L'échangeur thermique de récupération de chaleur de chaudière permet d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions de carbone dans l'industrie sidérurgique

Positionnement de base : la valeur fondamentale des échangeurs de chaleur à récupération de chaleur pour chaudières
La production d'acier ne peut pas être séparée du support de divers types de chaudières telles que les fourneaux à air chaud de haut fourneau, les chaudières de production d'énergie à gaz, les refroidisseurs à anneaux de frittage, les fours à coke, etc. Ces équipements génèrent une grande quantité de chaleur perdue à différents niveaux de température pendant le fonctionnement -, des gaz de combustion à moyenne et basse température à 100 degrés aux gaz de combustion à haute température à 1050 degrés. S'il est directement rejeté, il entraîne non seulement un gaspillage d'énergie important, mais exacerbe également la pollution thermique de l'environnement. La valeur fondamentale des échangeurs de chaleur à récupération de chaleur des chaudières réside dans la construction d'un système en boucle fermée-de « réutilisation efficace de l'énergie d'échange thermique de capture de chaleur résiduelle », correspondant avec précision aux caractéristiques de chaleur résiduelle des chaudières des aciéries, convertissant la chaleur résiduelle perdue en énergie utilisable telle que le préchauffage de l'air de combustion, le chauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière et la génération de vapeur, parvenant ainsi à « transformer les déchets en trésor ». Ses performances déterminent directement l'efficacité de la récupération de la chaleur résiduelle des chaudières et les effets d'économie d'énergie et de réduction du carbone, et constituent un pont clé reliant la chaleur résiduelle des chaudières et la réutilisation de l'énergie.

(1) Économie d'énergie et réduction de la consommation, amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie

Dans la chaleur perdue émise par les chaudières des aciéries, la chaleur transportée par les gaz de combustion à haute température représente à elle seule plus de 40 % de la dissipation thermique totale de l'équipement. Les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur de chaudière de haute qualité peuvent atteindre une efficacité de transfert de chaleur supérieure à 85 %, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Par exemple, une fois que les gaz de combustion du fourneau à vent chaud du haut fourneau sont traités par un échangeur de chaleur, l'air et le gaz peuvent être préchauffés à 190-380 degrés, réduisant considérablement la consommation de carburant du fourneau à vent chaud et contribuant à améliorer l'efficacité énergétique ultime du processus de haut fourneau. Le bénéfice global peut être augmenté de 2 à 4 % ; Après l'introduction d'un grand échangeur de chaleur rotatif dans un haut fourneau de 2 500 mètres cubes d'une certaine entreprise sidérurgique de 10 millions de tonnes, la température de l'air de combustion est passée de la température ambiante à 380 degrés, l'efficacité de combustion du combustible du haut fourneau a augmenté de 12 % et le taux de coke a diminué de 550 kg/t à 480 kg/t, permettant ainsi d'importantes économies d'énergie. Dans le même temps, l'échangeur de chaleur peut réduire la température d'échappement de la chaudière à 100-130 degrés, évitant ainsi les pertes de chaleur et favorisant le niveau global de consommation d'énergie de l'aciérie pour se rapprocher de la référence de l'industrie.

(2) Réduire les coûts et augmenter l'efficacité, améliorer la compétitivité de base des entreprises

Le coût de l’énergie est une composante importante du coût de production des entreprises sidérurgiques. Les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur des chaudières réduisent directement les coûts d'exploitation des entreprises en réduisant la consommation de combustible et d'électricité achetés, tout en réduisant les investissements dans le fonctionnement et la maintenance des équipements, obtenant ainsi un double gain d'efficacité. En prenant comme exemple le haut fourneau de 1 800 mètres cubes de Qinggang, avec le soutien d'un échangeur de chaleur dédié à la récupération de chaleur, une quantité supplémentaire de chaleur peut être récupérée chaque année, ce qui équivaut à une économie de 39,57 millions de mètres cubes standard de gaz. Combinés à la réduction des fuites d'air et aux économies de gaz, les bénéfices annuels en matière d'économie d'énergie-atteignent 9,116 millions de yuans. Après déduction des coûts d'exploitation, les avantages supplémentaires en matière d'économie d'énergie-s'élèvent à environ 8,91 millions de yuans ; Un atelier de conversion de 120 tonnes adopte un échangeur de chaleur à tubes à ailettes en spirale, qui peut récupérer 12 millions de kcal de chaleur par four d'acier, ce qui équivaut à une économie de 1,2 tonne de charbon standard. La production annuelle d'électricité augmente de 18 millions de kWh et le cycle de maintenance des équipements est réduit de 4 fois par an à 2 fois, réduisant ainsi les coûts de maintenance de 40 %. Pour les grandes entreprises sidérurgiques, un système complet d'échangeur thermique de récupération de chaleur de chaudière peut réduire les coûts de plusieurs millions, voire dizaines de millions de yuans par an, améliorant ainsi considérablement la compétitivité de l'entreprise sur le marché.

(3) Réduction du carbone vert, contribuant à la transformation à faible-carbone de l'industrie
Dans le cadre de l'objectif « double carbone », l'industrie sidérurgique est confrontée à des exigences strictes de réduction des émissions. Les échangeurs de chaleur de récupération de chaleur des chaudières peuvent réduire efficacement la consommation d'énergie telle que le charbon et le gaz naturel en récupérant la chaleur perdue au lieu de brûler des combustibles fossiles, réduisant ainsi les émissions de polluants tels que le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote. Selon les calculs, pour chaque 1 GJ de chaleur résiduelle récupéré, environ 80 - 100 kg d'émissions de dioxyde de carbone peuvent être réduits ; En prenant comme exemple une entreprise sidérurgique d'une capacité de production de 5 millions de tonnes, avec le soutien d'échangeurs de chaleur de récupération de chaleur de chaudière, 26 000 tonnes de dioxyde de carbone, 750 tonnes de dioxyde de soufre et 375 tonnes d'oxydes d'azote peuvent être réduites chaque année. Shiheng Special Steel récupère la chaleur perdue du gaz de houille brut via un échangeur de chaleur à chemise de four à coke, offrant ainsi de multiples avantages en matière de réduction de la consommation d'énergie de cokéfaction et de contrôle des émissions de polluants. Son projet de réduction et de fixation du carbone en coproduction d'acier trempé réduit les émissions de carbone de 300 000 tonnes par an et a été reconnu comme un « cas typique de neutralité carbone » par le ministère de l'Écologie et de l'Environnement ; Après avoir déployé divers échangeurs de chaleur à récupération de chaleur tout au long du processus, une entreprise sidérurgique leader a réduit ses émissions de dioxyde de carbone de 850 000 tonnes par an et a généré des bénéfices économiques de plus de 230 millions de yuans, démontrant pleinement la faible valeur carbone des échangeurs de chaleur.

Types de noyaux et caractéristiques techniques : adaptés à plusieurs scénarios de chaudières dans les aciéries

Il existe différents types de chaudières dans les aciéries, avec des différences significatives dans les caractéristiques de chaleur résiduelle - températures allant de 100 °C à 1 050 °C et dans la composition complexe des gaz de combustion (notamment le soufre, le chlore, la poussière, etc.). Les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur de chaudière correspondants présentent également des types différenciés, dont le noyau tourne autour de « l'utilisation en cascade, d'un échange de chaleur précis », s'adaptant à différents scénarios de chaudière et à la qualité de la chaleur perdue, permettant une utilisation maximale des ressources de chaleur perdue et résolvant les problèmes tels que la corrosion, l'accumulation de cendres et la dégradation des performances des équipements traditionnels.

(1) Types d’échangeurs de chaleur courants et avantages technologiques

1. Échangeur de chaleur à double préchauffage à contrôle intelligent de la température : utilisant l'huile thermique comme fluide caloporteur, un système d'échange de chaleur de « huile thermique de gaz de combustion air/gaz » est construit, composé d'un échangeur de chaleur de gaz de combustion, d'un échangeur de chaleur à air, d'un échangeur de chaleur à gaz et d'un système de contrôle intelligent, principalement adapté à la récupération de chaleur résiduelle des gaz de combustion à basse température du poêle à air chaud de haut fourneau et de la chaudière de production d'énergie à gaz. Son principal avantage est de résoudre fondamentalement le problème de la corrosion acide au point de rosée à basse température, d'atténuer le phénomène d'accumulation de cendres et la durée de vie de l'équipement peut atteindre plus de 10 ans, dépassant de loin la durée de vie des échangeurs de chaleur à plaques et caloducs traditionnels de 3 à 5 ans. Dans des conditions normales de fonctionnement, la chaleur perdue à la température d'entrée des gaz de combustion de 280 degrés peut être récupérée pour préchauffer le gaz et l'air à une température de 190 degrés ; Lorsque la température d'entrée des gaz de combustion est de 330 degrés, la température de préchauffage peut être augmentée jusqu'à 230 degrés et la température d'échappement peut être réduite en dessous de 130 degrés, avec un minimum de 100 degrés.

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 degrés) utilise un module de transfert de chaleur par rayonnement de type manchon pour transférer l'énergie thermique à travers les caractéristiques de rayonnement des gaz de combustion, évitant ainsi les dommages dus au stress thermique ; Lorsque la température descend en dessous de 750 degrés, passez en mode de transfert de chaleur par convection, combiné à l'avantage de transfert de chaleur à haute efficacité des échangeurs de chaleur à plaques, le coefficient de transfert de chaleur peut atteindre 3 500 W/(m² · K) et l'encombrement de l'équipement est réduit de plus de 40 % par rapport aux solutions traditionnelles [2]. Après la rénovation d'un haut fourneau de 2 000 m³ dans une certaine aciérie, l'efficacité de la récupération de chaleur sensible au gaz a augmenté de 22 %, économisant 12 000 tonnes de charbon standard par an.
3. Échangeur de chaleur à tubes : l'un des types les plus largement utilisés, le noyau est composé de plusieurs tubes métalliques -résistants aux températures élevées (tels que l'acier inoxydable 310S, l'alliage Inconel, etc.). Les gaz de combustion à haute température s'écoulent à l'extérieur du faisceau de tubes et le fluide à chauffer circule à l'intérieur du tube, permettant un transfert de chaleur par conduction thermique de la paroi du tube. La structure est robuste, capable de résister à des températures et des pressions élevées de 800 -1 200 degrés, facile à nettoyer et à entretenir, et adaptée aux environnements de gaz de combustion à forte teneur en poussière, tels que les hauts fourneaux et les convertisseurs dans les aciéries. Le convertisseur de 120 tonnes d'une entreprise sidérurgique spéciale adopte un échangeur de chaleur à tube à ailettes en spirale, avec une seule zone d'échange de chaleur de 3 200 mètres carrés. Les ailettes sont fabriquées en alliage nickel-chrome avec une résistance à la température de 850 degrés, résistant efficacement à la corrosion à haute température et réduisant la température des gaz de combustion de 800 degrés à 280 degrés. L’effet de récupération de chaleur perdue est significatif.

4. Échangeur de chaleur à plaques : en utilisant des plaques de métal ondulé comme éléments d'échange de chaleur, des canaux étroits sont formés entre les plaques et les gaz de combustion à haute -température s'écoulent en sens inverse avec le fluide à chauffer. La zone de transfert de chaleur est grande et l'efficacité est élevée, soit 10 à 30 % supérieure à celle des échangeurs de chaleur à tubes traditionnels. Le volume compact convient aux scénarios d’espace limité. Pour les gaz de combustion à haute température de 650 degrés dans le four de chauffage de laminage d'acier, l'échangeur de chaleur à plaques de type anti-cendres adopte une conception à plaques spéciale et est équipé d'un système de nettoyage automatique des cendres, qui peut utiliser la chaleur des gaz de combustion pour préchauffer l'air de combustion et l'eau de refroidissement du laminoir, réduisant ainsi la consommation de carburant du four de chauffage de 10 %.

5. Échangeurs de chaleur auxiliaires : y compris les économiseurs, les préchauffeurs d'air, les échangeurs de chaleur à caloduc, etc., principalement utilisés pour la récupération de chaleur résiduelle à moyenne et basse température (température<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%.

Tendances de l’industrie et perspectives de développement
Avec la promotion du « Plan d'action spécial national pour les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone dans l'industrie sidérurgique », d'ici fin 2025, la consommation d'énergie par unité de produit des hauts fourneaux et des convertisseurs dans l'industrie sidérurgique sera réduite de plus de 1 % par rapport à 2023, et la consommation globale d'énergie par tonne d'acier sera réduite de plus de 2 %. Les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur des chaudières, en tant qu'équipement de base pour les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone, ouvriront la voie à un espace de développement plus large. Sur la base des besoins de développement de l'industrie et des orientations de l'innovation technologique, il y aura trois tendances majeures de développement pour les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur des chaudières à l'avenir.

L'une d'entre elles est la mise à niveau de l'intelligence technologique, intégrant de nouvelles technologies telles que l'IA, les jumeaux numériques et l'Internet des objets pour assurer une surveillance en temps réel-, une régulation précise et une alerte en cas de panne de l'état de fonctionnement des échangeurs de chaleur, améliorant ainsi davantage l'efficacité des échanges thermiques et réduisant les coûts d'exploitation et de maintenance ; Dans le même temps, le développement d'échangeurs de chaleur adaptatifs permet d'ajuster automatiquement les paramètres de fonctionnement en fonction des fluctuations de la température et du débit de chaleur résiduelle, s'adaptant ainsi aux scénarios complexes de chaleur résiduelle dans les aciéries.

La seconde est l'innovation matérielle et structurelle, utilisant des matériaux en alliage plus avancés -résistants aux hautes températures et à la corrosion-, tels que l'INCONEL 625, l'acier inoxydable 310S, etc., pour améliorer la stabilité de l'échangeur de chaleur dans des environnements à haute température, à forte corrosion et à forte poussière ; Optimisez la conception structurelle des échangeurs de chaleur, développez des échangeurs de chaleur compacts et efficaces, réduisez l'encombrement et améliorez l'utilisation de l'espace, par exemple en réduisant l'encombrement des échangeurs de chaleur à manchon haute température-de plus de 40 % par rapport aux solutions traditionnelles.

Le troisième est le développement de l'intégration de systèmes, qui combine les échangeurs de chaleur de récupération de chaleur des chaudières avec des systèmes de récupération de gaz, de cycle de vapeur et de stockage d'énergie pour créer un système intégré de recyclage d'énergie, améliorer l'autosuffisance énergétique de l'entreprise et faire face aux fluctuations des prix de l'électricité et aux risques liés à l'approvisionnement en énergie ; Dans le même temps, combiner de nouvelles technologies de fusion telles que la métallurgie de l'hydrogène, optimiser la conception des échangeurs de chaleur, s'adapter aux nouvelles structures de sources de chaleur et encourager l'industrie sidérurgique à passer de « économies d'énergie et réduction de carbone » à « zéro émission de carbone ».

De plus, avec l'amélioration continue des normes industrielles, telles que la promotion des normes industrielles pour la récupération de la chaleur résiduelle des gaz de montée des fours à coke, l'application des échangeurs de chaleur à récupération de chaleur des chaudières sera plus standardisée et standardisée, favorisant le niveau global d'efficacité énergétique de l'industrie. Selon la capacité nationale de production de fer d'un milliard de tonnes, si les échangeurs de chaleur avancés de récupération de chaleur des chaudières sont pleinement encouragés, cela pourrait permettre d'économiser environ 4,8 milliards de yuans en coûts et de réduire les émissions de dioxyde de carbone de 5,2 millions de tonnes par an, avec des avantages économiques et environnementaux significatifs.