Lo scambiatore di calore per il recupero del calore della caldaia consente il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni di carbonio nell'industria siderurgica
Posizionamento fondamentale: il valore fondamentale degli scambiatori di calore a recupero di calore della caldaia
La produzione di acciaio non può essere separata dal supporto di vari tipi di caldaie come stufe d'altoforno, caldaie per la produzione di energia a gas, raffreddatori ad anelli di sinterizzazione, cokerie, ecc. Queste apparecchiature generano una grande quantità di calore di scarto a diversi livelli di temperatura durante il funzionamento - dai gas di scarico a media e bassa temperatura di 100 gradi fino ai gas di scarico ad alta temperatura di 1050 gradi. Se scaricato direttamente, oltre a provocare gravi sprechi energetici, aggrava l'inquinamento termico ambientale. Il valore fondamentale degli scambiatori di calore per il recupero del calore delle caldaie risiede nella costruzione di un sistema a circuito chiuso- di "catturazione del calore di scarto e riutilizzo efficiente dell'energia per lo scambio di calore", adattando accuratamente le caratteristiche del calore di scarto delle caldaie dell'acciaieria, convertendo il calore di scarto perso in energia utilizzabile come il preriscaldamento dell'aria di combustione, il riscaldamento dell'acqua di alimentazione della caldaia e la generazione di vapore, ottenendo "trasformare i rifiuti in un tesoro". Le sue prestazioni determinano direttamente l'efficienza del recupero del calore di scarto della caldaia e gli effetti di-risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio e costituiscono un ponte fondamentale che collega il calore di scarto della caldaia e il riutilizzo dell'energia.
(1) Conservazione dell'energia e riduzione dei consumi, miglioramento dell'efficienza di utilizzo dell'energia
Nel calore di scarto emesso dalle caldaie delle acciaierie, il calore trasportato dai gas di combustione ad alta-temperatura rappresenta da solo oltre il 40% della dissipazione di calore totale dell'apparecchiatura. Gli scambiatori di calore a recupero di calore della caldaia di alta qualità possono raggiungere un'efficienza di trasferimento del calore superiore all'85%, migliorando notevolmente l'efficienza di utilizzo dell'energia. Ad esempio, dopo che i gas di scarico dell'altoforno sono stati trattati da uno scambiatore di calore, l'aria e il gas possono essere preriscaldati a 190-380 gradi, riducendo significativamente il consumo di carburante dell'altoforno e contribuendo a migliorare l'efficienza energetica finale del processo dell'altoforno. Il beneficio complessivo può essere incrementato del 2%-4%; Dopo aver introdotto un grande scambiatore di calore rotativo in un altoforno da 2500 metri cubi di un'impresa siderurgica da 10 milioni di tonnellate, la temperatura dell'aria di combustione è aumentata da temperatura ambiente a 380 gradi, l'efficienza di combustione del carburante dell'altoforno è aumentata del 12% e il rapporto di coke è diminuito da 550 kg/ta 480 kg/t, ottenendo notevoli risparmi energetici. Allo stesso tempo, lo scambiatore di calore può ridurre la temperatura di scarico della caldaia a 100-130 gradi, evitando perdite di calore e favorendo il livello di consumo energetico complessivo dell'acciaieria per avvicinarsi al punto di riferimento del settore.
(2) Ridurre i costi e aumentare l'efficienza, migliorare la competitività fondamentale delle imprese
Il costo energetico è una componente importante del costo di produzione delle imprese siderurgiche. Gli scambiatori di calore a recupero di calore della caldaia riducono direttamente i costi operativi per le imprese riducendo il consumo di carburante ed elettricità acquistati, riducendo al tempo stesso il funzionamento delle apparecchiature e gli investimenti per la manutenzione, ottenendo un duplice guadagno in termini di efficienza. Prendendo come esempio l’altoforno da 1.800 metri cubi di Qinggang, con il supporto di uno scambiatore di calore dedicato per il recupero del calore, è possibile recuperare ogni anno una quantità aggiuntiva di calore, equivalente al risparmio di 39,57 milioni di metri cubi standard di gas. Combinati con la riduzione delle perdite d'aria e il risparmio di gas, i vantaggi annuali di risparmio energetico- raggiungono 9,116 milioni di yuan. Dopo aver detratto i costi operativi, i vantaggi incrementali in termini di risparmio energetico-sono di circa 8,91 milioni di yuan; Un'officina di conversione da 120 tonnellate adotta uno scambiatore di calore con tubi alettati a spirale, che può recuperare 12 milioni di kcal di calore per forno di acciaio, equivalenti al risparmio di 1,2 tonnellate di carbone standard. La produzione annua di energia aumenta di 18 milioni di kWh e il ciclo di manutenzione delle apparecchiature viene ridotto da 4 volte l'anno a 2 volte, riducendo i costi di manutenzione del 40%. Per le grandi imprese siderurgiche, un sistema completo di scambiatori di calore per il recupero del calore della caldaia può ridurre i costi di milioni o addirittura decine di milioni di yuan all'anno, migliorando significativamente la competitività sul mercato dell'azienda.
(3) Riduzione ecologica delle emissioni di carbonio, a sostegno della trasformazione a basse- emissioni di carbonio del settore
Con l’obiettivo del “doppio carbonio”, l’industria siderurgica si trova ad affrontare severi requisiti di riduzione delle emissioni. Gli scambiatori di calore a recupero di calore della caldaia possono ridurre efficacemente il consumo di energia come carbone e gas naturale recuperando il calore di scarto invece di bruciare combustibili fossili, riducendo così le emissioni di inquinanti come anidride carbonica, anidride solforosa e ossidi di azoto. Secondo i calcoli, per ogni 1 GJ di calore di scarto recuperato, è possibile ridurre circa 80-100 kg di emissioni di anidride carbonica; Prendendo ad esempio un'impresa siderurgica con una capacità produttiva di 5 milioni di tonnellate, con il supporto di scambiatori di calore a recupero di calore della caldaia, è possibile ridurre ogni anno 26.000 tonnellate di anidride carbonica, 750 tonnellate di anidride solforosa e 375 tonnellate di ossidi di azoto. Shiheng Special Steel recupera il calore di scarto dal gas di carbone grezzo attraverso uno scambiatore di calore della camicia montante del forno da coke, ottenendo molteplici vantaggi nella riduzione del consumo di energia di coke e nel controllo delle emissioni inquinanti. Il suo progetto di riduzione e fissazione del carbonio in coproduzione di acciaio temperato riduce le emissioni di carbonio di 300.000 tonnellate all'anno ed è stato riconosciuto come un "caso tipico di neutralità del carbonio" dal Ministero dell'Ecologia e dell'Ambiente; Dopo aver implementato vari scambiatori di calore a recupero di calore durante l'intero processo, un'azienda siderurgica leader ha ridotto le emissioni di anidride carbonica di 850.000 tonnellate all'anno e ha creato benefici economici per oltre 230 milioni di yuan, dimostrando pienamente il valore a basso contenuto di carbonio degli scambiatori di calore.
Tipi di nuclei e caratteristiche tecniche: adatti a più scenari di caldaie in acciaierie
Esistono vari tipi di caldaie nelle acciaierie, con differenze significative nelle caratteristiche del calore di scarto - temperature che vanno da 100 gradi C a 1050 gradi C e composizioni complesse dei gas di scarico (inclusi zolfo, cloro, polvere, ecc.). Anche i corrispondenti scambiatori di calore per il recupero del calore della caldaia presentano tipologie differenziate, con il nucleo che ruota attorno all'"utilizzo in cascata, scambio di calore preciso", adattandosi a diversi scenari della caldaia e alla qualità del calore di scarto, ottenendo il massimo utilizzo delle risorse di calore di scarto e risolvendo punti critici come la corrosione, l'accumulo di ceneri e il degrado delle prestazioni delle apparecchiature tradizionali.
(1) Tipologie di scambiatori di calore tradizionali e vantaggi tecnologici
1. Scambiatore di calore a doppio preriscaldamento con controllo intelligente della temperatura: utilizzando l'olio diatermico come mezzo di riscaldamento, viene costruito un sistema di scambio termico di "olio diatermico aria/gas dei fumi", costituito da scambiatore di calore dei fumi, scambiatore di calore dell'aria, scambiatore di calore del gas e sistema di controllo intelligente, adatto principalmente per il recupero del calore di scarto dei fumi a bassa temperatura-della stufa ad altoforno e della caldaia per la produzione di energia a gas. Il suo vantaggio principale è risolvere radicalmente il problema della corrosione del punto di rugiada acido a bassa-temperatura, alleviare il fenomeno dell'accumulo di ceneri e la durata di servizio dell'apparecchiatura può raggiungere più di 10 anni, superando di gran lunga la durata di servizio dei tradizionali scambiatori di calore a piastre e tubi di calore di 3-5 anni. In condizioni operative normali, il calore di scarto alla temperatura di ingresso dei fumi di 280 gradi può essere recuperato per preriscaldare il gas e l'aria ad una temperatura di 190 gradi; Quando la temperatura di ingresso del gas di combustione è di 330 gradi, la temperatura di preriscaldamento può essere aumentata a 230 gradi e la temperatura di scarico può essere ridotta al di sotto di 130 gradi, con un minimo di 100 gradi.
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 gradi) utilizza un modulo di trasferimento di calore per irraggiamento del tipo a manicotto per trasferire l'energia termica attraverso le caratteristiche di irraggiamento dei gas di combustione, evitando danni da stress termico; Quando la temperatura scende sotto i 750 gradi, passa alla modalità di trasferimento di calore convettivo, combinata con il vantaggio del trasferimento di calore ad alta-efficienza degli scambiatori di calore a piastre, il coefficiente di trasferimento di calore può raggiungere 3500 W/(m ² · K) e l'ingombro dell'apparecchiatura è ridotto di oltre il 40% rispetto alle soluzioni tradizionali [2]. Dopo la ristrutturazione di un altoforno da 2.000 m³ in una determinata acciaieria, l'efficienza del recupero del calore sensibile del gas è aumentata del 22%, risparmiando 12.000 tonnellate di carbone standard all'anno.
3. Scambiatore di calore a tubi: uno dei tipi più utilizzati, il nucleo è composto da più tubi metallici resistenti alle alte-temperature (come acciaio inossidabile 310S, lega di Inconel, ecc.). I gas di scarico ad alta temperatura fluiscono all'esterno del fascio tubiero e il mezzo da riscaldare circola all'interno del tubo, ottenendo il trasferimento di calore attraverso la conduzione del calore della parete del tubo. La struttura è robusta, in grado di resistere a temperature elevate e pressioni di 800-1200 gradi, facile da pulire e manutenere e adatta ad ambienti con gas di scarico con elevato contenuto di polvere, come altiforni e convertitori nelle acciaierie. Il convertitore da 120 tonnellate di un'impresa siderurgica speciale adotta uno scambiatore di calore con tubi alettati a spirale, con un'unica area di scambio termico di 3200 metri quadrati. Le alette sono realizzate in materiale in lega di nichel-cromo con una resistenza alla temperatura di 850 gradi, resistendo efficacemente alla corrosione ad alta temperatura e riducendo la temperatura dei gas di scarico da 800 gradi a 280 gradi. L’effetto di recupero del calore di scarto è significativo.
4. Scambiatore di calore a piastre: utilizzando piastre metalliche ondulate come elementi di scambio di calore, si formano canali stretti tra le piastre e i gas di scarico ad alta temperatura- fluiscono in senso inverso rispetto al mezzo da riscaldare. L'area di trasferimento del calore è ampia e l'efficienza è elevata, superiore del 10% -30% rispetto ai tradizionali scambiatori di calore a tubi. Il volume compatto è adatto a scenari di spazio limitato. Per i gas di scarico ad alta temperatura di 650 gradi nel forno di riscaldamento a rulli in acciaio, lo scambiatore di calore a piastre di tipo anticenere adotta uno speciale design a piastre ed è dotato di un sistema automatico di pulizia delle ceneri, che può utilizzare il calore dei gas di scarico per preriscaldare l'aria di combustione e l'acqua di raffreddamento del laminatoio, riducendo il consumo di carburante del forno di riscaldamento del 10%.
5. Scambiatori di calore ausiliari: compresi economizzatori, preriscaldatori d'aria, scambiatori di calore a tubi di calore, ecc., utilizzati principalmente per il recupero del calore di scarto a media e bassa temperatura (temperatura<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%.
Tendenze del settore e prospettive di sviluppo
Con la promozione del “Piano d’azione speciale nazionale per il risparmio energetico e la riduzione del carbonio nell’industria siderurgica”, entro la fine del 2025, il consumo energetico per unità di prodotto degli altiforni e dei convertitori nell’industria siderurgica sarà ridotto di oltre l’1% rispetto al 2023, e il consumo energetico complessivo per tonnellata di acciaio sarà ridotto di oltre il 2%. Gli scambiatori di calore per il recupero del calore delle caldaie, in quanto apparecchiature fondamentali per il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni di carbonio, apriranno uno spazio di sviluppo più ampio. Sulla base delle esigenze di sviluppo del settore e delle direzioni di innovazione tecnologica, in futuro ci saranno tre principali tendenze di sviluppo per gli scambiatori di calore a recupero di calore delle caldaie.
Il primo è il miglioramento dell'intelligenza tecnologica, integrando nuove tecnologie come l'intelligenza artificiale, i gemelli digitali e l'Internet delle cose per ottenere monitoraggio in tempo reale-, regolamentazione precisa e avvisi di guasto sullo stato di funzionamento degli scambiatori di calore, migliorando ulteriormente l'efficienza dello scambio di calore e riducendo i costi operativi e di manutenzione; Allo stesso tempo, lo sviluppo di scambiatori di calore adattivi può regolare automaticamente i parametri operativi in base alle fluttuazioni della temperatura e della portata del calore di scarto, adattandosi a scenari complessi di calore di scarto negli impianti siderurgici.
Il secondo è l'innovazione materiale e strutturale, che utilizza materiali in lega resistenti alle alte-temperature e alla corrosione-più avanzati, come INCONEL 625, acciaio inossidabile 310S, ecc., per migliorare la stabilità dello scambiatore di calore in ambienti ad alta temperatura, elevata corrosione e con elevata polvere; Ottimizza la progettazione strutturale degli scambiatori di calore, sviluppa scambiatori di calore compatti ed efficienti, riduci l'ingombro e migliora l'utilizzo dello spazio, ad esempio riducendo l'ingombro degli scambiatori di calore a maniche ad alta-temperatura di oltre il 40% rispetto alle soluzioni tradizionali.
Il terzo è lo sviluppo dell'integrazione di sistema, che combina scambiatori di calore per il recupero del calore della caldaia con sistemi di recupero del gas, ciclo del vapore e stoccaggio dell'energia per costruire un sistema integrato di riciclaggio dell'energia, migliorare l'autosufficienza energetica delle imprese-e far fronte alle fluttuazioni dei prezzi dell'elettricità e ai rischi legati all'approvvigionamento energetico; Allo stesso tempo, combinando nuove tecnologie di fusione come la metallurgia dell’idrogeno, ottimizzando la progettazione degli scambiatori di calore, adattandosi alle nuove strutture delle fonti di calore e promuovendo il passaggio dell’industria siderurgica da “conservazione energetica e riduzione del carbonio” a “zero emissioni di carbonio”.
Inoltre, con il continuo miglioramento degli standard di settore, come la promozione di standard di settore per il recupero del calore di scarto dal gas montante della cokeria, l'applicazione degli scambiatori di calore per il recupero del calore della caldaia sarà più standardizzata e standardizzata, promuovendo il livello complessivo di efficienza energetica del settore. Secondo la capacità di produzione nazionale di ferro di 1 miliardo di tonnellate, se gli scambiatori di calore avanzati per il recupero del calore delle caldaie fossero pienamente promossi, si potrebbero risparmiare circa 4,8 miliardi di yuan in costi e ridurre le emissioni di anidride carbonica di 5,2 milioni di tonnellate all’anno, con significativi vantaggi economici e ambientali.