Передовые технологии утилизации отходящего тепла

Технологии утилизации отходящего тепла

Отходящее тепло — это энергия, ассоциированная с отходящими потоками воздуха, выхлопных газов и/или продуктов процесса, которые покидают процесс и попадают в атмосферу. Это энергия, генерируемая в различных процессах, которая не используется ни для каких практических целей и теряется или выбрасывается в атмосферу. Это энергия, отвергаемая процессом при температуре, достаточно высокой для восстановления некоторой доли энергии для полезных целей экономически эффективным образом.

В определении отходящего тепла подразумевается, что отходящие потоки, несущие тепло, в конечном счете смешиваются с атмосферным воздухом или грунтовыми водами, и энергия, содержащаяся в этих потоках, становится недоступной как полезная энергия. Поглощение отходящей энергии средой часто называют тепловым загрязнением.

Утилизация отходящего тепла может проводиться через различные технологии утилизации отходящего тепла (УОТ) для предоставления ценных источников энергии и снижения общего энергопотребления. Существует несколько технологий УОТ, которые доступны и могут использоваться для захвата и восстановления отходящего тепла.

Значительное количество энергии, используемой в промышленных процессах, теряется в виде тепла в форме выхлопных газов, воздушных потоков и жидкостей/твердых тел, покидающих процесс. Технически и экономически нецелесообразно утилизировать все отходящее тепло. Увеличенное использование технологий УОТ также служит смягчению выбросов парниковых газов (ПГ).

Технологии УОТ состоят в захвате и передаче отходящего тепла от процесса с газом, жидкостью или твердым телом обратно в систему как дополнительного источника энергии. Источник энергии может использоваться для создания дополнительного тепла или генерации электрической и механической мощности. Отходящее тепло может быть отвергнуто при любой температуре. Обычно чем выше температура отходящего тепла, тем выше качество отходящего тепла и тем легче оптимизация процесса УОТ. Следовательно, важно обнаружить максимальное количество восстанавливаемого тепла наивысшего потенциала от процесса и обеспечить достижение максимальной эффективности от системы УОТ.

Источники отходящего тепла обычно включают потери тепла, переданного через теплопроводность, конвекцию и излучение от продуктов, оборудования и процессов, а также тепло, выделяемое при процессах горения. Потери тепла можно классифицировать на: (i) высокотемпературное тепло; (ii) среднетемпературное тепло; (iii) низкотемпературное тепло. Технологии УОТ доступны для каждого типа отходящего тепла для достижения наиболее оптимальной эффективности УОТ.

Высокотемпературная УОТ состоит в восстановлении отходящего тепла при температурах выше 400 °C, диапазон среднетемпературного отходящего тепла — 100–400 °C, а низкотемпературное отходящее тепло — для температур ниже 100 °C. Обычно большинство отходящего тепла в высокотемпературном диапазоне поступает от процессов прямого горения, в среднетемпературном диапазоне — от выхлопа горелочных установок, а в низкотемпературном диапазоне — от деталей, продуктов и оборудования процессных установок.

В зависимости от типа и источника отходящего тепла и для обоснования того, какая система утилизации отходящего тепла может быть использована, необходимо изучить количество и класс восстанавливаемого тепла от процесса. Существует три важных параметра, используемых в количественной оценке отходящего тепла: (i) количество; (ii) качество; (iii) временная доступность.

Количество или объем доступного отходящего тепла можно рассчитать по уравнению Q = V × d × Cp × (T₁ – T₂). Здесь Q — тепловое содержание, V — расход вещества, переносящего тепло, d — плотность вещества, Cp — удельная теплоемкость вещества, а (T₁ – T₂) — разница температур вещества между конечной самой высокой температурой на выходе (T₂) и начальной температурой на входе (T₁) системы. Количество доступного отходящего тепла также можно выразить через энтальпийный поток отходящего потока и задается уравнением H = m × h, где H — полная энтальпийная скорость отходящего потока, m — массовый расход отходящего потока, h — удельная энтальпия отходящего потока.

Качество можно примерно выразить через температуру отходящего потока. Чем выше температура, тем больше отходящего тепла доступно для восстановления. УОТ из источников более низкой температуры, таких как охлаждающая вода от машин и конденсаторов, обычно несколько более сложна и типично включает использование тепловых насосов для повышения температуры до подходящей для восстановления.

Временная доступность — мера доступности отходящего тепла в моменты, когда оно необходимо. Соответствие доступности отходящего тепла конечной нагрузке — важное соображение в эффективности УОТ. Следовательно, полезность отходящего тепла зависит не только от доступного количества, но и от того, соответствует ли его качество требованиям потенциальной нагрузки и доступно ли оно в моменты, когда оно требуется (временная доступность).

Экономически эффективная УОТ и повторное использование включают идентификацию источников отходящего тепла достаточного качества, количества и временной доступности, и тепловых нагрузок, которые могут повторно использовать восстановленное отходящее тепло. Существует несколько процессов в низко- и среднетемпературном диапазонах, которые могут повторно использовать отходящее тепло. Эти процессы используются в разных отраслях. Например, определенные ректификационные операции идеальны для систем тепловых насосов открытого цикла, которые механически рекомпрессируют «верхние» пары ректификации, которые затем позволяют конденсироваться в перекипятителе, где они испаряют «дно» продукта в ректификационной колонне. Эти применения обычно включают небольшие температурные разницы и часто более экономически эффективны, чем использование сжигания топлива для нагрева перекипятителя и охлаждающей башни для отвержения тепла в дистилляте.

Оценка реализуемости УОТ требует характеристики источника отходящего тепла и потока, которому тепло будет передано. Важные параметры потока отходящего тепла, которые должны быть определены, включают: (i) количество тепла; (ii) температуру/качество тепла; (iii) состав; (iv) минимально допустимую температуру; (v) графики работы, доступность и другие логистические аспекты. Эти параметры позволяют анализировать качество и количество потока и также дают понимание возможных материаловых/конструктивных ограничений. Например, коррозия теплообменных сред является серьезной проблемой в УОТ, даже когда качество и количество потока приемлемы.

Варианты и технологии УОТ

Подходы к УОТ включают: (i) передачу тепла между газами и/или жидкостями; (ii) передачу тепла на загрузку, входящую в печи; (iii) генерацию механической и/или электрической мощности; (iv) использование отходящего тепла с тепловым насосом для отопления или охлаждения сооружений. Терминология для технологий УОТ часто варьируется среди разных отраслей. Основные технологии УОТ описаны ниже.

Теплообменники

Теплообменники обычно используются для передачи тепла от выхлопных газов горения к горению входу в печь. Поскольку предварительно нагретый воздух для горения входит в печь при более высокой температуре, меньше энергии должно поставляться топливом. Общие технологии, используемые для предварительного нагрева воздуха, включают рекуператоры, регенераторы печей, регенераторы горелок, ротационные регенераторы и пассивные предварительные нагреватели воздуха.

Рекуператор

Рекуператоры восстанавливают отходящее тепло выхлопных газов в применениях средних и высоких температур. Рекуператоры могут быть основаны на излучении, конвекции или их комбинациях.

Простой радиационный рекуператор состоит из двух концентрических участков воздуховода. Горячие отходящие газы проходят через внутренний канал, и теплопередача в основном излучается на стенку и на холодный входящий воздух во внешней оболочке. Предварительно нагретый воздух оболочки затем направляется к горелкам печи. Конвективный или трубчатый рекуператор (теплообменник) пропускает горячие газы через трубки относительно малого диаметра, содержащиеся в более крупной оболочке. Входящий воздух для горения входит в оболочку и баффлируется вокруг трубок, забирая тепло от отходящего газа. Другая альтернатива — комбинированный радиационно-конвективный рекуператор. Система включает радиационный участок, за которым следует конвективный участок для максимизации эффективности теплопередачи.

Рекуператоры изготавливаются либо из металлических, либо из керамических материалов. Металлические рекуператоры используются в применениях с температурами ниже 1100 °C, в то время как восстановление тепла при более высоких температурах лучше подходит керамическим трубчатым рекуператорам. Они могут работать с температурами горячей стороны до 1550 °C и температурами холодной стороны около 1000 °C.

Регенератор

Регенераторы бывают двух типов: (i) регенераторы печей; (ii) ротационные регенераторы или тепловые колеса. В случае регенератора печи, регенеративные печи состоят из двух камер шахматной кладки, через которые горячие и холодные потоки воздуха чередуются. По мере прохождения продуктов горения через одну камеру кирпичи поглощают тепло от газа горения, и происходит повышение температуры. Поток воздуха затем регулируется так, что входящий воздух для горения проходит через горячую шахматную кладку, которая передает тепло воздуху горения, входящему в печь. Используются две камеры, так что пока одна поглощает тепло от выхлопных газов, другая передает тепло воздуху горения. Направление потока воздуха меняется через интервал времени. Регенераторы чаще всего используются с коксовыми печами и исторически использовались с печами открытого hogarа, использовавшимися ранее для сталеплавиления. Регенераторы также используются для предварительного нагрева горячего дутья, подаваемого в доменные печи, используемые в железаполучении. Однако регенераторы в доменных печах не являются применением восстановления тепла, а просто средством, с помощью которого тепло, выделяемое при горении газа, передается горячему дутьевому воздуху. Системы регенераторов особенно подходят для применений высоких температур с грязными выхлопными газами. Один главный недостаток регенераторов печей — большой размер и высокие капитальные затраты.

В случае ротационных регенераторов они работают аналогично стационарным регенераторам в том, что теплопередача облегчается за счет накопления тепла в пористой среде и чередования потока горячих и холодных газов через регенератор. Ротационные регенераторы также иногда называют предварительными нагревателями воздуха и тепловыми колесами. Они используют вращающийся пористый диск, помещенный между двумя параллельными трубами, одна из которых содержит горячий отходящий газ, другая — холодный газ. Диск, составленный из материала высокой теплоемкости, вращается между двумя трубами и передает тепло от трубы с горячим газом к трубе с холодным газом. Тепловые колеса обычно ограничены низкими и средними температурными применениями из-за термических напряжений, создаваемых высокими температурами. Большие температурные разницы между двумя трубами могут привести к дифференциальному расширению и большим деформациям, компрометируя целостность герметиков воздушного колеса. В некоторых случаях керамические колеса могут использоваться для применений более высоких температур. Другая проблема с тепловыми колесами — предотвращение перекрестного загрязнения между двумя газовыми потоками, так как загрязнители могут переноситься в пористом материале колеса.

Одним преимуществом теплового колеса является то, что оно может быть спроектировано для восстановления влаги вместе с теплом из чистых газовых потоков. Когда спроектирован с гигроскопическими материалами, влага может передаваться из одной трубы в другую. Это делает тепловые колеса особенно полезными в применениях кондиционирования воздуха, где входящий горячий влажный воздух передает тепло и влагу холодному выходящему воздуху. Помимо основного применения в системах отопления и кондиционирования воздуха, тепловые колеса также используются ограниченно в среднетемпературных применениях.

Пассивные предварительные нагреватели воздуха

Пассивные предварительные нагреватели воздуха — это газ-газ тепловозвращательное оборудование для низких и средних температур, где перекрестное загрязнение между двумя газовыми потоками должно быть предотвращено. Пассивные предварительные нагреватели могут быть двух типов: (i) пластинчатый тип; (ii) тепловая труба.

Пластинчатый теплообменник состоит из множества параллельных пластин, создающих отдельные каналы для горячих и холодных газовых потоков. Горячие и холодные потоки чередуются между пластинами и позволяют значительные площади для теплопередачи. Эти системы менее восприимчивы к загрязнению по сравнению с тепловыми колесами, но они часто более громоздкие, более дорогие и более восприимчивы к проблемам загрязнения.

Теплообменник тепловой трубы состоит из нескольких труб с запечатанными концами. Каждая труба содержит капиллярную фитилевую структуру, которая облегчает движение рабочей жидкости между горячим и холодным концами трубы. В этом теплообменнике горячие газы проходят над одним концом тепловой трубы, вызывая испарение рабочей жидкости внутри трубы. Давления градиенты вдоль трубы заставляют горячий пар двигаться к другому концу трубы, где пар конденсируется и передает тепло холодному газу. Конденсат затем циклически возвращается к горячему концу трубы капиллярным действием.

Регенеративные/рекуперативные горелки

Эти горелки включают регенеративные или рекуперативные системы. Они проще и компактнее в проектировании и строительстве, чем автономные регенеративные печи или рекуператоры. Эти системы обеспечивают повышенную энергетическую эффективность по сравнению с горелками, работающими с атмосферным воздухом. Саморекуперативная горелка включает теплообменные поверхности как часть конструкции корпуса горелки для захвата энергии от уходящих дымовых газов, которые проходят обратно через корпус. Саморегенеративные горелки пропускают выхлопные газы через корпус горелки в корпус рефрактерной среды и работают парами аналогично регенеративной печи. Обычно рекуперативные горелочные системы имеют меньшую площадь теплообмена, а регенеративные горелочные системы — меньшую массу, чем автономные установки. Следовательно, их восстановление энергии ниже, но их более низкие затраты и простота модернизации делают их привлекательным вариантом для восстановления энергии.

Оребренные трубчатые теплообменники/экономайзеры

Оребренные трубчатые теплообменники используются для восстановления тепла от низко- и среднетемпературных выхлопных газов для нагрева жидкостей. Оребренная труба состоит из круглой трубы с прикрепленными ребрами, которые максимизируют площадь поверхности и скорости теплопередачи. Жидкость течет через трубы и получает тепло от горячих газов, текущих через трубы. Оребренный трубчатый теплообменник, где котловой выхлопной газ используется для предварительного нагрева кормовой воды, обычно называется котловым «экономайзером».

Котел отходящего тепла

Котел отходящего тепла (КОТ) — это водотрубчатый котел, который использует средне- и высокотемпературные выхлопные газы для генерации пара. КОТ доступны в различных мощностях, позволяя газопотоки от 1500 м³/ч до 1,5 млн м³/ч. В случаях, когда отходящее тепло недостаточно для производства желаемых уровней пара, вспомогательные горелки или постгорелка обычно добавляются для достижения более высокого парового выхода. Пар может использоваться для процессного нагрева или для генерации электроэнергии. Генерация перегретого пара обычно требует добавки внешнего перегревателя к системе.

Предварительный нагрев загрузки

Предварительный нагрев загрузки относится к любым усилиям по использованию отходящего тепла, покидающего систему, для предварительного нагрева загрузки, входящей в систему. Наиболее распространенный пример — предварительный нагрев кормовой воды котла, где экономайзер передает тепло от горячих выхлопных газов горения воде, входящей в котел. Другие применения используют прямую теплопередачу между выхлопными газами горения и твердыми материалами, входящими в печь.

Хотя предварительный нагрев кормовой воды котла является стандартной практикой, предварительный нагрев материала перед плавлением в системах прямого нагрева не так широко используется. Это обусловлено рядом причин, включая трудности в контроле качества продукта, проблемы, связанные с экологическими выбросами, и повышенную сложность и стоимость строительства передовых систем загрузки печей/восстановления тепла. Тем не менее, восстановление тепла через предварительный нагрев загрузки получило повышенное внимание в последние годы. Доступные технологии и барьеры для разных печей предварительного нагрева загрузки существенно варьируются в зависимости от типа печи и загрузки.

Варианты и технологии восстановления низкотемпературной энергии

Хотя экономика часто ограничивает осуществимость низкотемпературной УОТ, есть несколько применений, где низкопотенциальное отходящее тепло было экономически эффективно восстановлено для использования. Большие количества отходящего тепла доступны в диапазоне 40–200 °C, и присущие вызовы его восстановления и использования требуют отдельного и глубокого исследования низкотемпературной УОТ.

Большая часть промышленного отходящего тепла находится в низкотемпературном диапазоне. Например, системы горения, такие как котлы, часто используют технологии восстановления, которые выбрасывают газы при около 150–180 °C. Также большие количества отходящего тепла можно найти в промышленной охлаждающей воде и охлаждающем воздухе. Например, охлаждение только воздуховых компрессоров составляет значительное количество отходящего тепла в год. Один интегрированный металлургический завод (ИМЗ) в Японии успешно установил электростанцию мощностью 3,5 МВт, используя охлаждающую воду всего при 98 °C.

В случае выхлопных газов горения значительное тепло может быть восстановлено, если водяной пар, содержащийся в газах, охлаждается до более низких температур. Минимальные пределы температуры около 120–150 °C часто используются для предотвращения конденсации воды в выхлопных газах и оседания коррозионных веществ на поверхности теплообменника. Однако дополнительное охлаждение дымовых газов может значительно увеличить восстановление тепла, позволяя восстановить латентное тепло испарения. Латентное тепло составляет значительную часть энергии, содержащейся в выхлопных газах. Технологии, которые могут минимизировать химическую атаку при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы, могут достичь существенного увеличения энергетической эффективности за счет восстановления латентного тепла испарения. Рис. 1 показывает восстановление энергии при разных температурах выхода газов. Если газы охлаждаются от 150 °C до 60 °C, то происходит 3% увеличение эффективности. Дальнейшее охлаждение газов до 38 °C захватывает часть латентного тепла и может обеспечить 11% увеличение эффективности.

Существует три проблемы, с которыми сталкивается низкотемпературное восстановление тепла:

• Коррозия поверхности теплообменника. По мере охлаждения водяного пара, содержащегося в выхлопном газе, часть его конденсируется и оседает в виде коррозионных твердых тел и жидкостей на поверхности теплообменника. Теплообменник должен быть спроектирован для выдерживания воздействия этих коррозионных осадков. Это обычно требует использования передовых материалов или частой замены компонентов теплообменника, что часто неэкономично.
• Необходимость больших теплообменных поверхностей. Скорости теплопередачи являются функцией теплопроводности материала теплообмена, температурной разницы между двумя потоками жидкостей и площади поверхности теплообменника. Поскольку низкотемпературное отходящее тепло включает меньший температурный градиент между двумя потоками жидкостей, большие площади поверхности необходимы для теплопередачи. Это ограничивает экономику теплообменников.
• Необходимость потребности в низкотемпературном тепле. Восстановление тепла в низкотемпературном диапазоне имеет смысл только если на заводе есть потребность в низкотемпературном тепла. Потенциальное конечное использование — низкотемпературный процессный нагрев. Другие варианты включают использование теплового насоса для «повышения» тепла до более высокой температуры для обслуживания нагрузки, требующей более высоких температур. Также технологии низкотемпературной генерации электроэнергии медленно появляются.

Технологии низкотемпературного теплообмена

Доступны технологии низкотемпературного теплообмена, которые могут охлаждать газы ниже точек росы для восстановления низкотемпературного отходящего тепла. Технологические варианты включают глубокие экономайзеры, восстановление конденсации непрямого контакта, восстановление конденсации прямого контакта и недавно разработанные мембранные конденсаторы переноса. Коммерциализация этих технологий ограничена из-за высоких затрат и потому, что объекты не имеют конечного использования для восстановленного тепла. Когда объекты не имеют конечного использования для отходящего тепла, используются другие средства восстановления, включающие тепловые насосы и низкотемпературную генерацию электроэнергии. Эти технологии также часто ограничены экономическими ограничениями.

Глубокие экономайзеры

Глубокие экономайзеры спроектированы для охлаждения выхлопного газа до около 70 °C и выдерживания кислотного конденсата, оседающего на их поверхности. Проект экономайзеров может иметь разные альтернативы. Может иметь установку «одноразового» участка на холодном конце экономайзера. Трубки на холодном конце деградируют со временем и должны заменяться очень часто. Частота замен зависит от состава дымовых газов и материала конструкции. Одна из альтернатив — проектирование экономайзера с нержавеющими трубками. Нержавеющая сталь лучше выдерживает кислотные газы, чем низкоуглеродистая сталь, обычно используемая в строительстве. В другом проекте используется углеродистая сталь для большей части теплообменника, но нержавеющие трубки на холодном конце, где происходят кислотные осадки. Использование стеклянных трубчатых теплообменников (в основном для газ-газ применений, таких как предварительные нагреватели воздуха) или передовых материалов, таких как тефлон, могут быть другими альтернативами.

Восстановление конденсации непрямого контакта

Установки восстановления конденсации непрямого контакта охлаждают газы до около 40 °C. В этом диапазоне водяной пар в газах конденсируется почти полностью. Непрямые контактные теплообменники состоят из оболочечно-трубчатых теплообменников. Они могут быть спроектированы с нержавеющей сталью, стеклом, тефлоном или другими передовыми материалами.

Восстановление конденсации прямого контакта

Восстановление конденсации прямого контакта включает прямое смешивание процессного потока и охлаждающей жидкости. Поскольку этот тип восстановления не включает разделяющую стенку, через которую должно передаваться тепло, он избегает некоторых проблем больших теплообменных поверхностей, необходимых для установок восстановления непрямого контакта. В этом типе восстановления, по мере входа дымовых газов в теплообменник, они охлаждаются холодной водой, вводимой вверху блока. Нагретый водяной поток выходит через дно теплообменника и передает тепло внешней системе. Проблемой прямого контактного восстановления конденсации является то, что вода может быть загрязнена веществами в дымовых газах.

Мембранный конденсатор переноса

Мембранный конденсатор переноса (МКП) — это развивающаяся технология для захвата воды (вместе с латентным теплом воды) из водяного пара в газовых выхлопных потоках. Вода извлекается из дымовых газов при температурах выше точки росы за счет капиллярной конденсации и рециклируется в кормовую воду котла. Как и в восстановлении тепла прямого контакта, МКП извлекает горячую воду непосредственно из дымовых газов. Однако, поскольку МКП восстанавливает воду переносом через мембрану, восстановленная вода не загрязняется, как в восстановлении прямого контакта. Технология продемонстрирована для чистых выхлопных потоков в газовом котле. Однако МКП требует дальнейшей разработки в передовых материалах перед широким внедрением для более грязных отходящих потоков.

Тепловой насос или повышение низкотемпературного отходящего тепла

Теплообменные технологии, упомянутые выше, включают поток энергии «в гору» от высокой температуры к низкотемпературному конечному использованию. Это может накладывать ограничения на возможности восстановления тепла, когда температура отходящего тепла ниже температуры, необходимой для данной тепловой нагрузки. Например, отходящее тепло может быть доступно в виде горячей воды около 35 °C, в то время как нужна горячая вода около 85 °C. В таком случае тепловой насос может предоставить возможности для «повышения» тепла до желаемой температуры конечного использования. Тепловые насосы используют внешние энергетические вводы для привода цикла, который поглощает энергию от низкотемпературного источника и отвергает её при более высокой температуре. В зависимости от проектирования тепловые насосы могут выполнять две функции. Они могут либо повышать отходящее тепло до более высокой температуры, либо использовать отходящее тепло как энергетический вход для привода абсорбционной охлаждающей системы. Тепловые насосы наиболее применимы к низкотемпературным продуктовым потокам, встречающимся в процессных отраслях.

Повышение тепла может быть экономичным в некоторых случаях в зависимости от требуемого температурного подъема и относительных стоимостей топлива и электроэнергии. Если объект имеет тепловую нагрузку при слегка более высокой температуре, чем источник отходящего тепла, тепло иногда может быть предоставлено более эффективно тепловым насосом, чем если бы оно получалось от сжигания дополнительного топлива. Коэффициент производительности (КПД) — мера производительности теплового насоса, определяемая из теплового выхода и работы входа и задаваемая уравнением КПД = Q/W, где Q — полезный тепловой выход от теплового насоса, W — работа входа.

Важным соображением при определении реализуемости тепловых насосов является температура отходящего тепла и желаемый подъем температуры. Тип используемого цикла и выбранный тип рабочей жидкости влияют на температуры, при которых тепловой насос может принимать или отвергать тепло, а также определяют максимальный достижимый подъем температуры. Эффективность теплового насоса снижается по мере увеличения желаемого подъема температуры.

Замкнутый компрессионный цикл

В замкнутом компрессионном цикле тепловой насос используется для снижения температуры охлаждающей воды, используя извлеченное тепло для повышения температуры процессной воды, используемой в другом месте на заводе. Тепловой насос состоит из испарителя, компрессора, конденсатора и расширительного клапана. В испарителе энергия передается от источника отходящего тепла к холодильному агенту. Затем холодильный агент входит в компрессор, где его температура повышается. Перегретый холодильный агент затем входит в конденсатор и передает тепло тепловому стоку. Наконец, холодильный агент дросселируется в расширительном клапане перед возвратом в испаритель.

Открытый цикл парорекомпрессии

Открытый цикл парорекомпрессии использует компрессию для увеличения давления (а следовательно, температуры) отходящего пара. Механическая парорекомпрессия использует механический компрессор, в то время как термическая парорекомпрессия использует паровой эжектор и, следовательно, приводится в действие теплом, а не механически.

Абсорбционные тепловые насосы

Абсорбционные тепловые насосы очень похожи на замкнутый компрессионный цикл, за исключением того, что компрессор заменяется более сложным, тепловым абсорбционным механизмом. В зависимости от потребностей завода система может быть сконфигурирована множеством способов. В одном типе тепловой насос может использовать низкотемпературный и высокотемпературный тепловые входы для отвержения тепла на промежуточном уровне (например, повышения низкотемпературного тепла). В другом типе тепловой насос может использовать среднетемпературный вход для отвержения тепла в один низкотемпературный поток и один высокотемпературный поток. Это второе применение может использоваться для кондиционирования воздуха и/или рефрижерации.

Генерация электроэнергии

Генерация электроэнергии из отходящего тепла обычно включает использование отходящего тепла от котлов для создания механической энергии, которая затем приводяет электрический генератор. Эти силовые циклы хорошо разработаны. Однако разрабатываются новые технологии, которые могут генерировать электричество непосредственно от тепла, такие как термоэлектрическая и пьезоэлектрическая генерация. При рассмотрении технологий генерации электроэнергии для УОТ важный фактор, который нужно иметь в виду — термодинамические ограничения на генерацию электроэнергии при разных температурах. Эффективность генерации электроэнергии сильно зависит от температуры источника отходящего тепла. В общем, генерация электроэнергии от отходящего тепла была ограничена только средне- и высокотемпературными источниками отходящего тепла. Однако достижения в альтернативных силовых циклах могут повысить осуществимость генерации при низких температурах. Хотя максимальная эффективность при этих температурах ниже, эти схемы все равно могут быть экономичными в восстановлении больших количеств энергии от отходящего тепла.

Три метода генерации электроэнергии с использованием механической энергии описаны ниже.

Паровой цикл Ранкина

Наиболее часто используемая система для генерации электроэнергии от отходящего тепла включает использование тепла для генерации пара, который затем приводит паровую турбину. Традиционный паровой цикл Ранкина — наиболее эффективный вариант для восстановления отходящего тепла из выхлопных потоков с температурами выше 340 °C. При более низких температурах отходящего тепла паровые циклы становятся менее экономически эффективными, так как низкое давление пара требует более крупного оборудования. Более того, низкотемпературное отходящее тепло не может обеспечить достаточную энергию для перегрева пара, что является требованием для предотвращения конденсации пара и эрозии лопаток турбины. Следовательно, низкотемпературные применения восстановления тепла лучше подходят для органического цикла Ранкина или цикла Калина, которые используют жидкости с более низкими температурами кипения по сравнению с паром.

Органический цикл Ранкина

Органический цикл Ранкина (ОЦР) работает аналогично паровому циклу Ранкина, но использует органическую рабочую жидкость вместо пара. Альтернативы включают силиконовое масло, пропан, галогенсульфоны (например, фреоны), изопентан, изобутан, п-ксилен и толуол, которые имеют более низкую температуру кипения и более высокое паровое давление, чем вода. Это позволяет ОЦР работать с значительно более низкими температурами отходящего тепла. Наиболее подходящий температурный диапазон зависит от используемой жидкости, так как термодинамические свойства жидкостей влияют на эффективность цикла при различных температурах. В сравнении с водяным паром жидкости имеют более высокую молекулярную массу, позволяя компактные конструкции, более высокий массовый расход и более высокую эффективность турбин. Однако, поскольку ОЦР функционирует при более низких температурах, общая эффективность низка и зависит от температуры конденсатора и испарителя. Хотя эффективность ниже, чем у высокотемпературной паровой электростанции, важно помнить, что низкотемпературные циклы по своей природе менее эффективны, чем высокотемпературные циклы. Пределы эффективности могут быть выражены согласно эффективности Карно, которая является максимально возможной эффективностью для тепловой машины, работающей между двумя температурами. Двигатель Карно, работающий с источником тепла при 150 °C и отвергающим его при 25 °C, эффективен только примерно на 30%. В этом свете низкая эффективность в диапазоне 10–20% в случае ОЦР составляет существенный процент теоретической эффективности, особенно в сравнении с другими низкотемпературными альтернативами, такими как пьезоэлектрическая генерация, которая эффективна только на 1%.

Хотя экономика ОЦР восстановления тепла должна быть тщательно проанализирована для любого данного применения, это полезная альтернатива в тех отраслях, которые не имеют внутреннего использования для дополнительного процессного тепла или нет соседних заводов, которые могут экономически использовать тепло.

Цикл Калина

Цикл Калина — вариация цикла Ранкина, использующая смесь аммиака и воды как рабочую жидкость. Ключевое различие между однофазными циклами и циклами, использующими бинарные жидкости — температурный профиль во время кипения и конденсации. Для однофазных циклов температура остается постоянной во время кипения. По мере передачи тепла рабочей среде (воде), температура воды медленно повышается до температуры кипения, в которой точка температура остается постоянной, пока вся вода не испарится. В отличие от этого, бинарная смесь воды и аммиака (каждая из которых имеет разную температуру кипения) повышает свою температуру во время испарения. Это позволяет лучшее тепловое соответствие с источником отходящего тепла и с охлаждающей средой в конденсаторе. Следовательно, эти системы достигают значительно большей энергетической эффективности. Цикл был изобретен в 1980-х годах.

Технологии прямого электрического преобразования

В то время как традиционные силовые циклы включают использование тепла для создания механической энергии и в конечном счете электрической энергии, новые технологии разрабатываются, которые могут генерировать электричество непосредственно от тепла. К ним относятся термоэлектрические, термоионные и пьезоэлектрические технологии. Однако эти технологии находятся на стадии разработки. Несколько прошли прототипное тестирование в применениях, таких как восстановление тепла в автомобилях.

Термоэлектрическая генерация

Термоэлектрические (ТЭ) материалы — полупроводниковые твердые тела, позволяющие прямое генерирование электричества при воздействии температурной разницы. Эта технология основана на явлении, известном как эффект Зеебека, который гласит, что когда два разных полупроводниковых материала подвергаются источнику тепла и тепловому стоку, напряжение создается между двумя полупроводниками. И наоборот, ТЭ материалы также могут использоваться для охлаждения или нагрева путем приложения электричества к непохожим полупроводникам. Термоэлектрическая технология существует давно (термоэлектрический эффект был впервые открыт в 1821 году), но имеет ограниченное применение из-за низких эффективностей и высокой стоимости. Большинство систем ТЭ генерации в использовании имеют эффективности в диапазоне 2–5%. Они в основном использовались для питания приборов на космических аппаратах или в очень удаленных местах. Однако недавние достижения в нанотехнологиях позволили передовые ТЭ материалы, которые могут достигать коэффициентов преобразования 15% или выше.

В недавнем исследовании сделан вывод, что передовые ТЭ модули подходят для средне- и высокотемпературных, высокоскоростных выхлопных потоков, где объекты имеют малое использование для восстановленного отходящего тепла. Однако в этой области требуется больше разработки. Низкозатратные, крупносерийные методы производства ТЭ материалов должны быть разработаны для достижения этой цели. Также поддержание высокой температурной разницы через тонкие ТЭ устройства представляет значительную инженерную задачу. Получение высоких скоростей теплопередачи требует достижений в теплопередающих материалах и теплообменных системах с высокими коэффициентами теплопередачи.

Пьезоэлектрическая генерация электроэнергии

Пьезоэлектрическая генерация электроэнергии (ПГЭ) — вариант для преобразования низкотемпературного отходящего тепла в диапазоне 100–150 °C в электрическую энергию. Пьезоэлектрическая технология преобразует механическую энергию в форме окружающих вибраций в электрическую энергию. Тонкопленочная пьезоэлектрическая мембрана может использовать осцилляторное расширение газа для создания выходного напряжения. Однако существует несколько технических проблем, связанных с технологиями ПГЭ. К ним относятся: (i) низкая эффективность (только около 1%); (ii) трудности в получении достаточно высоких осцилляторных частот (текущие устройства работают около 100 Гц, а необходимые частоты близки к 1000 Гц); (iii) высокое внутреннее сопротивление; (iv) сложная осцилляторная гидродинамика внутри жидкости/пара камеры; (v) необходимость долгосрочной надежности и долговечности; (vi) высокая стоимость.

Хотя коэффициент преобразования технологии ПГЭ в настоящее время очень низок (1%), существуют перспективы использования каскадирования ПГЭ, в котором случае эффективности могут достигать около 10%. Другие ключевые вопросы — стоимость производства пьезоэлектрических устройств, а также проектирование теплообменников для обеспечения достаточных скоростей теплопередачи через относительно небольшую температурную разницу.

Термоионная генерация

Термоионные устройства работают аналогично термоэлектрическим устройствам. Однако, тогда как термоэлектрические устройства работают согласно эффекту Зеебека, термоионные устройства работают через термоионное излучение. В этих системах температурная разница движет поток электронов через вакуум от металла к поверхности металлического оксида. Один ключевой недостаток этой технологии — она ограничена применениями с высокими температурами выше 1000 °C. Однако некоторая разработка позволила их использование в диапазоне около 100–300 °C.

Термофотоэлектрический генератор

Термофотоэлектрические генераторы могут использоваться для преобразования излучательной энергии в электричество. Эта технология включает источник тепла, излучатель, радиационный фильтр и фотоэлектрическую (ФЭ) ячейку (как те, что используются в солнечных панелях). По мере нагрева излучателя он излучает электромагнитное излучение. ФЭ ячейка преобразует это излучение в электрическую энергию. Фильтр используется для пропускания излучения на длинах волн, соответствующих ФЭ ячейке, в то время как оставшаяся энергия отражается обратно к излучателю. Эта технология потенциально может дать новые методы для УОТ. Небольшое количество прототипных систем построено для мелких горелочных применений и в газовой турбине вертолета.

УОТ и черная металлургия

Черная металлургия использует несколько высокотемпературных печей для кокса, синтера, чугуна и стального производства и отвечает за высокое энергопотребление. В то время как восстановление из чистых газовых потоков в отрасли является обычным, сильно загрязненные выхлопные газы от коксовой печи, доменной печи (ДП), конвертера основного ковша (КОК) и электродуговой печи (ЭДП) продолжают представлять вызов для экономической УОТ. Техники восстановления тепла от этих грязных газовых потоков доступны, однако внедрение ограничено из-за высоких капитальных инвестиционных затрат.

Металлургическая отрасль достигла наибольшего прогресса в снижении своей энергоемкости. Такой прогресс достигнут непрерывным литьем и оптимизацией работы ДП, а также через переработку стали и замену ископаемого топлива рециклируемыми побочными газами (коксового газа, доменного газа и конвертерного газа). In-situ утилизация отходящего тепла была внедрена везде, где это возможно, например, путем рециркуляции горячих дымовых газов внутри печи, где они были созданы, для снижения внешнего энергопотребления, или использованием горячих дымовых газов для предварительного нагрева воздуха горения или газа топлива. Такие улучшения энергоэффективности все еще оставляют остаточные возможности утилизации отходящего тепла, например, для производства пара для других частей процесса или для производства электроэнергии.

УОТ в случае сталелитейных заводов описана ниже.

Производство кокса

Производство кокса — важный шихтовый материал для работы ДП. Кокс производится в коксовых печах, где уголь нагревается в кислородно-ограниченной атмосфере. Существует два метода производства кокса: (i) побочный процесс; (ii) процесс без восстановления. В побочном процессе химические побочные продукты (сырой смола, аммиак и легкие масла) в коксовом газе восстанавливаются, в то время как оставшийся коксовый газ (КГ) очищается и рециклируется в пределах металлургического завода. В процессе без восстановления весь КГ сжигается в процессе. Наиболее распространенным типом процесса остается побочный процесс, который обсуждается ниже.

Побочный коксовый процесс имеет две области чувствительных потерь тепла: (i) КГ, который охлаждается в процессе газоочистки; (ii) отходящий газ, покидающий коксовую печь. Коксовый процесс использует несколько камер коксовых печей, разделенных нагревательными каналами. Рециклируемый КГ и иногда другие газы, такие как доменный газ, используются как источник топлива в нагревательном канале и поставляют тепло в камеру печи, где происходит коксование угля. По мере коксования угля в камере печи газ и влага (составляющие около 8–11% загруженного угля) выгоняются и уходят через трубы. КГ имеет высокое тепловое содержание в диапазоне около 4000–4400 ккал/м³ и поэтому может быть рециклирован для использования как топливо после прохождения процесса очистки.

Температура сырого КГ на выходе печи варьируется от 650 до 1000 °C. В этот момент КГ газ является источником чувствительного тепла. Однако тепло универсально теряется из-за большого количества смолы и других материалов, которые могут вызывать накопление на поверхностях теплообменников. При выходе из печи КГ охлаждается распылением аммиачной воды, за которым следуют первичные охладители. Различные технологии затем используются для удаления смолы, сернистых соединений, аммиака и легких масел. После очистки КГ используется как топливо по всему металлургическому заводу. В этом соглашении восстанавливается только химическая энергия КГ при рециклировании, в то время как чувствительное тепло теряется.

Хотя большинство металлургических заводов не используют восстановление тепла от КГ, ограниченный уровень восстановления тепла от КГ возможен, как показывает успех этой практики в Японии. Коксовые объекты в Японии успешно применили восстановление тепла через использование низкодавленного теплоносителя. В общем, минимально допустимая температура для КГ в теплообменнике составляет около 450 °C. При более низких температурах смола конденсируется и приводит к образованию сажи на поверхности теплообменника. Охлаждение до 450 °C позволяет восстановить только около одной трети чувствительного тепла. Однако маловероятно, что ИМЗ в других странах будут преследовать новые технологии для восстановления тепла из сырого коксового газа. Это так, как ИМЗ сталкиваются с барьерами затрат при восстановлении тепла из грязных выхлопных потоков. Также побочный коксовый процесс может стать неактуальным в будущие годы. Вероятно, что ИМЗ перейдут от побочного процесса к процессу без восстановления из экологических соображений. В процессе без восстановления КГ газ сжигается внутри процесса, и котел отходящего тепла используется для восстановления чувствительного тепла в отходящих газах.

Другой источник чувствительных потерь тепла в коксовых печах — отходящие газы от горения рециклируемых топливных газов. Рециклируемые топливные газы используются в нагревательном канале, который смежен с камерой печи. Горение топливных газов генерирует горячие выхлопные газы, которые покидают канал печи и проходят через регенератор для передачи тепла входящему воздуху горения и/или топливу. Отходящие газы покидают регенератор при температуре в среднем около 200 °C. В некоторых заводах тепловое содержание отходящих газов дополнительно восстанавливается использованием тепловой трубы или для предварительного нагрева угольной загрузки и снижения её влажности. В этом случае температура выхлопных газов снижается до около 60 °C.

Производство синтера

Синтерный завод состоит из двух основных секций: секции агломерации и секции охлаждения синтера. Восстановление тепла от обеих частей разработано: (i) от выхлопного газа секции агломерации; (ii) от охлаждающего газа секции охлаждения. Существует большая разница температур в зависимости от положения секции. Средняя температура газа в обеих секциях на уровне 100–150 °C, слишком низкая для эффективного восстановления тепла. Восстановление тепла ограничено зоной высокой температуры газа, конечной частью секции агломерации и начальной частью секции охлаждения, где доступны температуры газа 300 °C или выше. Хотя зона восстановления тепла ограничена, объем газа процесса агломерации достаточно велик для практического восстановления тепла.

Система восстановления энергии отходящего газа состоит из капота, пылеуловителя, котеля восстановления тепла, циркуляционного вентилятора и деаэратора. Выхлопной газ агломерационной машины коррозионен, содержащий некоторые пыли. Восстановление тепла обычно ограничено зоной высокой температуры газа, так как агрегированная средняя температура низка для восстановления тепла. Одновременно, из-за своей коррозионности, температура газа после восстановления тепла должна быть выше кислотной точки росы газа. Охлаждающий газ в основном атмосферный воздух, содержащий некоторые пыли. В случае синтерного охладителя это то же самое, что восстановление тепла агломерационной машины. Из-за распределения температуры газа вдоль охладителя восстановление тепла ограничено зоной высокой температуры газа.

Восстановление тепла выхлопного газа агломерационной машины можно категорировать на циркуляционный и нециркуляционный типы. В циркуляционном типе газ после восстановления тепла циркулируется к агломерационной машине как замена охлаждающего газа, тогда как в нециркуляционном типе газ после восстановления тепла направляется непосредственно в газоочистное оборудование. Циркуляционный тип применяется для улучшения эффективности восстановления тепла.

В случае восстановления тепла охладителя, охлаждающий газ — воздух. Система восстановления тепла охладителя может быть catégorisée как циркуляционный и нециркуляционный типы. В случае нециркуляционного типа, после восстановления тепла из зоны горячего газа, охлаждающий газ выбрасывается в атмосферу. В случае циркуляционного типа, после восстановления тепла из зоны горячего газа, охлаждающий газ ведется к охладителю и повторно используется для охлаждения синтера. Температура охлаждающего газа повышается через рециркуляцию и, следовательно, приводит к более высокому восстановлению тепла. С другой стороны, температура охлаждающего газа повышается до уровня 180 °C, способность охлаждения может снизиться. Температура синтера на выходе охладителя выше около 30 °C в циркуляционном типе. Разница температур достаточно мала и не влияет на работу агломерационного завода. Восстановленная энергия увеличивается на 50% в циркуляционном типе по сравнению с нециркуляционным. Потребление энергии вентилятора больше в случае циркуляционного типа. Однако восстановленная мощность намного больше.

Производство чугуна в ДП

ДП — одна из главных единиц в ИМЗ. Она превращает железную руду в чугун. Сырьевые материалы заряжаются сверху, включая железосодержащие материалы (грубая железная руда, синтер или пеллеты), добавки (флюс) и кокс, в то время как горячий воздух и дополнительное топливо впрыскиваются через дюйеры внизу печи. Шихт движется вниз через ДП и встречает поднимающийся поток горячих газов. Горячий воздух, входящий в ДП, обеспечивается несколькими вспомогательными горячими дутьевыми печами. В горячей дутьевой печи смешанный газ, состоящий из доменного газа (ДГ) и КГ, сжигается. Тепло от продуктов горения передается в шахматную кладку регенератора. Когда регенератор достигает подходящей температуры, поток воздуха меняется на обратный, и холодный воздух загоняется через регенератор, который передает тепло холодному воздуху. Нагретой воздух затем впрыскивается в печь. Система работает по тем же принципам, что и регенератор, используемый для восстановления тепла. Однако в этом случае регенератор не является блоком «восстановления отходящего тепла», а механизмом передачи тепла от печи к горячему дутьевому воздуху. Источниками отходящего тепла в ДП являются как выхлопные газы от горячих дутьевых печей, так и ДГ, покидающий ДП.

Есть чувствительные потери тепла от ДГ. Новые ДП спроектированы для эффективной теплопередачи, что приводит к горячим газам на вершине ДП в низкотемпературном диапазоне. ДГ восстанавливается для использования как топливо в нагреве дутьевого воздуха, перегревательных печах прокатных станов, нагреве коксовых печей, производстве электроэнергии и генерации пара. Поскольку ДГ имеет низкую калорификацию, он часто смешивается с КГ или конвертерным газом. ДГ должен быть очищен перед использованием как топливо, и чувствительное тепло, содержащееся в газе, редко восстанавливается. В некоторых случаях ДП работает при достаточно высоком давлении (2,5 атм или выше) для экономического использования турбины восстановления давления вершины (ТРТ) для восстановления «давления энергии» ДГ. Газ должен быть очищен перед входом в ТРТ, что обычно выполняется мокрым очищением, в результате чего чувствительное тепло отходящего газа теряется. Альтернатива технологии мокрого очищения — сухое очищение, при котором температура газа, входящего в ТРТ, может быть повышена до около 120 °C. Сухая технология ТРТ уже работает в нескольких местах. Однако она дороже.

Другая возможность для УОТ — от продуктов горения, покидающих горячие дутьевые печи. Газы имеют температуры около 250 °C. Выхлопной газ дутьевой печи относительно чист и более совместим с устройствами восстановления тепла, делая восстановление тепла от дутьевых печей более распространенной практикой. Тепло может использоваться для предварительного нагрева воздуха горения и/или топливного газа. Используемые теплообменники включают ротационные регенераторы, пластинчатые теплообменники и системы циркулирующего теплоносителя.

Производство жидкой стали в КОК

КОК использует кислород для окисления примесей в чугуне. Операция полунепрерывная: чугун и лом заряжаются в печь, кислород впрыскивается, флюсы добавляются для контроля эрозии, затем металл пробуется и выпускается. Температура, необходимая для плавления металла, поставляется экзотермической реакцией окисления, и поэтому внешний источник тепла не нужен.

Отходящие газы от КОК находятся при высокой температуре. Они имеют высокую концентрацию CO (угарного газа). Как КГ и ДГ, газы КОК предлагают возможности для восстановления химической энергии и чувствительного тепла. Вызовами для УОТ являются высокие капитальные затраты и существенные проблемы обслуживания, возникающие из-за горячих грязных газов. Загрязнители включают оксиды железа, тяжелые металлы, SOx, NOx и фториды.

Доступны различные коммерческие методы УОТ. Два основных метода восстановления тепла — «открытое горение» и «подавленное горение». В системах открытого горения воздух вводится в газовой канал КОК для сгорания CO. Выделяемое тепло восстанавливается котелем отходящего тепла. В методе «подавленного горения» к усту конвертера добавляется юбка для уменьшения инфильтрации воздуха и горения CO. Затем газ очищается, собирается и используется как топливо. Также возможно восстановление и газа, и чувствительного тепла через комбинированную систему котел/подавленное горение.

Производство жидкой стали в ЭДП

Металлургическая отрасль пережила значительный рост производства из переработанного лома электрическим плавлением. ЭДП и индукционная печь — два типа печей, используемых для плавления ферролома для электрического плавления. Из этих двух ЭДП — основная печь. Печь облицована огнеупором и обычно покрыта отдвижной крышей, через которую опускаются углеродные электроды. Зарядные материалы опускаются через крышу. Флюсы и легирующие добавки также добавляются для контроля качества материала. Электроды затем опускаются примерно на дюйм над металлом, и ток обеспечивает тепло для плавления лома. Во время работы печи выделяются несколько газов и пылевых выбросов, включая CO, SOx, NOx, металлические оксиды, летучие органические соединения (ЛОС) и другие загрязнители. Температуры выхлопных газов на пиковых нагрузках могут составлять от 1350 до 1950 °C. Выхлопные газы отвечают за потери около 20% введенной мощности. Половина этих потерь обусловлена химической энергией в газах, а другая половина — чувствительным теплом. Дополнительно около 8–10% введенной энергии теряется на водяную «манжету» охлаждения ЭДП.

Наиболее распространенным методом восстановления тепла является предварительный нагрев лома, который широко использовался. Использование отходящих газов для предварительного нагрева лома может сэкономить 5–10% общего энергопотребления ЭДП. Начальные конструкции для предварительного нагрева лома требовали прокладки труб отходящих газов к зарядной ковшу. Некоторые проблемы с этими системами включают необходимость транспортировки предварительно нагретого лома, содержащего полусгоревшие не металлолом материалы (например, пластики), а также испарение летучих веществ, создающих запах и проблемы экологического контроля. Альтернативы системе предварительного нагрева ковшом включают процесс Consteel, шахтную печь Фукса и печь с двойной оболочкой. Эти процессы были установлены в различных местах.

Процесс Consteel включает непрерывную зарядку лома и использует конвейер лома, систему подачи и предварительный нагреватель. Предварительный нагреватель — огнеупорная тунель, где отходящие газы текут в противоположном направлении потоку зарядного лома. Воздух вводится в предварительный нагреватель для сгорания CO и CO₂, и таким образом используются как химическая, так и чувствительная энергия в отходящем газе. Постгорелка иногда устанавливается для сгорания оставшегося CO и других соединений. Процесс шахтной печи Фукса включает шахту непосредственно над крышей дуговой печи. Зарядка загружается корзинами в три стадии. Корзины облицованы огнеупором и спроектированы с уплотнением, предотвращающим утечку дыма. Нагрев лома дополнительно поддерживается вспомогательными кислородно-топливными горелками. Кроме того, постгорелки устанавливаются для полного сгорания всего CO. Один дополнительный выигрыш системы — зарядка выступает в роли пылевого фильтра, захватывая около 40% пыли и возвращая её в печь, тем самым обеспечивая незначительное увеличение выхода.

Выгоды и недостатки систем предварительного нагрева лома зависят от конкретной операции. В некоторых случаях это позволяет снизить потребление электроэнергии и повысить производительность. В других случаях системы предварительного нагрева лома трудно обслуживать. По мере того как ЭДП становятся все более эффективными и время «расказ-расказ» сокращается, манипулирование ломом может снижать производительность и возможно создавать обременительные требования к обслуживанию. В одном случае энергосбережение, обеспечиваемое предварительным нагревом лома, уменьшается примерно вдвое, когда время «расказ-расказ» сокращается на треть.

Котлы электростанций

Котлы в ИМЗ обычно используют ДГ и КГ как топливо. Температура выхлопных газов для котлов варьируется с возрастом котла и используемыми контролями. Температуры могут быть довольно высокими (340–450 °C), с содержанием O₂, меняющимся от 3 до 7,5%. Отходящее тепло представлено в виде чистых, свободных от загрязнений газов и не требует дополнительной подготовки. Области отходящего тепла и восстановления от котлов и паровых систем включают: (i) использование выхлопных газов для предварительного нагрева ДГ и КГ; (ii) использование низкотемпературной генерации электроэнергии, если экономически обоснованно; (iii) предварительный нагрев служебной воды или речной воды для использования на заводе, если возможно и требуется, и низкое давление пара может быть конденсировано и повторно использовано для водяной системы котла вместо сброса.

Перегревательная печь

Перегревательная печь — ключевое оборудование горячих прокатных станов. Её функция — непрерывно нагревать блюмы, плиты или блюмы разных размеров и марок до 1250 °C. Большинство новых перегревательных печей — печи «шагающей балки» (ПБП). На ПБП нагрев производится над и под продуктами, которые обрабатываются со стороны зарядки к стороне разрядки посредством изолированных и охлаждаемых балок (подковалок). Ключевым критерием производительности для перегревательных печей является однородность нагрева. 20–30% введенной энергии обычно теряется, разделенная между несколькими тепловыми потерями: (i) температура выхлопного газа между рекуператором воздуха горения и трубой составляет 250–300 °C при природном газе и выше при топливе более низкой калорификации; (ii) системы обработки продукта внутри печи с подковалками и системой пост-охлаждения; (iii) потери через стены и двери, трудно восстанавливаемые.

Вода используется для постоянного охлаждения системы подковалок, которая находится в контакте с очень горячей атмосферой в печи. Этот водяной контур обычно входит при 40 °C и нагревается на 15 °C перед направлением в выделенную систему охлаждения.

В нескольких местах УОТ проводится на системе охлаждения подковалок путем производства пара, когда он нужен на заводе для других целей. Сама по себе эта установка снижает потери через систему подковалок из-за использования водяных охлаждающих труб при более высокой температуре. Если пар не нужен заводу, то ОЦР (адаптированный для таких температур около 200 °C) может быть установлен на паровом контуре для производства электроэнергии. Эта установка имеет преимущество легкой и безопасной эксплуатации, особенно с высокой вариабельностью потерь из-за постоянной температуры, приносимой фазовым переходом воды. Большую часть времени эта технология не устанавливается из-за длительного окупаемости, и энергия, содержащаяся в выхлопных газах, теряется.

Система производства электроэнергии возможна для восстановления энергии из выхлопных газов. В зависимости от температуры источника тепла доступны либо «водяно-паровой цикл» (с низкой эффективностью печи), либо ОЦР (с лучшей эффективностью). Однако большую часть времени эти технологии не устанавливаются из-за их длительной окупаемости. Эта ситуация может иметь другое решение. Это решение объединяет тепло от системы охлаждения подковалок, работающей при более высоком давлении и температуре для производства смеси пара и воды около 215 °C в замкнутом контуре, и тепло от выхлопных газов. Два источника тепла восстанавливаются отдельно благодаря органическим теплоносительным контурам и затем объединяются для формирования общего источника тепла.

Колебания тепла от выхлопных газов (температура и объем модифицируются) в случае вариаций мощности печи (производство или вариации продукта) балансируются благодаря постоянной температуре тепла, поступающего от системы охлаждения подковалок. Таким образом, работа системы легка и делает общий источник тепла более стабильным, особенно при высоких флуктуациях.

Возможно, что производство перегревательной печи может флуктуировать за несколько минут, что влияет на тепловое содержание выхлопных газов, входящих в систему УОТ. ОЦР — довольно гибкая система, которая может приспосабливаться к таким вариациям до определенной точки. ОЦР может обычно работать до 30% своей номинальной мощности и автоматически отключается, когда тепловой вход падает ниже этого порога. Однако экономический аспект затрагивается, так как производство электроэнергии также уменьшается.

Решения теплового накопления, адаптированные к ежедневным вариациям, становятся доступными для промышленных применений и могут использоваться в комбинации с ОЦР для выравнивания его производства. Масло, например, является подходящей средой теплового накопления на этом температурном уровне. Экономические выгоды должны оцениваться по каждому случаю отдельно.

Отходящее тепло от твердых потоков

Помимо потерь отходящего тепла от отходящих газов, твердые потоки и охлаждающая вода являются источниками дополнительных чувствительных потерь тепла. Твердые продукты и побочные продукты с значительными потерями отходящего тепла включают горячий кокс, горячий синтер, доменный шлак, конвертерный шлак, отливную сталь и горячепрокатаную сталь. Хотя тепло от твердых потоков часто труднее восстановить, потери тепла высоки. Чувствительные потери тепла от кокса восстанавливаются в некоторых заводах сухой Abschreckung кокса (САК) как альтернатива мокрой Abschreckung. САК включает улавливание раскаленного кокса в специально спроектированном ковше, который разгружается в сосуд САК. Инертный газ, такой как азот, проходит над коксом и восстанавливает его чувствительное тепло. Горячий газ затем проходит через котел отходящего тепла. Экономия энергии в диапазоне 0,2–0,25 млн ккал на тонну кокса. Также были попытки восстановить тепло от других твердых потоков через радиационные тепловые котлы. Это не увенчалось успехом для доменного и конвертерного шлака, но было коммерциализовано для восстановления тепла от отливной стали в нескольких местах в Японии и Германии.

Другой вариант для снижения потерь тепла от отливной стали — горячая зарядка, при которой отливные продукты заряжаются в перегревательную печь, пока еще горячие. Горячая зарядка может сэкономить около 0,12 млн ккал на тонну. Чувствительные потери тепла от горячепрокатаной стали также могут быть частично восстановлены использованием водяного охлаждения. Поскольку конечная температура охлаждающей воды обычно низка (около 80 °C), она может быть повышена для других нагревательных применений с тепловым насосом.