恍然發(fā)現(xiàn)BALLUFF傳感器BTL2-GS10-0200-A
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冶金工業(yè)的生產(chǎn)特點是高能源消耗、高熱量產(chǎn)生,存在著大量的富余能源排放和流失,嚴重污染環(huán)境,造成能源浪費。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,冶金生產(chǎn)設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化為冶金工業(yè)對富余煤氣(高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐的富余煤氣)、余熱(生產(chǎn)過程中廢氣或冷卻時回收的熱量)、余壓(高爐爐頂煤氣壓力或是生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力)進行二次或三次重復(fù)再利用創(chuàng)造了條件。上述富余煤氣、余熱和余壓統(tǒng)稱為余能,利用余能發(fā)電僅是對能源綜合利用的方式之一。落實科學發(fā)展觀,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,冶金生產(chǎn)把保護環(huán)境和節(jié)能減排工作結(jié)合起來,不僅可降低生產(chǎn)成本,更重要意義在于保護環(huán)境,社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益。近年來,山東冶金工業(yè)多座大型冶煉生產(chǎn)設(shè)備(1000m3以上高爐、100t以上轉(zhuǎn)爐、新型焦爐)的建成投產(chǎn),在能源綜合利用方面做了大量的、富有成效的工作,特別是高爐煤氣壓差(TRT)發(fā)電和高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐富余煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電,使能源得到了充分利用。截2006年底,山東冶金行業(yè),有15個企業(yè)共建成發(fā)電機組59臺,裝機總?cè)萘?30610kW。已投入運行的53臺,裝機容量736810kW。2006年的發(fā)電量222379萬kW•h,占用電總量的17.76%。2007年上半年又有4臺、裝機容量18800kW投入運行,發(fā)電量還將會有進一步提高。
2利用余能發(fā)電的機組建設(shè)和運行特點
2.1能源利用形式多樣化
目前已建成的59臺發(fā)電機組中,能源利用形式有9種:1)燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)10臺,裝機容量412000kW,占裝機總?cè)萘康?9.60%。2)富余煤氣發(fā)電機組20臺,裝機容量154500kW,占裝機總?cè)萘康?8.60%。多數(shù)鋼鐵和焦化企業(yè)采用富余煤氣、燃燒鍋爐蒸汽做功通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。3)高爐煤氣壓差發(fā)電機組(TRT)12臺,裝機容量107110kW,占裝機總?cè)萘康?2.90%。4)燃煤發(fā)電機組5臺,裝機容量84000kW,占裝機總?cè)萘康?0.11%。5)干熄焦余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量31000kW,占裝機總?cè)萘康?.73%。6)焦爐廢氣余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量24000kW,占裝機總?cè)萘康?.89%。7)焦爐燃氣發(fā)電機組5臺,裝機容量10000kW,占裝機總?cè)萘康?.20%。8)煉鋼余熱發(fā)電機組1臺,裝機容量6000kW,占裝機總?cè)萘康?.72%。9)柴油發(fā)電機組2臺,裝機容量1000kW,占裝機總?cè)萘康?.12%(山東鎂礦作為備用電源用)。
2.2裝機容量不斷增加
近幾年,大型生產(chǎn)設(shè)備的逐步建成和投產(chǎn),使冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能大量增加,利用余能發(fā)電的條件更加充沛,余能利用方式呈現(xiàn)多樣性,發(fā)電機組的建設(shè)進入了一個高峰期。2004年投入運行的發(fā)電機組150000kW,2006年投入運行的發(fā)電機組多,達到427800kW,與2000年(15臺,共72500kW)相比,發(fā)電機組和裝機容量分別增長2.53倍和8.16倍。
2.3單機容量不斷增大,能源利用方式擴展
2001年前能源利用方式有4種,主要是高爐煤氣發(fā)電和燃煤發(fā)電,只有1臺干熄焦余熱發(fā)電;單機容量小的500kW,大的25000kW。當時單機容量大的有:1)燃煤發(fā)電機組是山東鋁廠的1臺25000kW;2)干熄焦余熱發(fā)電機組是濟鋼的1臺6000kW;3)高爐煤氣發(fā)電機組是威海鑫山鐵廠的2臺3000kW發(fā)電機組。2001年后大機組建設(shè)和投入運行逐漸增多,特別是從2004年起,建設(shè)速度加快,單機容量不斷增大,2001~2006年共建設(shè)發(fā)電機組44臺,裝機容量758110kW,單機容量大達到50000kW。單機裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組共20臺,裝機容量641000kW,占所建發(fā)電機組的比例分別為46.51%和84.55%。能源利用方式有了較大的改變,在原有4種利用方式的基礎(chǔ)上又增加了5種:燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP);高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT);焦爐燃氣發(fā)電;焦爐廢氣余熱發(fā)電;轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電。
2.4單機容量多樣
單機容量發(fā)電機組共有17種類,具體情況如下:50000kW,3臺;48000kW,4臺;42000kW,2臺;35000kW,1臺;25000kW,7臺;18000kW,2臺;15000kW,3臺;12000kW,4臺;8000kW,5臺;6800kW,2臺;6000kW,8臺;4350kW,1臺;4160kW,1臺;3000kW,8臺;2000kW,5臺;1500kW,5臺;500kW,2臺。其中,單機容量6000kW和3000kW的分別是8臺,為使用量多。2000年企業(yè)發(fā)電量過10000萬kW•h僅有2個單位,2006年企業(yè)發(fā)電量超過10000萬kW•h的有4個單位,其中濟鋼超過10億kW•h,萊鋼達到35555萬kW•h,山東鋁廠繼續(xù)保持30000kW•h。2006年15個企業(yè)的發(fā)用電比例達到17.76%,用電量和發(fā)電量分別增長2.03倍和2.37倍。有的企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了全部使用余能發(fā)電,并有少量外供,取得明顯的經(jīng)濟效益。發(fā)電量超過用電量的企業(yè)有1個,發(fā)、用電量比例達到139%;發(fā)、用電量比例達到60%以上的有3個單位,分別為69.90%、65.62%和64.34%;發(fā)、用電比例達到20%以上的單位有4個,分別為28.59%、27.70%、27.18%和20.35%。有些企業(yè)的發(fā)電機組是2006年才投入運行的,發(fā)電機組的潛能還沒有*發(fā)揮出來。通過余能發(fā)電機組的建設(shè),發(fā)電能力有了很大提高。在調(diào)查的15個企業(yè)中,2000年用電總量413745萬kW•h,發(fā)電量66081萬kW•h,發(fā)、用電比例15.97%。2006年用電總量1252420萬kW•h,發(fā)電量222379萬kW•h,發(fā)、用電比例達到17.76%。預(yù)計2007年企業(yè)的發(fā)電量和發(fā)、用電比例都會有大的提高,將取得更加突出的社會效益和經(jīng)濟效益。
2.5上網(wǎng)方式靈活
冶金企業(yè)利用余能發(fā)電,一方面實現(xiàn)了節(jié)能減排,使能源得到了多次重復(fù)利用,另一方面減少了電費支出。各企業(yè)與當?shù)毓╇姽镜拿芮泻献?實現(xiàn)上網(wǎng)方式的靈活性和多樣性,有利于企業(yè)發(fā)電機組的高效運行。有的采用自備電廠運行方式,所發(fā)電量全部自用;有的采用公用電廠運行方式,所發(fā)電量全部上網(wǎng),賣給當?shù)毓╇姽?用電時按網(wǎng)上供電價格回購。
3問題及建議
山東冶金工業(yè)發(fā)電設(shè)備建設(shè)及運行仍存在以下問題:
1)裝機小容量比例多。發(fā)電機組建設(shè)裝機容量的大小雖然與企業(yè)富余能源的多少有關(guān)聯(lián),但在調(diào)查的15個企業(yè)的59臺發(fā)電機組中,小于10000kW的機組有37臺,比例達到62.71%。
2)裝機品種多。在59臺發(fā)電機組中,有17種不同裝機容量的發(fā)電機組,裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組品種有8個,10000kW以下的發(fā)電機組有9個。
3)發(fā)展不平衡。山東冶金各生產(chǎn)企業(yè)之間,利用余能發(fā)電,工作開展的不平衡,有的起步早,發(fā)電設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備同步建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)時,發(fā)電機組同步運行;有的才剛起步。有的起點高,對富余能源集中利用,發(fā)電機組能力大,而有的企業(yè)發(fā)電機組臺數(shù)多,單機容量小。
4)建設(shè)項目審批難,發(fā)電上網(wǎng)費用高。
針對存在的問題,提出如下建議:
1)國家有關(guān)部門應(yīng)加大對能源綜合利用工作的支持力度。冶金企業(yè)對余能的再利用,是利國、利民,有利于全社會的事,有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,在余能發(fā)電機組建設(shè)、運行和上網(wǎng)工作中應(yīng)從政策上給予鼓勵,在資金上給予支持。
2)企業(yè)在能源綜合利用工作上,應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃,推廣高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT)和燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP)。在高爐煤氣壓差發(fā)電機組建設(shè)過程中,青鋼利用2座500m3高爐,采用“二拖一”方式,一方面實現(xiàn)高爐煤氣壓差發(fā)電,另一方面使得發(fā)電機組相對較大。通過采用“二拖一”方式,使大發(fā)電機組所需的煤氣流量有了保障,使小容積的高爐采用TRT發(fā)電成為可能,有條件的企業(yè)應(yīng)當借鑒。
3)在余熱回收利用方面,還有大量的工作可做,濟鋼實現(xiàn)了40t轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電機組的運行,取得了很好的效果。目前省內(nèi)鋼鐵企業(yè)40t以上的轉(zhuǎn)爐相當普遍,如果全部實現(xiàn)余熱回收發(fā)電,效益將是相當可觀的。
4)加強企業(yè)間交流,增強信息溝通,不斷提高發(fā)電機組的管理水平和運行質(zhì)量。
4結(jié)束語
通過這次對全省冶金企業(yè)余能發(fā)電機組建設(shè)和運行情況的調(diào)查,對目前冶金企業(yè)的發(fā)電機組建設(shè)和運行情況有了一個大致的了解。雖然參與調(diào)查的企業(yè)還不*,但也可以看出,冶金企業(yè)對余能發(fā)電工作還是非常重視的,特別是近幾年,發(fā)電機組的建設(shè)和投入運行的數(shù)量明顯加快,能源的利用方式更加多樣化。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、做好環(huán)境保護工作方面,從節(jié)能減排入手,投入大,見效快,取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了社會和企業(yè)的雙贏。
固體電解質(zhì)脫氧是指利用氧離子導體滲透膜,把其置于不同氧勢的兩端之間組成閉合回路時,氧離子會從高氧勢的一端向低氧勢的一端流動,脫除高氧勢端的氧,原理示意圖見圖1。固體電解質(zhì)脫氧的方式有兩種,一種是主動的,依靠化學勢驅(qū)動;另一種是被動的,依靠電場力驅(qū)動。根據(jù)固體電解質(zhì)兩端驅(qū)動氧方式的不同,可分為外加電勢法[2-4]、混合導體法[5-6]和濃差電池短路法[7-9]三種。
1.1外加電勢法
外加電勢法是在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加定向外電勢,通過電場力和氧勢差的作用實現(xiàn)脫氧。在不超過固體電解質(zhì)極限電流的情況下,施加電勢越大,電流越大,脫氧也越快。根據(jù)外加電勢極性的不同可分兩種,其等效電路圖分別見圖2的(a)和(b)。圖中(a)是在外加電場作用下,氧離子克服固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的阻力,從低氧側(cè)遷移到高氧側(cè);而圖中(b)是在外加電場和固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的共同作用下,氧離子從高氧側(cè)遷移到低氧側(cè)。對于外加電勢法,選取的陽極物質(zhì)多為空氣,脫氧速度的控制少有兩種可能:在高氧濃度范圍和低外加電勢時是氧離子在固體電解質(zhì)中的傳遞;在低氧濃度范圍和高外加電勢時是金屬熔體中氧原子向金屬熔體-固體電解質(zhì)界面的擴散。對于不同體系條件,氧濃度范圍或外加電勢范圍可能不同,在脫氧過程中控速環(huán)節(jié)可能是變化的。另外,耐火材料的分解及金屬熔體的再氧化對固體電解質(zhì)脫氧有較大的影響[4]。外加電勢法目前存在兩個問題:一是外加電勢太高或與熔體接觸的固體電解質(zhì)界面氧濃度很低時會導致固體電解質(zhì)在電流作用下離解;二是固體電解質(zhì)的電子導電性在溫度升高或在低氧分壓范圍內(nèi)時會顯著增大,將明顯降低電流效率。因此,提出了混合導體法脫氧。
1.2混合導體法
混合導體法[5-6]是利用滲透膜同時具有離子電導和電子電導的屬性,在陰、陽極兩側(cè)氧勢差的推動下,僅通過滲透膜內(nèi)部的自由電子在電場作用下形成的短路實現(xiàn)脫氧,相當于電池本身構(gòu)成一個回路。但是短路電流的存在減弱了阻礙氧離子在滲透膜中遷移的電場。固體電解質(zhì)一般都有一定的電子導電性[10],理論上可認為都是離子和電子的混合導體,只不過電子導電大小不同而已。相對于外加電勢法,混合導體法的脫氧速率要慢得多。原因在于混合導體法中,氧離子通過電解質(zhì)的遷移必伴隨著等量而方向相反的電子遷移來維持電中性,而電解質(zhì)中殘存的電子導電性僅相當于離子導電的一小部分(約1/10),致使脫氧速率較慢。因此有研究者[6]認為,混合導體法脫氧控速環(huán)節(jié)是電子在電解質(zhì)中的傳遞。另外,電解質(zhì)電子電導率隨溫度下降呈指數(shù)衰減,不適宜用于低溫熔體中。
1.3濃差電池短路法
針對以上利用固體電解質(zhì)脫氧方法的不足之處,一種全新的脫氧方法—─濃差電池短路法[7-9]應(yīng)運而生。該方法操作簡便易行,提高了利用固體電解質(zhì)功能材料進行脫氧的效率。圖3示出了此脫氧方法的原理。當脫氧體浸入金屬液后,在氧位差的推動下,金屬液中的氧會以離子形態(tài)穿過固體電解質(zhì)半透膜,并與后者內(nèi)含的脫氧劑結(jié)合,從而達到脫氧的目的。由于反應(yīng)產(chǎn)物不在鋼液內(nèi)生成,解決了以前脫氧劑所帶來的污染問題。不過,在此脫氧過程中,固體電解質(zhì)的外表面(與金屬液接觸的界面)會積累正電荷,而內(nèi)表面(與脫氧劑接觸的界面)則積累負電荷,它們將形成一個電場并阻礙氧離子的繼續(xù)遷移。如果不能及時消除這種電荷的積累并破壞形成的電場,脫氧過程就無法繼續(xù)進行。高溫電子導電材料的存在解決了這一問題。高溫電子導電材料不但有封堵脫氧體填料口的功能,同時也把固體電解質(zhì)脫氧劑界面所積累的自由電子傳遞到鋼液-固體電解質(zhì)界面,使兩個界面所積累的電荷中和,從而保證了脫氧過程繼續(xù)進行,直脫氧反應(yīng)達到平衡[11]。濃差電池短路脫氧選取的陽極物質(zhì)是H2、CO等還原性氣體、碳和金屬Al等物質(zhì),以提供低氧勢。控速環(huán)節(jié)多為電路中的總電阻大小和氧在金屬熔體中的擴散。隨氧濃度的不斷降低,控速環(huán)節(jié)也有變化,可采取相應(yīng)措施改善脫氧動力學條件。與其它脫氧方法相比,這種無夾雜物的脫氧方法具有許多優(yōu)點:不產(chǎn)生任何氣體及氧化物夾雜,并且使用簡單方便。隨著固體電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和再生技術(shù)的運用,此方法的成本將不斷降低。目前濃差電池短路法的研究重點:新型固體電解質(zhì)功能材料的開發(fā)、脫氧體加入方式的改進以及脫氧體內(nèi)采用新脫氧劑等。盡管這些方法克服了固體電解質(zhì)外加電場法某些方面的不足,從氧滲透膜脫氧的實際要求來看,上述的脫氧方法仍嫌復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。它們有一個共同的特點,全都依賴固體電解質(zhì)。為了克服上述問題,考慮到氧化鋯固體電解質(zhì)在固態(tài)時所呈現(xiàn)的氧離子導電性,研究能否用液態(tài)的氧離子異體代替固體電解質(zhì)。
2渣-金屬間外加電場無污染脫氧
熔渣也是一種具有離子導電特性的電解質(zhì),它含有氧離子、各類金屬陽離子以及不同的復(fù)合離子團。根據(jù)固體電解質(zhì)外加電場法脫氧的原理,如果能夠找到一種氧離子遷移為主體的熔渣,則可用這種熔渣代替固體電解質(zhì)作為反應(yīng)的中介,以其作為金屬液中溶解氧向外傳輸?shù)?ldquo;通道”。在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場(見圖4),可控制氧離子在熔渣體系中的傳導方向和速度。由于熔渣是以液態(tài)的形式存在,更易于離子的遷移,因此從理論上,*可以實現(xiàn)比固體電解質(zhì)電解脫氧更理想的脫氧效果[12-13]。根據(jù)電化學原理,步驟(2)使金屬-爐渣界面積累正電荷,步驟(4)使爐渣/石墨電極的接觸界面積累負電荷,如果不消除這些積累的電荷,就會形成一個電場,將阻礙氧離子的進一步遷移,終導致脫氧過程的停止。而反向外加電場的施加,即可消除或者減小這個阻礙電場,使氧離子不斷向渣相遷移,直到陽極發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體,脫離反應(yīng)體系為止。不難看出,用液態(tài)爐渣代替昂貴的固體電解質(zhì),克服了采用氧化鋯類固體電解質(zhì)或相關(guān)功能陶瓷造成的成本過高的問題。液態(tài)爐渣是金屬熔體好的保護層,它既可以防止金屬的二次氧化,又可以起到保溫作用。金屬熔體內(nèi)的氧位、脫氧速度及強度可通過調(diào)節(jié)外加電勢來控制。從以上分析可以看出,渣-金屬間外加電場脫氧技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用的前景。目前,己在實驗室開展了相關(guān)研究,取得了一定的結(jié)果。
3結(jié)語
利用氧離子傳導電解質(zhì)材料進行脫氧,反應(yīng)過程中可將還原劑(或陽極物質(zhì))與被脫氧(還原)的物質(zhì)隔離開,避免了被脫氧物質(zhì)的污染。渣-金間外加直流電場脫氧的方法避免了對金屬液的污染,而且不受固體電解質(zhì)的限制,成本比較低廉,因而這是生產(chǎn)潔凈金屬或?qū)饘俸趿窟M行調(diào)整的好方法。在冶金工業(yè)上,它可以作為一種獨立的精煉手段,也適合與后續(xù)的連鑄加工設(shè)備配合使用,還可應(yīng)用于其他相關(guān)金屬熔體的脫氧過程,因此,渣-金間外加電場脫氧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是爐渣畢竟不同于固體電解質(zhì),要真正起到和固體電解質(zhì)相類似的作用,而且能夠應(yīng)用到實際的冶金生產(chǎn)中,還需要進行大量的理論和實驗工作。
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冶金工業(yè)的生產(chǎn)特點是高能源消耗、高熱量產(chǎn)生,存在著大量的富余能源排放和流失,嚴重污染環(huán)境,造成能源浪費。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,冶金生產(chǎn)設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化為冶金工業(yè)對富余煤氣(高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐的富余煤氣)、余熱(生產(chǎn)過程中廢氣或冷卻時回收的熱量)、余壓(高爐爐頂煤氣壓力或是生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力)進行二次或三次重復(fù)再利用創(chuàng)造了條件。上述富余煤氣、余熱和余壓統(tǒng)稱為余能,利用余能發(fā)電僅是對能源綜合利用的方式之一。落實科學發(fā)展觀,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,冶金生產(chǎn)把保護環(huán)境和節(jié)能減排工作結(jié)合起來,不僅可降低生產(chǎn)成本,更重要意義在于保護環(huán)境,社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益。近年來,山東冶金工業(yè)多座大型冶煉生產(chǎn)設(shè)備(1000m3以上高爐、100t以上轉(zhuǎn)爐、新型焦爐)的建成投產(chǎn),在能源綜合利用方面做了大量的、富有成效的工作,特別是高爐煤氣壓差(TRT)發(fā)電和高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐富余煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電,使能源得到了充分利用。截2006年底,山東冶金行業(yè),有15個企業(yè)共建成發(fā)電機組59臺,裝機總?cè)萘?30610kW。已投入運行的53臺,裝機容量736810kW。2006年的發(fā)電量222379萬kW•h,占用電總量的17.76%。2007年上半年又有4臺、裝機容量18800kW投入運行,發(fā)電量還將會有進一步提高。
2利用余能發(fā)電的機組建設(shè)和運行特點
2.1能源利用形式多樣化
目前已建成的59臺發(fā)電機組中,能源利用形式有9種:1)燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)10臺,裝機容量412000kW,占裝機總?cè)萘康?9.60%。2)富余煤氣發(fā)電機組20臺,裝機容量154500kW,占裝機總?cè)萘康?8.60%。多數(shù)鋼鐵和焦化企業(yè)采用富余煤氣、燃燒鍋爐蒸汽做功通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。3)高爐煤氣壓差發(fā)電機組(TRT)12臺,裝機容量107110kW,占裝機總?cè)萘康?2.90%。4)燃煤發(fā)電機組5臺,裝機容量84000kW,占裝機總?cè)萘康?0.11%。5)干熄焦余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量31000kW,占裝機總?cè)萘康?.73%。6)焦爐廢氣余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量24000kW,占裝機總?cè)萘康?.89%。7)焦爐燃氣發(fā)電機組5臺,裝機容量10000kW,占裝機總?cè)萘康?.20%。8)煉鋼余熱發(fā)電機組1臺,裝機容量6000kW,占裝機總?cè)萘康?.72%。9)柴油發(fā)電機組2臺,裝機容量1000kW,占裝機總?cè)萘康?.12%(山東鎂礦作為備用電源用)。
2.2裝機容量不斷增加
近幾年,大型生產(chǎn)設(shè)備的逐步建成和投產(chǎn),使冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能大量增加,利用余能發(fā)電的條件更加充沛,余能利用方式呈現(xiàn)多樣性,發(fā)電機組的建設(shè)進入了一個高峰期。2004年投入運行的發(fā)電機組150000kW,2006年投入運行的發(fā)電機組多,達到427800kW,與2000年(15臺,共72500kW)相比,發(fā)電機組和裝機容量分別增長2.53倍和8.16倍。
2.3單機容量不斷增大,能源利用方式擴展
2001年前能源利用方式有4種,主要是高爐煤氣發(fā)電和燃煤發(fā)電,只有1臺干熄焦余熱發(fā)電;單機容量小的500kW,大的25000kW。當時單機容量大的有:1)燃煤發(fā)電機組是山東鋁廠的1臺25000kW;2)干熄焦余熱發(fā)電機組是濟鋼的1臺6000kW;3)高爐煤氣發(fā)電機組是威海鑫山鐵廠的2臺3000kW發(fā)電機組。2001年后大機組建設(shè)和投入運行逐漸增多,特別是從2004年起,建設(shè)速度加快,單機容量不斷增大,2001~2006年共建設(shè)發(fā)電機組44臺,裝機容量758110kW,單機容量大達到50000kW。單機裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組共20臺,裝機容量641000kW,占所建發(fā)電機組的比例分別為46.51%和84.55%。能源利用方式有了較大的改變,在原有4種利用方式的基礎(chǔ)上又增加了5種:燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP);高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT);焦爐燃氣發(fā)電;焦爐廢氣余熱發(fā)電;轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電。
2.4單機容量多樣
單機容量發(fā)電機組共有17種類,具體情況如下:50000kW,3臺;48000kW,4臺;42000kW,2臺;35000kW,1臺;25000kW,7臺;18000kW,2臺;15000kW,3臺;12000kW,4臺;8000kW,5臺;6800kW,2臺;6000kW,8臺;4350kW,1臺;4160kW,1臺;3000kW,8臺;2000kW,5臺;1500kW,5臺;500kW,2臺。其中,單機容量6000kW和3000kW的分別是8臺,為使用量多。2000年企業(yè)發(fā)電量過10000萬kW•h僅有2個單位,2006年企業(yè)發(fā)電量超過10000萬kW•h的有4個單位,其中濟鋼超過10億kW•h,萊鋼達到35555萬kW•h,山東鋁廠繼續(xù)保持30000kW•h。2006年15個企業(yè)的發(fā)用電比例達到17.76%,用電量和發(fā)電量分別增長2.03倍和2.37倍。有的企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了全部使用余能發(fā)電,并有少量外供,取得明顯的經(jīng)濟效益。發(fā)電量超過用電量的企業(yè)有1個,發(fā)、用電量比例達到139%;發(fā)、用電量比例達到60%以上的有3個單位,分別為69.90%、65.62%和64.34%;發(fā)、用電比例達到20%以上的單位有4個,分別為28.59%、27.70%、27.18%和20.35%。有些企業(yè)的發(fā)電機組是2006年才投入運行的,發(fā)電機組的潛能還沒有*發(fā)揮出來。通過余能發(fā)電機組的建設(shè),發(fā)電能力有了很大提高。在調(diào)查的15個企業(yè)中,2000年用電總量413745萬kW•h,發(fā)電量66081萬kW•h,發(fā)、用電比例15.97%。2006年用電總量1252420萬kW•h,發(fā)電量222379萬kW•h,發(fā)、用電比例達到17.76%。預(yù)計2007年企業(yè)的發(fā)電量和發(fā)、用電比例都會有大的提高,將取得更加突出的社會效益和經(jīng)濟效益。
2.5上網(wǎng)方式靈活
冶金企業(yè)利用余能發(fā)電,一方面實現(xiàn)了節(jié)能減排,使能源得到了多次重復(fù)利用,另一方面減少了電費支出。各企業(yè)與當?shù)毓╇姽镜拿芮泻献?實現(xiàn)上網(wǎng)方式的靈活性和多樣性,有利于企業(yè)發(fā)電機組的高效運行。有的采用自備電廠運行方式,所發(fā)電量全部自用;有的采用公用電廠運行方式,所發(fā)電量全部上網(wǎng),賣給當?shù)毓╇姽?用電時按網(wǎng)上供電價格回購。
3問題及建議
山東冶金工業(yè)發(fā)電設(shè)備建設(shè)及運行仍存在以下問題:
1)裝機小容量比例多。發(fā)電機組建設(shè)裝機容量的大小雖然與企業(yè)富余能源的多少有關(guān)聯(lián),但在調(diào)查的15個企業(yè)的59臺發(fā)電機組中,小于10000kW的機組有37臺,比例達到62.71%。
2)裝機品種多。在59臺發(fā)電機組中,有17種不同裝機容量的發(fā)電機組,裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組品種有8個,10000kW以下的發(fā)電機組有9個。
3)發(fā)展不平衡。山東冶金各生產(chǎn)企業(yè)之間,利用余能發(fā)電,工作開展的不平衡,有的起步早,發(fā)電設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備同步建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)時,發(fā)電機組同步運行;有的才剛起步。有的起點高,對富余能源集中利用,發(fā)電機組能力大,而有的企業(yè)發(fā)電機組臺數(shù)多,單機容量小。
4)建設(shè)項目審批難,發(fā)電上網(wǎng)費用高。
針對存在的問題,提出如下建議:
1)國家有關(guān)部門應(yīng)加大對能源綜合利用工作的支持力度。冶金企業(yè)對余能的再利用,是利國、利民,有利于全社會的事,有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,在余能發(fā)電機組建設(shè)、運行和上網(wǎng)工作中應(yīng)從政策上給予鼓勵,在資金上給予支持。
2)企業(yè)在能源綜合利用工作上,應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃,推廣高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT)和燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP)。在高爐煤氣壓差發(fā)電機組建設(shè)過程中,青鋼利用2座500m3高爐,采用“二拖一”方式,一方面實現(xiàn)高爐煤氣壓差發(fā)電,另一方面使得發(fā)電機組相對較大。通過采用“二拖一”方式,使大發(fā)電機組所需的煤氣流量有了保障,使小容積的高爐采用TRT發(fā)電成為可能,有條件的企業(yè)應(yīng)當借鑒。
3)在余熱回收利用方面,還有大量的工作可做,濟鋼實現(xiàn)了40t轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電機組的運行,取得了很好的效果。目前省內(nèi)鋼鐵企業(yè)40t以上的轉(zhuǎn)爐相當普遍,如果全部實現(xiàn)余熱回收發(fā)電,效益將是相當可觀的。
4)加強企業(yè)間交流,增強信息溝通,不斷提高發(fā)電機組的管理水平和運行質(zhì)量。
4結(jié)束語
通過這次對全省冶金企業(yè)余能發(fā)電機組建設(shè)和運行情況的調(diào)查,對目前冶金企業(yè)的發(fā)電機組建設(shè)和運行情況有了一個大致的了解。雖然參與調(diào)查的企業(yè)還不*,但也可以看出,冶金企業(yè)對余能發(fā)電工作還是非常重視的,特別是近幾年,發(fā)電機組的建設(shè)和投入運行的數(shù)量明顯加快,能源的利用方式更加多樣化。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、做好環(huán)境保護工作方面,從節(jié)能減排入手,投入大,見效快,取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了社會和企業(yè)的雙贏。
固體電解質(zhì)脫氧是指利用氧離子導體滲透膜,把其置于不同氧勢的兩端之間組成閉合回路時,氧離子會從高氧勢的一端向低氧勢的一端流動,脫除高氧勢端的氧,原理示意圖見圖1。固體電解質(zhì)脫氧的方式有兩種,一種是主動的,依靠化學勢驅(qū)動;另一種是被動的,依靠電場力驅(qū)動。根據(jù)固體電解質(zhì)兩端驅(qū)動氧方式的不同,可分為外加電勢法[2-4]、混合導體法[5-6]和濃差電池短路法[7-9]三種。
1.1外加電勢法
外加電勢法是在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加定向外電勢,通過電場力和氧勢差的作用實現(xiàn)脫氧。在不超過固體電解質(zhì)極限電流的情況下,施加電勢越大,電流越大,脫氧也越快。根據(jù)外加電勢極性的不同可分兩種,其等效電路圖分別見圖2的(a)和(b)。圖中(a)是在外加電場作用下,氧離子克服固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的阻力,從低氧側(cè)遷移到高氧側(cè);而圖中(b)是在外加電場和固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的共同作用下,氧離子從高氧側(cè)遷移到低氧側(cè)。對于外加電勢法,選取的陽極物質(zhì)多為空氣,脫氧速度的控制少有兩種可能:在高氧濃度范圍和低外加電勢時是氧離子在固體電解質(zhì)中的傳遞;在低氧濃度范圍和高外加電勢時是金屬熔體中氧原子向金屬熔體-固體電解質(zhì)界面的擴散。對于不同體系條件,氧濃度范圍或外加電勢范圍可能不同,在脫氧過程中控速環(huán)節(jié)可能是變化的。另外,耐火材料的分解及金屬熔體的再氧化對固體電解質(zhì)脫氧有較大的影響[4]。外加電勢法目前存在兩個問題:一是外加電勢太高或與熔體接觸的固體電解質(zhì)界面氧濃度很低時會導致固體電解質(zhì)在電流作用下離解;二是固體電解質(zhì)的電子導電性在溫度升高或在低氧分壓范圍內(nèi)時會顯著增大,將明顯降低電流效率。因此,提出了混合導體法脫氧。
1.2混合導體法
混合導體法[5-6]是利用滲透膜同時具有離子電導和電子電導的屬性,在陰、陽極兩側(cè)氧勢差的推動下,僅通過滲透膜內(nèi)部的自由電子在電場作用下形成的短路實現(xiàn)脫氧,相當于電池本身構(gòu)成一個回路。但是短路電流的存在減弱了阻礙氧離子在滲透膜中遷移的電場。固體電解質(zhì)一般都有一定的電子導電性[10],理論上可認為都是離子和電子的混合導體,只不過電子導電大小不同而已。相對于外加電勢法,混合導體法的脫氧速率要慢得多。原因在于混合導體法中,氧離子通過電解質(zhì)的遷移必伴隨著等量而方向相反的電子遷移來維持電中性,而電解質(zhì)中殘存的電子導電性僅相當于離子導電的一小部分(約1/10),致使脫氧速率較慢。因此有研究者[6]認為,混合導體法脫氧控速環(huán)節(jié)是電子在電解質(zhì)中的傳遞。另外,電解質(zhì)電子電導率隨溫度下降呈指數(shù)衰減,不適宜用于低溫熔體中。
1.3濃差電池短路法
針對以上利用固體電解質(zhì)脫氧方法的不足之處,一種全新的脫氧方法—─濃差電池短路法[7-9]應(yīng)運而生。該方法操作簡便易行,提高了利用固體電解質(zhì)功能材料進行脫氧的效率。圖3示出了此脫氧方法的原理。當脫氧體浸入金屬液后,在氧位差的推動下,金屬液中的氧會以離子形態(tài)穿過固體電解質(zhì)半透膜,并與后者內(nèi)含的脫氧劑結(jié)合,從而達到脫氧的目的。由于反應(yīng)產(chǎn)物不在鋼液內(nèi)生成,解決了以前脫氧劑所帶來的污染問題。不過,在此脫氧過程中,固體電解質(zhì)的外表面(與金屬液接觸的界面)會積累正電荷,而內(nèi)表面(與脫氧劑接觸的界面)則積累負電荷,它們將形成一個電場并阻礙氧離子的繼續(xù)遷移。如果不能及時消除這種電荷的積累并破壞形成的電場,脫氧過程就無法繼續(xù)進行。高溫電子導電材料的存在解決了這一問題。高溫電子導電材料不但有封堵脫氧體填料口的功能,同時也把固體電解質(zhì)脫氧劑界面所積累的自由電子傳遞到鋼液-固體電解質(zhì)界面,使兩個界面所積累的電荷中和,從而保證了脫氧過程繼續(xù)進行,直脫氧反應(yīng)達到平衡[11]。濃差電池短路脫氧選取的陽極物質(zhì)是H2、CO等還原性氣體、碳和金屬Al等物質(zhì),以提供低氧勢。控速環(huán)節(jié)多為電路中的總電阻大小和氧在金屬熔體中的擴散。隨氧濃度的不斷降低,控速環(huán)節(jié)也有變化,可采取相應(yīng)措施改善脫氧動力學條件。與其它脫氧方法相比,這種無夾雜物的脫氧方法具有許多優(yōu)點:不產(chǎn)生任何氣體及氧化物夾雜,并且使用簡單方便。隨著固體電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和再生技術(shù)的運用,此方法的成本將不斷降低。目前濃差電池短路法的研究重點:新型固體電解質(zhì)功能材料的開發(fā)、脫氧體加入方式的改進以及脫氧體內(nèi)采用新脫氧劑等。盡管這些方法克服了固體電解質(zhì)外加電場法某些方面的不足,從氧滲透膜脫氧的實際要求來看,上述的脫氧方法仍嫌復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。它們有一個共同的特點,全都依賴固體電解質(zhì)。為了克服上述問題,考慮到氧化鋯固體電解質(zhì)在固態(tài)時所呈現(xiàn)的氧離子導電性,研究能否用液態(tài)的氧離子異體代替固體電解質(zhì)。
2渣-金屬間外加電場無污染脫氧
熔渣也是一種具有離子導電特性的電解質(zhì),它含有氧離子、各類金屬陽離子以及不同的復(fù)合離子團。根據(jù)固體電解質(zhì)外加電場法脫氧的原理,如果能夠找到一種氧離子遷移為主體的熔渣,則可用這種熔渣代替固體電解質(zhì)作為反應(yīng)的中介,以其作為金屬液中溶解氧向外傳輸?shù)?ldquo;通道”。在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場(見圖4),可控制氧離子在熔渣體系中的傳導方向和速度。由于熔渣是以液態(tài)的形式存在,更易于離子的遷移,因此從理論上,*可以實現(xiàn)比固體電解質(zhì)電解脫氧更理想的脫氧效果[12-13]。根據(jù)電化學原理,步驟(2)使金屬-爐渣界面積累正電荷,步驟(4)使爐渣/石墨電極的接觸界面積累負電荷,如果不消除這些積累的電荷,就會形成一個電場,將阻礙氧離子的進一步遷移,終導致脫氧過程的停止。而反向外加電場的施加,即可消除或者減小這個阻礙電場,使氧離子不斷向渣相遷移,直到陽極發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體,脫離反應(yīng)體系為止。不難看出,用液態(tài)爐渣代替昂貴的固體電解質(zhì),克服了采用氧化鋯類固體電解質(zhì)或相關(guān)功能陶瓷造成的成本過高的問題。液態(tài)爐渣是金屬熔體好的保護層,它既可以防止金屬的二次氧化,又可以起到保溫作用。金屬熔體內(nèi)的氧位、脫氧速度及強度可通過調(diào)節(jié)外加電勢來控制。從以上分析可以看出,渣-金屬間外加電場脫氧技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用的前景。目前,己在實驗室開展了相關(guān)研究,取得了一定的結(jié)果。
3結(jié)語
利用氧離子傳導電解質(zhì)材料進行脫氧,反應(yīng)過程中可將還原劑(或陽極物質(zhì))與被脫氧(還原)的物質(zhì)隔離開,避免了被脫氧物質(zhì)的污染。渣-金間外加直流電場脫氧的方法避免了對金屬液的污染,而且不受固體電解質(zhì)的限制,成本比較低廉,因而這是生產(chǎn)潔凈金屬或?qū)饘俸趿窟M行調(diào)整的好方法。在冶金工業(yè)上,它可以作為一種獨立的精煉手段,也適合與后續(xù)的連鑄加工設(shè)備配合使用,還可應(yīng)用于其他相關(guān)金屬熔體的脫氧過程,因此,渣-金間外加電場脫氧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是爐渣畢竟不同于固體電解質(zhì),要真正起到和固體電解質(zhì)相類似的作用,而且能夠應(yīng)用到實際的冶金生產(chǎn)中,還需要進行大量的理論和實驗工作。
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冶金工業(yè)的生產(chǎn)特點是高能源消耗、高熱量產(chǎn)生,存在著大量的富余能源排放和流失,嚴重污染環(huán)境,造成能源浪費。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,冶金生產(chǎn)設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化為冶金工業(yè)對富余煤氣(高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐的富余煤氣)、余熱(生產(chǎn)過程中廢氣或冷卻時回收的熱量)、余壓(高爐爐頂煤氣壓力或是生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力)進行二次或三次重復(fù)再利用創(chuàng)造了條件。上述富余煤氣、余熱和余壓統(tǒng)稱為余能,利用余能發(fā)電僅是對能源綜合利用的方式之一。落實科學發(fā)展觀,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,冶金生產(chǎn)把保護環(huán)境和節(jié)能減排工作結(jié)合起來,不僅可降低生產(chǎn)成本,更重要意義在于保護環(huán)境,社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益。近年來,山東冶金工業(yè)多座大型冶煉生產(chǎn)設(shè)備(1000m3以上高爐、100t以上轉(zhuǎn)爐、新型焦爐)的建成投產(chǎn),在能源綜合利用方面做了大量的、富有成效的工作,特別是高爐煤氣壓差(TRT)發(fā)電和高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐富余煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電,使能源得到了充分利用。截2006年底,山東冶金行業(yè),有15個企業(yè)共建成發(fā)電機組59臺,裝機總?cè)萘?30610kW。已投入運行的53臺,裝機容量736810kW。2006年的發(fā)電量222379萬kW•h,占用電總量的17.76%。2007年上半年又有4臺、裝機容量18800kW投入運行,發(fā)電量還將會有進一步提高。
2利用余能發(fā)電的機組建設(shè)和運行特點
2.1能源利用形式多樣化
目前已建成的59臺發(fā)電機組中,能源利用形式有9種:1)燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)10臺,裝機容量412000kW,占裝機總?cè)萘康?9.60%。2)富余煤氣發(fā)電機組20臺,裝機容量154500kW,占裝機總?cè)萘康?8.60%。多數(shù)鋼鐵和焦化企業(yè)采用富余煤氣、燃燒鍋爐蒸汽做功通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。3)高爐煤氣壓差發(fā)電機組(TRT)12臺,裝機容量107110kW,占裝機總?cè)萘康?2.90%。4)燃煤發(fā)電機組5臺,裝機容量84000kW,占裝機總?cè)萘康?0.11%。5)干熄焦余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量31000kW,占裝機總?cè)萘康?.73%。6)焦爐廢氣余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量24000kW,占裝機總?cè)萘康?.89%。7)焦爐燃氣發(fā)電機組5臺,裝機容量10000kW,占裝機總?cè)萘康?.20%。8)煉鋼余熱發(fā)電機組1臺,裝機容量6000kW,占裝機總?cè)萘康?.72%。9)柴油發(fā)電機組2臺,裝機容量1000kW,占裝機總?cè)萘康?.12%(山東鎂礦作為備用電源用)。
2.2裝機容量不斷增加
近幾年,大型生產(chǎn)設(shè)備的逐步建成和投產(chǎn),使冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能大量增加,利用余能發(fā)電的條件更加充沛,余能利用方式呈現(xiàn)多樣性,發(fā)電機組的建設(shè)進入了一個高峰期。2004年投入運行的發(fā)電機組150000kW,2006年投入運行的發(fā)電機組多,達到427800kW,與2000年(15臺,共72500kW)相比,發(fā)電機組和裝機容量分別增長2.53倍和8.16倍。
2.3單機容量不斷增大,能源利用方式擴展
2001年前能源利用方式有4種,主要是高爐煤氣發(fā)電和燃煤發(fā)電,只有1臺干熄焦余熱發(fā)電;單機容量小的500kW,大的25000kW。當時單機容量大的有:1)燃煤發(fā)電機組是山東鋁廠的1臺25000kW;2)干熄焦余熱發(fā)電機組是濟鋼的1臺6000kW;3)高爐煤氣發(fā)電機組是威海鑫山鐵廠的2臺3000kW發(fā)電機組。2001年后大機組建設(shè)和投入運行逐漸增多,特別是從2004年起,建設(shè)速度加快,單機容量不斷增大,2001~2006年共建設(shè)發(fā)電機組44臺,裝機容量758110kW,單機容量大達到50000kW。單機裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組共20臺,裝機容量641000kW,占所建發(fā)電機組的比例分別為46.51%和84.55%。能源利用方式有了較大的改變,在原有4種利用方式的基礎(chǔ)上又增加了5種:燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP);高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT);焦爐燃氣發(fā)電;焦爐廢氣余熱發(fā)電;轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電。
2.4單機容量多樣
單機容量發(fā)電機組共有17種類,具體情況如下:50000kW,3臺;48000kW,4臺;42000kW,2臺;35000kW,1臺;25000kW,7臺;18000kW,2臺;15000kW,3臺;12000kW,4臺;8000kW,5臺;6800kW,2臺;6000kW,8臺;4350kW,1臺;4160kW,1臺;3000kW,8臺;2000kW,5臺;1500kW,5臺;500kW,2臺。其中,單機容量6000kW和3000kW的分別是8臺,為使用量多。2000年企業(yè)發(fā)電量過10000萬kW•h僅有2個單位,2006年企業(yè)發(fā)電量超過10000萬kW•h的有4個單位,其中濟鋼超過10億kW•h,萊鋼達到35555萬kW•h,山東鋁廠繼續(xù)保持30000kW•h。2006年15個企業(yè)的發(fā)用電比例達到17.76%,用電量和發(fā)電量分別增長2.03倍和2.37倍。有的企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了全部使用余能發(fā)電,并有少量外供,取得明顯的經(jīng)濟效益。發(fā)電量超過用電量的企業(yè)有1個,發(fā)、用電量比例達到139%;發(fā)、用電量比例達到60%以上的有3個單位,分別為69.90%、65.62%和64.34%;發(fā)、用電比例達到20%以上的單位有4個,分別為28.59%、27.70%、27.18%和20.35%。有些企業(yè)的發(fā)電機組是2006年才投入運行的,發(fā)電機組的潛能還沒有*發(fā)揮出來。通過余能發(fā)電機組的建設(shè),發(fā)電能力有了很大提高。在調(diào)查的15個企業(yè)中,2000年用電總量413745萬kW•h,發(fā)電量66081萬kW•h,發(fā)、用電比例15.97%。2006年用電總量1252420萬kW•h,發(fā)電量222379萬kW•h,發(fā)、用電比例達到17.76%。預(yù)計2007年企業(yè)的發(fā)電量和發(fā)、用電比例都會有大的提高,將取得更加突出的社會效益和經(jīng)濟效益。
2.5上網(wǎng)方式靈活
冶金企業(yè)利用余能發(fā)電,一方面實現(xiàn)了節(jié)能減排,使能源得到了多次重復(fù)利用,另一方面減少了電費支出。各企業(yè)與當?shù)毓╇姽镜拿芮泻献?實現(xiàn)上網(wǎng)方式的靈活性和多樣性,有利于企業(yè)發(fā)電機組的高效運行。有的采用自備電廠運行方式,所發(fā)電量全部自用;有的采用公用電廠運行方式,所發(fā)電量全部上網(wǎng),賣給當?shù)毓╇姽?用電時按網(wǎng)上供電價格回購。
3問題及建議
山東冶金工業(yè)發(fā)電設(shè)備建設(shè)及運行仍存在以下問題:
1)裝機小容量比例多。發(fā)電機組建設(shè)裝機容量的大小雖然與企業(yè)富余能源的多少有關(guān)聯(lián),但在調(diào)查的15個企業(yè)的59臺發(fā)電機組中,小于10000kW的機組有37臺,比例達到62.71%。
2)裝機品種多。在59臺發(fā)電機組中,有17種不同裝機容量的發(fā)電機組,裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組品種有8個,10000kW以下的發(fā)電機組有9個。
3)發(fā)展不平衡。山東冶金各生產(chǎn)企業(yè)之間,利用余能發(fā)電,工作開展的不平衡,有的起步早,發(fā)電設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備同步建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)時,發(fā)電機組同步運行;有的才剛起步。有的起點高,對富余能源集中利用,發(fā)電機組能力大,而有的企業(yè)發(fā)電機組臺數(shù)多,單機容量小。
4)建設(shè)項目審批難,發(fā)電上網(wǎng)費用高。
針對存在的問題,提出如下建議:
1)國家有關(guān)部門應(yīng)加大對能源綜合利用工作的支持力度。冶金企業(yè)對余能的再利用,是利國、利民,有利于全社會的事,有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,在余能發(fā)電機組建設(shè)、運行和上網(wǎng)工作中應(yīng)從政策上給予鼓勵,在資金上給予支持。
2)企業(yè)在能源綜合利用工作上,應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃,推廣高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT)和燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP)。在高爐煤氣壓差發(fā)電機組建設(shè)過程中,青鋼利用2座500m3高爐,采用“二拖一”方式,一方面實現(xiàn)高爐煤氣壓差發(fā)電,另一方面使得發(fā)電機組相對較大。通過采用“二拖一”方式,使大發(fā)電機組所需的煤氣流量有了保障,使小容積的高爐采用TRT發(fā)電成為可能,有條件的企業(yè)應(yīng)當借鑒。
3)在余熱回收利用方面,還有大量的工作可做,濟鋼實現(xiàn)了40t轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電機組的運行,取得了很好的效果。目前省內(nèi)鋼鐵企業(yè)40t以上的轉(zhuǎn)爐相當普遍,如果全部實現(xiàn)余熱回收發(fā)電,效益將是相當可觀的。
4)加強企業(yè)間交流,增強信息溝通,不斷提高發(fā)電機組的管理水平和運行質(zhì)量。
4結(jié)束語
通過這次對全省冶金企業(yè)余能發(fā)電機組建設(shè)和運行情況的調(diào)查,對目前冶金企業(yè)的發(fā)電機組建設(shè)和運行情況有了一個大致的了解。雖然參與調(diào)查的企業(yè)還不*,但也可以看出,冶金企業(yè)對余能發(fā)電工作還是非常重視的,特別是近幾年,發(fā)電機組的建設(shè)和投入運行的數(shù)量明顯加快,能源的利用方式更加多樣化。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、做好環(huán)境保護工作方面,從節(jié)能減排入手,投入大,見效快,取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了社會和企業(yè)的雙贏。
固體電解質(zhì)脫氧是指利用氧離子導體滲透膜,把其置于不同氧勢的兩端之間組成閉合回路時,氧離子會從高氧勢的一端向低氧勢的一端流動,脫除高氧勢端的氧,原理示意圖見圖1。固體電解質(zhì)脫氧的方式有兩種,一種是主動的,依靠化學勢驅(qū)動;另一種是被動的,依靠電場力驅(qū)動。根據(jù)固體電解質(zhì)兩端驅(qū)動氧方式的不同,可分為外加電勢法[2-4]、混合導體法[5-6]和濃差電池短路法[7-9]三種。
1.1外加電勢法
外加電勢法是在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加定向外電勢,通過電場力和氧勢差的作用實現(xiàn)脫氧。在不超過固體電解質(zhì)極限電流的情況下,施加電勢越大,電流越大,脫氧也越快。根據(jù)外加電勢極性的不同可分兩種,其等效電路圖分別見圖2的(a)和(b)。圖中(a)是在外加電場作用下,氧離子克服固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的阻力,從低氧側(cè)遷移到高氧側(cè);而圖中(b)是在外加電場和固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的共同作用下,氧離子從高氧側(cè)遷移到低氧側(cè)。對于外加電勢法,選取的陽極物質(zhì)多為空氣,脫氧速度的控制少有兩種可能:在高氧濃度范圍和低外加電勢時是氧離子在固體電解質(zhì)中的傳遞;在低氧濃度范圍和高外加電勢時是金屬熔體中氧原子向金屬熔體-固體電解質(zhì)界面的擴散。對于不同體系條件,氧濃度范圍或外加電勢范圍可能不同,在脫氧過程中控速環(huán)節(jié)可能是變化的。另外,耐火材料的分解及金屬熔體的再氧化對固體電解質(zhì)脫氧有較大的影響[4]。外加電勢法目前存在兩個問題:一是外加電勢太高或與熔體接觸的固體電解質(zhì)界面氧濃度很低時會導致固體電解質(zhì)在電流作用下離解;二是固體電解質(zhì)的電子導電性在溫度升高或在低氧分壓范圍內(nèi)時會顯著增大,將明顯降低電流效率。因此,提出了混合導體法脫氧。
1.2混合導體法
混合導體法[5-6]是利用滲透膜同時具有離子電導和電子電導的屬性,在陰、陽極兩側(cè)氧勢差的推動下,僅通過滲透膜內(nèi)部的自由電子在電場作用下形成的短路實現(xiàn)脫氧,相當于電池本身構(gòu)成一個回路。但是短路電流的存在減弱了阻礙氧離子在滲透膜中遷移的電場。固體電解質(zhì)一般都有一定的電子導電性[10],理論上可認為都是離子和電子的混合導體,只不過電子導電大小不同而已。相對于外加電勢法,混合導體法的脫氧速率要慢得多。原因在于混合導體法中,氧離子通過電解質(zhì)的遷移必伴隨著等量而方向相反的電子遷移來維持電中性,而電解質(zhì)中殘存的電子導電性僅相當于離子導電的一小部分(約1/10),致使脫氧速率較慢。因此有研究者[6]認為,混合導體法脫氧控速環(huán)節(jié)是電子在電解質(zhì)中的傳遞。另外,電解質(zhì)電子電導率隨溫度下降呈指數(shù)衰減,不適宜用于低溫熔體中。
1.3濃差電池短路法
針對以上利用固體電解質(zhì)脫氧方法的不足之處,一種全新的脫氧方法—─濃差電池短路法[7-9]應(yīng)運而生。該方法操作簡便易行,提高了利用固體電解質(zhì)功能材料進行脫氧的效率。圖3示出了此脫氧方法的原理。當脫氧體浸入金屬液后,在氧位差的推動下,金屬液中的氧會以離子形態(tài)穿過固體電解質(zhì)半透膜,并與后者內(nèi)含的脫氧劑結(jié)合,從而達到脫氧的目的。由于反應(yīng)產(chǎn)物不在鋼液內(nèi)生成,解決了以前脫氧劑所帶來的污染問題。不過,在此脫氧過程中,固體電解質(zhì)的外表面(與金屬液接觸的界面)會積累正電荷,而內(nèi)表面(與脫氧劑接觸的界面)則積累負電荷,它們將形成一個電場并阻礙氧離子的繼續(xù)遷移。如果不能及時消除這種電荷的積累并破壞形成的電場,脫氧過程就無法繼續(xù)進行。高溫電子導電材料的存在解決了這一問題。高溫電子導電材料不但有封堵脫氧體填料口的功能,同時也把固體電解質(zhì)脫氧劑界面所積累的自由電子傳遞到鋼液-固體電解質(zhì)界面,使兩個界面所積累的電荷中和,從而保證了脫氧過程繼續(xù)進行,直脫氧反應(yīng)達到平衡[11]。濃差電池短路脫氧選取的陽極物質(zhì)是H2、CO等還原性氣體、碳和金屬Al等物質(zhì),以提供低氧勢。控速環(huán)節(jié)多為電路中的總電阻大小和氧在金屬熔體中的擴散。隨氧濃度的不斷降低,控速環(huán)節(jié)也有變化,可采取相應(yīng)措施改善脫氧動力學條件。與其它脫氧方法相比,這種無夾雜物的脫氧方法具有許多優(yōu)點:不產(chǎn)生任何氣體及氧化物夾雜,并且使用簡單方便。隨著固體電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和再生技術(shù)的運用,此方法的成本將不斷降低。目前濃差電池短路法的研究重點:新型固體電解質(zhì)功能材料的開發(fā)、脫氧體加入方式的改進以及脫氧體內(nèi)采用新脫氧劑等。盡管這些方法克服了固體電解質(zhì)外加電場法某些方面的不足,從氧滲透膜脫氧的實際要求來看,上述的脫氧方法仍嫌復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。它們有一個共同的特點,全都依賴固體電解質(zhì)。為了克服上述問題,考慮到氧化鋯固體電解質(zhì)在固態(tài)時所呈現(xiàn)的氧離子導電性,研究能否用液態(tài)的氧離子異體代替固體電解質(zhì)。
2渣-金屬間外加電場無污染脫氧
熔渣也是一種具有離子導電特性的電解質(zhì),它含有氧離子、各類金屬陽離子以及不同的復(fù)合離子團。根據(jù)固體電解質(zhì)外加電場法脫氧的原理,如果能夠找到一種氧離子遷移為主體的熔渣,則可用這種熔渣代替固體電解質(zhì)作為反應(yīng)的中介,以其作為金屬液中溶解氧向外傳輸?shù)?ldquo;通道”。在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場(見圖4),可控制氧離子在熔渣體系中的傳導方向和速度。由于熔渣是以液態(tài)的形式存在,更易于離子的遷移,因此從理論上,*可以實現(xiàn)比固體電解質(zhì)電解脫氧更理想的脫氧效果[12-13]。根據(jù)電化學原理,步驟(2)使金屬-爐渣界面積累正電荷,步驟(4)使爐渣/石墨電極的接觸界面積累負電荷,如果不消除這些積累的電荷,就會形成一個電場,將阻礙氧離子的進一步遷移,終導致脫氧過程的停止。而反向外加電場的施加,即可消除或者減小這個阻礙電場,使氧離子不斷向渣相遷移,直到陽極發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體,脫離反應(yīng)體系為止。不難看出,用液態(tài)爐渣代替昂貴的固體電解質(zhì),克服了采用氧化鋯類固體電解質(zhì)或相關(guān)功能陶瓷造成的成本過高的問題。液態(tài)爐渣是金屬熔體好的保護層,它既可以防止金屬的二次氧化,又可以起到保溫作用。金屬熔體內(nèi)的氧位、脫氧速度及強度可通過調(diào)節(jié)外加電勢來控制。從以上分析可以看出,渣-金屬間外加電場脫氧技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用的前景。目前,己在實驗室開展了相關(guān)研究,取得了一定的結(jié)果。
3結(jié)語
利用氧離子傳導電解質(zhì)材料進行脫氧,反應(yīng)過程中可將還原劑(或陽極物質(zhì))與被脫氧(還原)的物質(zhì)隔離開,避免了被脫氧物質(zhì)的污染。渣-金間外加直流電場脫氧的方法避免了對金屬液的污染,而且不受固體電解質(zhì)的限制,成本比較低廉,因而這是生產(chǎn)潔凈金屬或?qū)饘俸趿窟M行調(diào)整的好方法。在冶金工業(yè)上,它可以作為一種獨立的精煉手段,也適合與后續(xù)的連鑄加工設(shè)備配合使用,還可應(yīng)用于其他相關(guān)金屬熔體的脫氧過程,因此,渣-金間外加電場脫氧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是爐渣畢竟不同于固體電解質(zhì),要真正起到和固體電解質(zhì)相類似的作用,而且能夠應(yīng)用到實際的冶金生產(chǎn)中,還需要進行大量的理論和實驗工作。
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冶金工業(yè)的生產(chǎn)特點是高能源消耗、高熱量產(chǎn)生,存在著大量的富余能源排放和流失,嚴重污染環(huán)境,造成能源浪費。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,冶金生產(chǎn)設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化為冶金工業(yè)對富余煤氣(高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐的富余煤氣)、余熱(生產(chǎn)過程中廢氣或冷卻時回收的熱量)、余壓(高爐爐頂煤氣壓力或是生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力)進行二次或三次重復(fù)再利用創(chuàng)造了條件。上述富余煤氣、余熱和余壓統(tǒng)稱為余能,利用余能發(fā)電僅是對能源綜合利用的方式之一。落實科學發(fā)展觀,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,冶金生產(chǎn)把保護環(huán)境和節(jié)能減排工作結(jié)合起來,不僅可降低生產(chǎn)成本,更重要意義在于保護環(huán)境,社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益。近年來,山東冶金工業(yè)多座大型冶煉生產(chǎn)設(shè)備(1000m3以上高爐、100t以上轉(zhuǎn)爐、新型焦爐)的建成投產(chǎn),在能源綜合利用方面做了大量的、富有成效的工作,特別是高爐煤氣壓差(TRT)發(fā)電和高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐富余煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電,使能源得到了充分利用。截2006年底,山東冶金行業(yè),有15個企業(yè)共建成發(fā)電機組59臺,裝機總?cè)萘?30610kW。已投入運行的53臺,裝機容量736810kW。2006年的發(fā)電量222379萬kW•h,占用電總量的17.76%。2007年上半年又有4臺、裝機容量18800kW投入運行,發(fā)電量還將會有進一步提高。
2利用余能發(fā)電的機組建設(shè)和運行特點
2.1能源利用形式多樣化
目前已建成的59臺發(fā)電機組中,能源利用形式有9種:1)燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)10臺,裝機容量412000kW,占裝機總?cè)萘康?9.60%。2)富余煤氣發(fā)電機組20臺,裝機容量154500kW,占裝機總?cè)萘康?8.60%。多數(shù)鋼鐵和焦化企業(yè)采用富余煤氣、燃燒鍋爐蒸汽做功通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。3)高爐煤氣壓差發(fā)電機組(TRT)12臺,裝機容量107110kW,占裝機總?cè)萘康?2.90%。4)燃煤發(fā)電機組5臺,裝機容量84000kW,占裝機總?cè)萘康?0.11%。5)干熄焦余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量31000kW,占裝機總?cè)萘康?.73%。6)焦爐廢氣余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量24000kW,占裝機總?cè)萘康?.89%。7)焦爐燃氣發(fā)電機組5臺,裝機容量10000kW,占裝機總?cè)萘康?.20%。8)煉鋼余熱發(fā)電機組1臺,裝機容量6000kW,占裝機總?cè)萘康?.72%。9)柴油發(fā)電機組2臺,裝機容量1000kW,占裝機總?cè)萘康?.12%(山東鎂礦作為備用電源用)。
2.2裝機容量不斷增加
近幾年,大型生產(chǎn)設(shè)備的逐步建成和投產(chǎn),使冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能大量增加,利用余能發(fā)電的條件更加充沛,余能利用方式呈現(xiàn)多樣性,發(fā)電機組的建設(shè)進入了一個高峰期。2004年投入運行的發(fā)電機組150000kW,2006年投入運行的發(fā)電機組多,達到427800kW,與2000年(15臺,共72500kW)相比,發(fā)電機組和裝機容量分別增長2.53倍和8.16倍。
2.3單機容量不斷增大,能源利用方式擴展
2001年前能源利用方式有4種,主要是高爐煤氣發(fā)電和燃煤發(fā)電,只有1臺干熄焦余熱發(fā)電;單機容量小的500kW,大的25000kW。當時單機容量大的有:1)燃煤發(fā)電機組是山東鋁廠的1臺25000kW;2)干熄焦余熱發(fā)電機組是濟鋼的1臺6000kW;3)高爐煤氣發(fā)電機組是威海鑫山鐵廠的2臺3000kW發(fā)電機組。2001年后大機組建設(shè)和投入運行逐漸增多,特別是從2004年起,建設(shè)速度加快,單機容量不斷增大,2001~2006年共建設(shè)發(fā)電機組44臺,裝機容量758110kW,單機容量大達到50000kW。單機裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組共20臺,裝機容量641000kW,占所建發(fā)電機組的比例分別為46.51%和84.55%。能源利用方式有了較大的改變,在原有4種利用方式的基礎(chǔ)上又增加了5種:燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP);高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT);焦爐燃氣發(fā)電;焦爐廢氣余熱發(fā)電;轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電。
2.4單機容量多樣
單機容量發(fā)電機組共有17種類,具體情況如下:50000kW,3臺;48000kW,4臺;42000kW,2臺;35000kW,1臺;25000kW,7臺;18000kW,2臺;15000kW,3臺;12000kW,4臺;8000kW,5臺;6800kW,2臺;6000kW,8臺;4350kW,1臺;4160kW,1臺;3000kW,8臺;2000kW,5臺;1500kW,5臺;500kW,2臺。其中,單機容量6000kW和3000kW的分別是8臺,為使用量多。2000年企業(yè)發(fā)電量過10000萬kW•h僅有2個單位,2006年企業(yè)發(fā)電量超過10000萬kW•h的有4個單位,其中濟鋼超過10億kW•h,萊鋼達到35555萬kW•h,山東鋁廠繼續(xù)保持30000kW•h。2006年15個企業(yè)的發(fā)用電比例達到17.76%,用電量和發(fā)電量分別增長2.03倍和2.37倍。有的企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了全部使用余能發(fā)電,并有少量外供,取得明顯的經(jīng)濟效益。發(fā)電量超過用電量的企業(yè)有1個,發(fā)、用電量比例達到139%;發(fā)、用電量比例達到60%以上的有3個單位,分別為69.90%、65.62%和64.34%;發(fā)、用電比例達到20%以上的單位有4個,分別為28.59%、27.70%、27.18%和20.35%。有些企業(yè)的發(fā)電機組是2006年才投入運行的,發(fā)電機組的潛能還沒有*發(fā)揮出來。通過余能發(fā)電機組的建設(shè),發(fā)電能力有了很大提高。在調(diào)查的15個企業(yè)中,2000年用電總量413745萬kW•h,發(fā)電量66081萬kW•h,發(fā)、用電比例15.97%。2006年用電總量1252420萬kW•h,發(fā)電量222379萬kW•h,發(fā)、用電比例達到17.76%。預(yù)計2007年企業(yè)的發(fā)電量和發(fā)、用電比例都會有大的提高,將取得更加突出的社會效益和經(jīng)濟效益。
2.5上網(wǎng)方式靈活
冶金企業(yè)利用余能發(fā)電,一方面實現(xiàn)了節(jié)能減排,使能源得到了多次重復(fù)利用,另一方面減少了電費支出。各企業(yè)與當?shù)毓╇姽镜拿芮泻献?實現(xiàn)上網(wǎng)方式的靈活性和多樣性,有利于企業(yè)發(fā)電機組的高效運行。有的采用自備電廠運行方式,所發(fā)電量全部自用;有的采用公用電廠運行方式,所發(fā)電量全部上網(wǎng),賣給當?shù)毓╇姽?用電時按網(wǎng)上供電價格回購。
3問題及建議
山東冶金工業(yè)發(fā)電設(shè)備建設(shè)及運行仍存在以下問題:
1)裝機小容量比例多。發(fā)電機組建設(shè)裝機容量的大小雖然與企業(yè)富余能源的多少有關(guān)聯(lián),但在調(diào)查的15個企業(yè)的59臺發(fā)電機組中,小于10000kW的機組有37臺,比例達到62.71%。
2)裝機品種多。在59臺發(fā)電機組中,有17種不同裝機容量的發(fā)電機組,裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組品種有8個,10000kW以下的發(fā)電機組有9個。
3)發(fā)展不平衡。山東冶金各生產(chǎn)企業(yè)之間,利用余能發(fā)電,工作開展的不平衡,有的起步早,發(fā)電設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備同步建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)時,發(fā)電機組同步運行;有的才剛起步。有的起點高,對富余能源集中利用,發(fā)電機組能力大,而有的企業(yè)發(fā)電機組臺數(shù)多,單機容量小。
4)建設(shè)項目審批難,發(fā)電上網(wǎng)費用高。
針對存在的問題,提出如下建議:
1)國家有關(guān)部門應(yīng)加大對能源綜合利用工作的支持力度。冶金企業(yè)對余能的再利用,是利國、利民,有利于全社會的事,有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,在余能發(fā)電機組建設(shè)、運行和上網(wǎng)工作中應(yīng)從政策上給予鼓勵,在資金上給予支持。
2)企業(yè)在能源綜合利用工作上,應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃,推廣高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT)和燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP)。在高爐煤氣壓差發(fā)電機組建設(shè)過程中,青鋼利用2座500m3高爐,采用“二拖一”方式,一方面實現(xiàn)高爐煤氣壓差發(fā)電,另一方面使得發(fā)電機組相對較大。通過采用“二拖一”方式,使大發(fā)電機組所需的煤氣流量有了保障,使小容積的高爐采用TRT發(fā)電成為可能,有條件的企業(yè)應(yīng)當借鑒。
3)在余熱回收利用方面,還有大量的工作可做,濟鋼實現(xiàn)了40t轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電機組的運行,取得了很好的效果。目前省內(nèi)鋼鐵企業(yè)40t以上的轉(zhuǎn)爐相當普遍,如果全部實現(xiàn)余熱回收發(fā)電,效益將是相當可觀的。
4)加強企業(yè)間交流,增強信息溝通,不斷提高發(fā)電機組的管理水平和運行質(zhì)量。
4結(jié)束語
通過這次對全省冶金企業(yè)余能發(fā)電機組建設(shè)和運行情況的調(diào)查,對目前冶金企業(yè)的發(fā)電機組建設(shè)和運行情況有了一個大致的了解。雖然參與調(diào)查的企業(yè)還不*,但也可以看出,冶金企業(yè)對余能發(fā)電工作還是非常重視的,特別是近幾年,發(fā)電機組的建設(shè)和投入運行的數(shù)量明顯加快,能源的利用方式更加多樣化。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、做好環(huán)境保護工作方面,從節(jié)能減排入手,投入大,見效快,取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了社會和企業(yè)的雙贏。
固體電解質(zhì)脫氧是指利用氧離子導體滲透膜,把其置于不同氧勢的兩端之間組成閉合回路時,氧離子會從高氧勢的一端向低氧勢的一端流動,脫除高氧勢端的氧,原理示意圖見圖1。固體電解質(zhì)脫氧的方式有兩種,一種是主動的,依靠化學勢驅(qū)動;另一種是被動的,依靠電場力驅(qū)動。根據(jù)固體電解質(zhì)兩端驅(qū)動氧方式的不同,可分為外加電勢法[2-4]、混合導體法[5-6]和濃差電池短路法[7-9]三種。
1.1外加電勢法
外加電勢法是在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加定向外電勢,通過電場力和氧勢差的作用實現(xiàn)脫氧。在不超過固體電解質(zhì)極限電流的情況下,施加電勢越大,電流越大,脫氧也越快。根據(jù)外加電勢極性的不同可分兩種,其等效電路圖分別見圖2的(a)和(b)。圖中(a)是在外加電場作用下,氧離子克服固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的阻力,從低氧側(cè)遷移到高氧側(cè);而圖中(b)是在外加電場和固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的共同作用下,氧離子從高氧側(cè)遷移到低氧側(cè)。對于外加電勢法,選取的陽極物質(zhì)多為空氣,脫氧速度的控制少有兩種可能:在高氧濃度范圍和低外加電勢時是氧離子在固體電解質(zhì)中的傳遞;在低氧濃度范圍和高外加電勢時是金屬熔體中氧原子向金屬熔體-固體電解質(zhì)界面的擴散。對于不同體系條件,氧濃度范圍或外加電勢范圍可能不同,在脫氧過程中控速環(huán)節(jié)可能是變化的。另外,耐火材料的分解及金屬熔體的再氧化對固體電解質(zhì)脫氧有較大的影響[4]。外加電勢法目前存在兩個問題:一是外加電勢太高或與熔體接觸的固體電解質(zhì)界面氧濃度很低時會導致固體電解質(zhì)在電流作用下離解;二是固體電解質(zhì)的電子導電性在溫度升高或在低氧分壓范圍內(nèi)時會顯著增大,將明顯降低電流效率。因此,提出了混合導體法脫氧。
1.2混合導體法
混合導體法[5-6]是利用滲透膜同時具有離子電導和電子電導的屬性,在陰、陽極兩側(cè)氧勢差的推動下,僅通過滲透膜內(nèi)部的自由電子在電場作用下形成的短路實現(xiàn)脫氧,相當于電池本身構(gòu)成一個回路。但是短路電流的存在減弱了阻礙氧離子在滲透膜中遷移的電場。固體電解質(zhì)一般都有一定的電子導電性[10],理論上可認為都是離子和電子的混合導體,只不過電子導電大小不同而已。相對于外加電勢法,混合導體法的脫氧速率要慢得多。原因在于混合導體法中,氧離子通過電解質(zhì)的遷移必伴隨著等量而方向相反的電子遷移來維持電中性,而電解質(zhì)中殘存的電子導電性僅相當于離子導電的一小部分(約1/10),致使脫氧速率較慢。因此有研究者[6]認為,混合導體法脫氧控速環(huán)節(jié)是電子在電解質(zhì)中的傳遞。另外,電解質(zhì)電子電導率隨溫度下降呈指數(shù)衰減,不適宜用于低溫熔體中。
1.3濃差電池短路法
針對以上利用固體電解質(zhì)脫氧方法的不足之處,一種全新的脫氧方法—─濃差電池短路法[7-9]應(yīng)運而生。該方法操作簡便易行,提高了利用固體電解質(zhì)功能材料進行脫氧的效率。圖3示出了此脫氧方法的原理。當脫氧體浸入金屬液后,在氧位差的推動下,金屬液中的氧會以離子形態(tài)穿過固體電解質(zhì)半透膜,并與后者內(nèi)含的脫氧劑結(jié)合,從而達到脫氧的目的。由于反應(yīng)產(chǎn)物不在鋼液內(nèi)生成,解決了以前脫氧劑所帶來的污染問題。不過,在此脫氧過程中,固體電解質(zhì)的外表面(與金屬液接觸的界面)會積累正電荷,而內(nèi)表面(與脫氧劑接觸的界面)則積累負電荷,它們將形成一個電場并阻礙氧離子的繼續(xù)遷移。如果不能及時消除這種電荷的積累并破壞形成的電場,脫氧過程就無法繼續(xù)進行。高溫電子導電材料的存在解決了這一問題。高溫電子導電材料不但有封堵脫氧體填料口的功能,同時也把固體電解質(zhì)脫氧劑界面所積累的自由電子傳遞到鋼液-固體電解質(zhì)界面,使兩個界面所積累的電荷中和,從而保證了脫氧過程繼續(xù)進行,直脫氧反應(yīng)達到平衡[11]。濃差電池短路脫氧選取的陽極物質(zhì)是H2、CO等還原性氣體、碳和金屬Al等物質(zhì),以提供低氧勢。控速環(huán)節(jié)多為電路中的總電阻大小和氧在金屬熔體中的擴散。隨氧濃度的不斷降低,控速環(huán)節(jié)也有變化,可采取相應(yīng)措施改善脫氧動力學條件。與其它脫氧方法相比,這種無夾雜物的脫氧方法具有許多優(yōu)點:不產(chǎn)生任何氣體及氧化物夾雜,并且使用簡單方便。隨著固體電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和再生技術(shù)的運用,此方法的成本將不斷降低。目前濃差電池短路法的研究重點:新型固體電解質(zhì)功能材料的開發(fā)、脫氧體加入方式的改進以及脫氧體內(nèi)采用新脫氧劑等。盡管這些方法克服了固體電解質(zhì)外加電場法某些方面的不足,從氧滲透膜脫氧的實際要求來看,上述的脫氧方法仍嫌復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。它們有一個共同的特點,全都依賴固體電解質(zhì)。為了克服上述問題,考慮到氧化鋯固體電解質(zhì)在固態(tài)時所呈現(xiàn)的氧離子導電性,研究能否用液態(tài)的氧離子異體代替固體電解質(zhì)。
2渣-金屬間外加電場無污染脫氧
熔渣也是一種具有離子導電特性的電解質(zhì),它含有氧離子、各類金屬陽離子以及不同的復(fù)合離子團。根據(jù)固體電解質(zhì)外加電場法脫氧的原理,如果能夠找到一種氧離子遷移為主體的熔渣,則可用這種熔渣代替固體電解質(zhì)作為反應(yīng)的中介,以其作為金屬液中溶解氧向外傳輸?shù)?ldquo;通道”。在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場(見圖4),可控制氧離子在熔渣體系中的傳導方向和速度。由于熔渣是以液態(tài)的形式存在,更易于離子的遷移,因此從理論上,*可以實現(xiàn)比固體電解質(zhì)電解脫氧更理想的脫氧效果[12-13]。根據(jù)電化學原理,步驟(2)使金屬-爐渣界面積累正電荷,步驟(4)使爐渣/石墨電極的接觸界面積累負電荷,如果不消除這些積累的電荷,就會形成一個電場,將阻礙氧離子的進一步遷移,終導致脫氧過程的停止。而反向外加電場的施加,即可消除或者減小這個阻礙電場,使氧離子不斷向渣相遷移,直到陽極發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體,脫離反應(yīng)體系為止。不難看出,用液態(tài)爐渣代替昂貴的固體電解質(zhì),克服了采用氧化鋯類固體電解質(zhì)或相關(guān)功能陶瓷造成的成本過高的問題。液態(tài)爐渣是金屬熔體好的保護層,它既可以防止金屬的二次氧化,又可以起到保溫作用。金屬熔體內(nèi)的氧位、脫氧速度及強度可通過調(diào)節(jié)外加電勢來控制。從以上分析可以看出,渣-金屬間外加電場脫氧技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用的前景。目前,己在實驗室開展了相關(guān)研究,取得了一定的結(jié)果。
3結(jié)語
利用氧離子傳導電解質(zhì)材料進行脫氧,反應(yīng)過程中可將還原劑(或陽極物質(zhì))與被脫氧(還原)的物質(zhì)隔離開,避免了被脫氧物質(zhì)的污染。渣-金間外加直流電場脫氧的方法避免了對金屬液的污染,而且不受固體電解質(zhì)的限制,成本比較低廉,因而這是生產(chǎn)潔凈金屬或?qū)饘俸趿窟M行調(diào)整的好方法。在冶金工業(yè)上,它可以作為一種獨立的精煉手段,也適合與后續(xù)的連鑄加工設(shè)備配合使用,還可應(yīng)用于其他相關(guān)金屬熔體的脫氧過程,因此,渣-金間外加電場脫氧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是爐渣畢竟不同于固體電解質(zhì),要真正起到和固體電解質(zhì)相類似的作用,而且能夠應(yīng)用到實際的冶金生產(chǎn)中,還需要進行大量的理論和實驗工作。
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恍然發(fā)現(xiàn)BALLUFF傳感器BTL2-GS10-0200-A
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冶金工業(yè)的生產(chǎn)特點是高能源消耗、高熱量產(chǎn)生,存在著大量的富余能源排放和流失,嚴重污染環(huán)境,造成能源浪費。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,冶金生產(chǎn)設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化為冶金工業(yè)對富余煤氣(高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐的富余煤氣)、余熱(生產(chǎn)過程中廢氣或冷卻時回收的熱量)、余壓(高爐爐頂煤氣壓力或是生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力)進行二次或三次重復(fù)再利用創(chuàng)造了條件。上述富余煤氣、余熱和余壓統(tǒng)稱為余能,利用余能發(fā)電僅是對能源綜合利用的方式之一。落實科學發(fā)展觀,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,冶金生產(chǎn)把保護環(huán)境和節(jié)能減排工作結(jié)合起來,不僅可降低生產(chǎn)成本,更重要意義在于保護環(huán)境,社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益。近年來,山東冶金工業(yè)多座大型冶煉生產(chǎn)設(shè)備(1000m3以上高爐、100t以上轉(zhuǎn)爐、新型焦爐)的建成投產(chǎn),在能源綜合利用方面做了大量的、富有成效的工作,特別是高爐煤氣壓差(TRT)發(fā)電和高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐富余煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電,使能源得到了充分利用。截2006年底,山東冶金行業(yè),有15個企業(yè)共建成發(fā)電機組59臺,裝機總?cè)萘?30610kW。已投入運行的53臺,裝機容量736810kW。2006年的發(fā)電量222379萬kW•h,占用電總量的17.76%。2007年上半年又有4臺、裝機容量18800kW投入運行,發(fā)電量還將會有進一步提高。
2利用余能發(fā)電的機組建設(shè)和運行特點
2.1能源利用形式多樣化
目前已建成的59臺發(fā)電機組中,能源利用形式有9種:1)燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)10臺,裝機容量412000kW,占裝機總?cè)萘康?9.60%。2)富余煤氣發(fā)電機組20臺,裝機容量154500kW,占裝機總?cè)萘康?8.60%。多數(shù)鋼鐵和焦化企業(yè)采用富余煤氣、燃燒鍋爐蒸汽做功通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。3)高爐煤氣壓差發(fā)電機組(TRT)12臺,裝機容量107110kW,占裝機總?cè)萘康?2.90%。4)燃煤發(fā)電機組5臺,裝機容量84000kW,占裝機總?cè)萘康?0.11%。5)干熄焦余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量31000kW,占裝機總?cè)萘康?.73%。6)焦爐廢氣余熱發(fā)電機組2臺,裝機容量24000kW,占裝機總?cè)萘康?.89%。7)焦爐燃氣發(fā)電機組5臺,裝機容量10000kW,占裝機總?cè)萘康?.20%。8)煉鋼余熱發(fā)電機組1臺,裝機容量6000kW,占裝機總?cè)萘康?.72%。9)柴油發(fā)電機組2臺,裝機容量1000kW,占裝機總?cè)萘康?.12%(山東鎂礦作為備用電源用)。
2.2裝機容量不斷增加
近幾年,大型生產(chǎn)設(shè)備的逐步建成和投產(chǎn),使冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余能大量增加,利用余能發(fā)電的條件更加充沛,余能利用方式呈現(xiàn)多樣性,發(fā)電機組的建設(shè)進入了一個高峰期。2004年投入運行的發(fā)電機組150000kW,2006年投入運行的發(fā)電機組多,達到427800kW,與2000年(15臺,共72500kW)相比,發(fā)電機組和裝機容量分別增長2.53倍和8.16倍。
2.3單機容量不斷增大,能源利用方式擴展
2001年前能源利用方式有4種,主要是高爐煤氣發(fā)電和燃煤發(fā)電,只有1臺干熄焦余熱發(fā)電;單機容量小的500kW,大的25000kW。當時單機容量大的有:1)燃煤發(fā)電機組是山東鋁廠的1臺25000kW;2)干熄焦余熱發(fā)電機組是濟鋼的1臺6000kW;3)高爐煤氣發(fā)電機組是威海鑫山鐵廠的2臺3000kW發(fā)電機組。2001年后大機組建設(shè)和投入運行逐漸增多,特別是從2004年起,建設(shè)速度加快,單機容量不斷增大,2001~2006年共建設(shè)發(fā)電機組44臺,裝機容量758110kW,單機容量大達到50000kW。單機裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組共20臺,裝機容量641000kW,占所建發(fā)電機組的比例分別為46.51%和84.55%。能源利用方式有了較大的改變,在原有4種利用方式的基礎(chǔ)上又增加了5種:燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP);高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT);焦爐燃氣發(fā)電;焦爐廢氣余熱發(fā)電;轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電。
2.4單機容量多樣
單機容量發(fā)電機組共有17種類,具體情況如下:50000kW,3臺;48000kW,4臺;42000kW,2臺;35000kW,1臺;25000kW,7臺;18000kW,2臺;15000kW,3臺;12000kW,4臺;8000kW,5臺;6800kW,2臺;6000kW,8臺;4350kW,1臺;4160kW,1臺;3000kW,8臺;2000kW,5臺;1500kW,5臺;500kW,2臺。其中,單機容量6000kW和3000kW的分別是8臺,為使用量多。2000年企業(yè)發(fā)電量過10000萬kW•h僅有2個單位,2006年企業(yè)發(fā)電量超過10000萬kW•h的有4個單位,其中濟鋼超過10億kW•h,萊鋼達到35555萬kW•h,山東鋁廠繼續(xù)保持30000kW•h。2006年15個企業(yè)的發(fā)用電比例達到17.76%,用電量和發(fā)電量分別增長2.03倍和2.37倍。有的企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了全部使用余能發(fā)電,并有少量外供,取得明顯的經(jīng)濟效益。發(fā)電量超過用電量的企業(yè)有1個,發(fā)、用電量比例達到139%;發(fā)、用電量比例達到60%以上的有3個單位,分別為69.90%、65.62%和64.34%;發(fā)、用電比例達到20%以上的單位有4個,分別為28.59%、27.70%、27.18%和20.35%。有些企業(yè)的發(fā)電機組是2006年才投入運行的,發(fā)電機組的潛能還沒有*發(fā)揮出來。通過余能發(fā)電機組的建設(shè),發(fā)電能力有了很大提高。在調(diào)查的15個企業(yè)中,2000年用電總量413745萬kW•h,發(fā)電量66081萬kW•h,發(fā)、用電比例15.97%。2006年用電總量1252420萬kW•h,發(fā)電量222379萬kW•h,發(fā)、用電比例達到17.76%。預(yù)計2007年企業(yè)的發(fā)電量和發(fā)、用電比例都會有大的提高,將取得更加突出的社會效益和經(jīng)濟效益。
2.5上網(wǎng)方式靈活
冶金企業(yè)利用余能發(fā)電,一方面實現(xiàn)了節(jié)能減排,使能源得到了多次重復(fù)利用,另一方面減少了電費支出。各企業(yè)與當?shù)毓╇姽镜拿芮泻献?實現(xiàn)上網(wǎng)方式的靈活性和多樣性,有利于企業(yè)發(fā)電機組的高效運行。有的采用自備電廠運行方式,所發(fā)電量全部自用;有的采用公用電廠運行方式,所發(fā)電量全部上網(wǎng),賣給當?shù)毓╇姽?用電時按網(wǎng)上供電價格回購。
3問題及建議
山東冶金工業(yè)發(fā)電設(shè)備建設(shè)及運行仍存在以下問題:
1)裝機小容量比例多。發(fā)電機組建設(shè)裝機容量的大小雖然與企業(yè)富余能源的多少有關(guān)聯(lián),但在調(diào)查的15個企業(yè)的59臺發(fā)電機組中,小于10000kW的機組有37臺,比例達到62.71%。
2)裝機品種多。在59臺發(fā)電機組中,有17種不同裝機容量的發(fā)電機組,裝機容量10000kW以上的發(fā)電機組品種有8個,10000kW以下的發(fā)電機組有9個。
3)發(fā)展不平衡。山東冶金各生產(chǎn)企業(yè)之間,利用余能發(fā)電,工作開展的不平衡,有的起步早,發(fā)電設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備同步建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)時,發(fā)電機組同步運行;有的才剛起步。有的起點高,對富余能源集中利用,發(fā)電機組能力大,而有的企業(yè)發(fā)電機組臺數(shù)多,單機容量小。
4)建設(shè)項目審批難,發(fā)電上網(wǎng)費用高。
針對存在的問題,提出如下建議:
1)國家有關(guān)部門應(yīng)加大對能源綜合利用工作的支持力度。冶金企業(yè)對余能的再利用,是利國、利民,有利于全社會的事,有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,在余能發(fā)電機組建設(shè)、運行和上網(wǎng)工作中應(yīng)從政策上給予鼓勵,在資金上給予支持。
2)企業(yè)在能源綜合利用工作上,應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃,推廣高爐煤氣壓差發(fā)電(TRT)和燃氣—蒸汽循環(huán)發(fā)電(CCPP)。在高爐煤氣壓差發(fā)電機組建設(shè)過程中,青鋼利用2座500m3高爐,采用“二拖一”方式,一方面實現(xiàn)高爐煤氣壓差發(fā)電,另一方面使得發(fā)電機組相對較大。通過采用“二拖一”方式,使大發(fā)電機組所需的煤氣流量有了保障,使小容積的高爐采用TRT發(fā)電成為可能,有條件的企業(yè)應(yīng)當借鑒。
3)在余熱回收利用方面,還有大量的工作可做,濟鋼實現(xiàn)了40t轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電機組的運行,取得了很好的效果。目前省內(nèi)鋼鐵企業(yè)40t以上的轉(zhuǎn)爐相當普遍,如果全部實現(xiàn)余熱回收發(fā)電,效益將是相當可觀的。
4)加強企業(yè)間交流,增強信息溝通,不斷提高發(fā)電機組的管理水平和運行質(zhì)量。
4結(jié)束語
通過這次對全省冶金企業(yè)余能發(fā)電機組建設(shè)和運行情況的調(diào)查,對目前冶金企業(yè)的發(fā)電機組建設(shè)和運行情況有了一個大致的了解。雖然參與調(diào)查的企業(yè)還不*,但也可以看出,冶金企業(yè)對余能發(fā)電工作還是非常重視的,特別是近幾年,發(fā)電機組的建設(shè)和投入運行的數(shù)量明顯加快,能源的利用方式更加多樣化。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、做好環(huán)境保護工作方面,從節(jié)能減排入手,投入大,見效快,取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益,實現(xiàn)了社會和企業(yè)的雙贏。
固體電解質(zhì)脫氧是指利用氧離子導體滲透膜,把其置于不同氧勢的兩端之間組成閉合回路時,氧離子會從高氧勢的一端向低氧勢的一端流動,脫除高氧勢端的氧,原理示意圖見圖1。固體電解質(zhì)脫氧的方式有兩種,一種是主動的,依靠化學勢驅(qū)動;另一種是被動的,依靠電場力驅(qū)動。根據(jù)固體電解質(zhì)兩端驅(qū)動氧方式的不同,可分為外加電勢法[2-4]、混合導體法[5-6]和濃差電池短路法[7-9]三種。
1.1外加電勢法
外加電勢法是在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加定向外電勢,通過電場力和氧勢差的作用實現(xiàn)脫氧。在不超過固體電解質(zhì)極限電流的情況下,施加電勢越大,電流越大,脫氧也越快。根據(jù)外加電勢極性的不同可分兩種,其等效電路圖分別見圖2的(a)和(b)。圖中(a)是在外加電場作用下,氧離子克服固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的阻力,從低氧側(cè)遷移到高氧側(cè);而圖中(b)是在外加電場和固體電解質(zhì)兩側(cè)氧勢差的共同作用下,氧離子從高氧側(cè)遷移到低氧側(cè)。對于外加電勢法,選取的陽極物質(zhì)多為空氣,脫氧速度的控制少有兩種可能:在高氧濃度范圍和低外加電勢時是氧離子在固體電解質(zhì)中的傳遞;在低氧濃度范圍和高外加電勢時是金屬熔體中氧原子向金屬熔體-固體電解質(zhì)界面的擴散。對于不同體系條件,氧濃度范圍或外加電勢范圍可能不同,在脫氧過程中控速環(huán)節(jié)可能是變化的。另外,耐火材料的分解及金屬熔體的再氧化對固體電解質(zhì)脫氧有較大的影響[4]。外加電勢法目前存在兩個問題:一是外加電勢太高或與熔體接觸的固體電解質(zhì)界面氧濃度很低時會導致固體電解質(zhì)在電流作用下離解;二是固體電解質(zhì)的電子導電性在溫度升高或在低氧分壓范圍內(nèi)時會顯著增大,將明顯降低電流效率。因此,提出了混合導體法脫氧。
1.2混合導體法
混合導體法[5-6]是利用滲透膜同時具有離子電導和電子電導的屬性,在陰、陽極兩側(cè)氧勢差的推動下,僅通過滲透膜內(nèi)部的自由電子在電場作用下形成的短路實現(xiàn)脫氧,相當于電池本身構(gòu)成一個回路。但是短路電流的存在減弱了阻礙氧離子在滲透膜中遷移的電場。固體電解質(zhì)一般都有一定的電子導電性[10],理論上可認為都是離子和電子的混合導體,只不過電子導電大小不同而已。相對于外加電勢法,混合導體法的脫氧速率要慢得多。原因在于混合導體法中,氧離子通過電解質(zhì)的遷移必伴隨著等量而方向相反的電子遷移來維持電中性,而電解質(zhì)中殘存的電子導電性僅相當于離子導電的一小部分(約1/10),致使脫氧速率較慢。因此有研究者[6]認為,混合導體法脫氧控速環(huán)節(jié)是電子在電解質(zhì)中的傳遞。另外,電解質(zhì)電子電導率隨溫度下降呈指數(shù)衰減,不適宜用于低溫熔體中。
1.3濃差電池短路法
針對以上利用固體電解質(zhì)脫氧方法的不足之處,一種全新的脫氧方法—─濃差電池短路法[7-9]應(yīng)運而生。該方法操作簡便易行,提高了利用固體電解質(zhì)功能材料進行脫氧的效率。圖3示出了此脫氧方法的原理。當脫氧體浸入金屬液后,在氧位差的推動下,金屬液中的氧會以離子形態(tài)穿過固體電解質(zhì)半透膜,并與后者內(nèi)含的脫氧劑結(jié)合,從而達到脫氧的目的。由于反應(yīng)產(chǎn)物不在鋼液內(nèi)生成,解決了以前脫氧劑所帶來的污染問題。不過,在此脫氧過程中,固體電解質(zhì)的外表面(與金屬液接觸的界面)會積累正電荷,而內(nèi)表面(與脫氧劑接觸的界面)則積累負電荷,它們將形成一個電場并阻礙氧離子的繼續(xù)遷移。如果不能及時消除這種電荷的積累并破壞形成的電場,脫氧過程就無法繼續(xù)進行。高溫電子導電材料的存在解決了這一問題。高溫電子導電材料不但有封堵脫氧體填料口的功能,同時也把固體電解質(zhì)脫氧劑界面所積累的自由電子傳遞到鋼液-固體電解質(zhì)界面,使兩個界面所積累的電荷中和,從而保證了脫氧過程繼續(xù)進行,直脫氧反應(yīng)達到平衡[11]。濃差電池短路脫氧選取的陽極物質(zhì)是H2、CO等還原性氣體、碳和金屬Al等物質(zhì),以提供低氧勢。控速環(huán)節(jié)多為電路中的總電阻大小和氧在金屬熔體中的擴散。隨氧濃度的不斷降低,控速環(huán)節(jié)也有變化,可采取相應(yīng)措施改善脫氧動力學條件。與其它脫氧方法相比,這種無夾雜物的脫氧方法具有許多優(yōu)點:不產(chǎn)生任何氣體及氧化物夾雜,并且使用簡單方便。隨著固體電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和再生技術(shù)的運用,此方法的成本將不斷降低。目前濃差電池短路法的研究重點:新型固體電解質(zhì)功能材料的開發(fā)、脫氧體加入方式的改進以及脫氧體內(nèi)采用新脫氧劑等。盡管這些方法克服了固體電解質(zhì)外加電場法某些方面的不足,從氧滲透膜脫氧的實際要求來看,上述的脫氧方法仍嫌復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。它們有一個共同的特點,全都依賴固體電解質(zhì)。為了克服上述問題,考慮到氧化鋯固體電解質(zhì)在固態(tài)時所呈現(xiàn)的氧離子導電性,研究能否用液態(tài)的氧離子異體代替固體電解質(zhì)。
2渣-金屬間外加電場無污染脫氧
熔渣也是一種具有離子導電特性的電解質(zhì),它含有氧離子、各類金屬陽離子以及不同的復(fù)合離子團。根據(jù)固體電解質(zhì)外加電場法脫氧的原理,如果能夠找到一種氧離子遷移為主體的熔渣,則可用這種熔渣代替固體電解質(zhì)作為反應(yīng)的中介,以其作為金屬液中溶解氧向外傳輸?shù)?ldquo;通道”。在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場(見圖4),可控制氧離子在熔渣體系中的傳導方向和速度。由于熔渣是以液態(tài)的形式存在,更易于離子的遷移,因此從理論上,*可以實現(xiàn)比固體電解質(zhì)電解脫氧更理想的脫氧效果[12-13]。根據(jù)電化學原理,步驟(2)使金屬-爐渣界面積累正電荷,步驟(4)使爐渣/石墨電極的接觸界面積累負電荷,如果不消除這些積累的電荷,就會形成一個電場,將阻礙氧離子的進一步遷移,終導致脫氧過程的停止。而反向外加電場的施加,即可消除或者減小這個阻礙電場,使氧離子不斷向渣相遷移,直到陽極發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體,脫離反應(yīng)體系為止。不難看出,用液態(tài)爐渣代替昂貴的固體電解質(zhì),克服了采用氧化鋯類固體電解質(zhì)或相關(guān)功能陶瓷造成的成本過高的問題。液態(tài)爐渣是金屬熔體好的保護層,它既可以防止金屬的二次氧化,又可以起到保溫作用。金屬熔體內(nèi)的氧位、脫氧速度及強度可通過調(diào)節(jié)外加電勢來控制。從以上分析可以看出,渣-金屬間外加電場脫氧技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用的前景。目前,己在實驗室開展了相關(guān)研究,取得了一定的結(jié)果。
3結(jié)語
利用氧離子傳導電解質(zhì)材料進行脫氧,反應(yīng)過程中可將還原劑(或陽極物質(zhì))與被脫氧(還原)的物質(zhì)隔離開,避免了被脫氧物質(zhì)的污染。渣-金間外加直流電場脫氧的方法避免了對金屬液的污染,而且不受固體電解質(zhì)的限制,成本比較低廉,因而這是生產(chǎn)潔凈金屬或?qū)饘俸趿窟M行調(diào)整的好方法。在冶金工業(yè)上,它可以作為一種獨立的精煉手段,也適合與后續(xù)的連鑄加工設(shè)備配合使用,還可應(yīng)用于其他相關(guān)金屬熔體的脫氧過程,因此,渣-金間外加電場脫氧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是爐渣畢竟不同于固體電解質(zhì),要真正起到和固體電解質(zhì)相類似的作用,而且能夠應(yīng)用到實際的冶金生產(chǎn)中,還需要進行大量的理論和實驗工作。
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