغلايات أكثر توحيدًا وتوحيدًا، مما يعزز المستوى العام لكفاءة الطاقة في الصناعة. وفقًا لقدرة إنتاج الحديد الوطنية البالغة مليار طن، إذا تم تعزيز المبادلات الحرارية المتقدمة لاسترداد حرارة الغلايات بشكل كامل، فيمكن توفير حوالي 4.8 مليار يوان من التكاليف وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 5.2 مليون طن سنويًا، مع فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة.
