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国内外钢铁工业余热利用新方法、新技术

发表时间：2025-01-15 11:23
摘要：简单的节能减排阶段已经过去，节能已经不能单纯地只面对能源了，更要着眼于工艺、装备的变革。根据中国钢铁工业发展阶段变化带来的新形势，通过调研、分析国内外钢铁工业余热利用的新方法、新技术，得出中国和国外钢铁发达国家钢铁工业余热利用的基本途径不同的结论。国外专家认为靠技术节能(含余热利用)已经不能获得大的节能效果了，国外主要通过工艺革命或工艺革新，从源头上减少能耗和余热的产生，同时达到节能和提高工艺水平、产品质量的目标；国内则主要还要依靠技术节能实现节能和余热利用水平的提升，国内对通过改变工艺实现节能的做法还很少。根据中国钢铁工业所处的新的发展阶段(新常态)，提出了齐头并进的综合节能(含余热利用)的方法，并介绍了一些源头节能减排的案例研究结果。
1、新常态下的我国钢铁工业余热资源现状及分析
目前，全世界的能源已经进入矿物能源消耗的高峰期(图1)，中国能源的获取已经进入相对困难时期，而中国的能耗却出现了继续增加的趋势。

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中国近30多年工业化过程中,能源总的消耗量也进入陡升阶段。1978—1987年:十年消耗8.0亿t标煤;1988—1997年:十年消耗18.0亿t标煤;2012年(15年后):一年消耗32.5亿t标煤;2014年(2年后):一年消耗36亿t标煤;2015年(1年后):预计消耗40亿t标煤。这种消耗能源的速度是前所未有的。
据国家发改委专家估计,按现在我国的能耗趋势,即使按现在国际上最先进的能耗水平,2050年中国也需要77亿t标煤,但我国政府只能提供65亿t标煤,扩大能源的来源是一出路,但受各方面的限制,扩大能源来源越来越难。所以最重要的是提高能效,除了提高一次能源的利用效率外,提高二次能源的利用率变得越来越重要。而利用和开发余热的高效回收利用技术则是有效而实用的节能措施，很多钢铁企业已经从余热利用技术中获得了非常可观的经济效益和环境效益。
1.1余热资源的分类
余热资源的分类有几种,其中一种把余热分为高温余热、中温余热和低温余热3类。高温余热:大于650℃;中温余热:230—650℃;低温余热:小于230℃。
1.1.1我国钢铁工业余热资源和能级的分布
（1）余热资源的分布
产品余热:3.35GJ,占比39%;烟气余热:3.10GJ,占比37%;冷却水余热:1.24GJ,占比15%;渣余热:0.74GJ,占比9%。
从上述数据可以看出,产品和烟气的余热数量最大:39%+37%=74%,是今后回收余热的重点。
（2）余热能级的分布

高温余热:3.36GJ(占余热总量39.8%),最大;

中温余热:2.19GJ(占余热总量25.9%),最小;

低温余热:2.89GJ(占余热总量34.2%),居中。


从上述数据也可以看出,高温余热最大,但难度也较大;低温余热量第二,但大量没有回收,难度也较大;中温余热回收相对较容易,难度也小,目前回收的效果也最好。
究竟钢铁工业有多少余热?它占吨钢总能耗的比例是多大?图2是蔡久菊教授领导的课题组对我国大中型钢铁企业做的调研结果。结果表明:调查时期的钢铁工业余热总量占吨钢总能耗的1/3,一个非常惊人的结果,目前这些余热仅有30%—40%被应用,潜力很大。

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1.1.2日本钢铁工业余热资源的分类
日本钢铁工业余热资源是以工艺分类的。高炉渣:420MJ/t钢(33%);连铸:290MJ/t钢(23%);终端产品:260MJ/t钢(21%);钢渣:120MJ/t钢(9%);焦炉煤气:104MJ/t钢(8%);转炉煤气:74MJ/t钢(6%)。
上述数据表明:高炉渣的余热量最大,但回收其余热极少,而且能级浪费非常大;第二大余热源——连铸余热不太被重视,目前还没有人考虑它的利用;终端产品的余热位列第三,也没有被回收利用;钢渣余热质量和数量都可观,目前还没有实际应用的例子;焦炉荒煤气余热回收技术也不理想,还没有一种被钢铁界普遍接受的好技术;转炉煤气的余热量比例最小,但余热质量很高,目前仅实现部分回收,但能级浪费很大。因此大量余热利用的新技术亟待研究。
1.2我国钢铁工业余热利用和研究现状
目前我国钢铁工业的高温余热利用(图3)水平不理想,除CDQ和蓄热燃烧技术余热回收较好外(近几年因一些技术等问题推广面变小了),CDQ也在趋于饱和。烧结矿余热利用仅利用了中低温的余热,高温余热还没有回收,其他如熔渣余热基本没有回收,转炉和电炉烟气余热仅回收很小一部分热量，而且能级损失很大(1000多度的烟气只回收到200—300℃的水平),大量高温烟气仍然浪费;中温余热利用较好,但潜力仍然很大;低温余热利用很少，可喜的是近期陆续已经出现了一些实用的低温余热利用技术,如北京亿伟坤节能科技公司高炉冲渣水余热的利用和一些低温工质发电技术等,已经在逐步推开。

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钢铁工业的本征特点决定了其是一个需要高能耗的行业,因为它是一个将石头变成钢铁的工业,即铁矿石、石灰石、萤石等石头变成钢铁的工业。最大的能耗是消耗在FeyOx还原成Fe的过程,即破坏Fe-0键的过程,这是任何工艺都无法回避的过程，该能耗约占长流程钢铁工业总能耗的60%—70%。这是中国钢铁工业能耗占全国总能耗的16.3%的主要原因之一,其他钢铁工艺、装备和原料水平不够高也是构成了中国钢铁工业总能效比其他国家低的原因(中国也有很多能耗水平达到世界先进水平的钢铁企业)。
2、国外节能和余热利用的方法和技术
2.1欧盟国家余热利用的方法和技术
以欧盟为代表的世界钢铁工业,在十几年前就认为,钢铁工业靠技术节能已经没有多大潜力了,图4列举了德国蒂森一克虏伯钢铁公司烧结节能历程。

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由图4可以看出,从第一次世界能源危机1973年开始,德国人就不断开发各种新的节能技术,效果显著,但到了1990年前后,能耗已经接近烧结能耗的极限，无法继续降低烧结能耗了。其他工艺有类似现象,所以如何继续降低钢铁工业能耗,成了一个需要思考的大问题。最后欧盟专家们提出了对钢铁工艺、装备进行革命性或改良型变革的作法,即UL—COS项目。具体内容包括:非高炉炼铁技术(欧盟熔融还原法);炉顶煤气循环分离回收的改良高炉炼铁法;电解法炼铁;生物质炼铁法;CO,分离和固化法。
UL—COS项目计划投资150亿欧元,用约30年时间实现工业应用,但欧盟很多国家认为时间太长，又开发了一个称为“工业集成”的方法,解决低碳节能的问题。该方法本质上就是我国提出的“循环经济”方法,即将钢铁工业与其他工业建在一个工业园区,余能互相利用,资源共享,实现污染物排放最小化的目的。图5列举了瑞典钢铁工业与其他工业集成的余热跨行业利用的案例。

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2.2日本余热利用的方法和技术
日本在2000年左右技术节能接近极限后,也开始开发各种新工艺,试图达到节能减排和减少余热产生量的目的。如:

(1)开发高炉低温快速还原反应新技术(目标节能50%)。

(2)块矿炼铁工艺(2009年7月开始)。

(3)氧化铁H₂还原技术和炉顶煤气CO:分离技术。

(4)高炉应用废塑料--用作碳中和还原剂。

(5)微波炼铁-无碳炼铁法。


目前全世界都急需开发一种非高炉的炼铁新工艺,尽管COREX300已经失败,但这一技术还是要继续开发的,它是大节能的工艺,需要注意的是,开发全新工艺需要全新的思路,我国现在已经有人提出了新的方法,但是需要一定的研发时间。
3、钢铁工业余热利用部分新技术
除了众所周知的余热利用技术,如干熄焦,烧结余热发电,高炉冲渣水余热利用,蓄热燃烧技术等大量余热利用技术以外,还有部分余热利用的新技术和减少余热的产生的新方法。
3.1富氧燃烧技术
富氧燃烧(图6)是一个古老的燃烧技术,但由于02价格的降低和环境排放要求的提高,主要是NO,排放的限制,富氧燃烧技术又被国外节能减排人士提出来。现在瑞典的钢铁工业已经有2/3的轧钢加热炉和热处理炉已经采用富氧或全氧燃烧技术,并取得了很好的技术、经济和产品质量效果,见图7、图8。

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由图6 可以看出,富氧的好处之一是减少了烟气量,降低了烟气余热的损失,由此带来了显著的节能效果,伴随着其他好处,如提高产量,提高加热质量(减少氧化烧损),源头减少NO、排放等,这是为什么富氧又再次被发达国家重新采纳的原因。
中国在往年有一些富氧燃烧的工业应用,如韶关钢铁公司等,另有更多的富氧燃烧技术的应用研究,但目前没有实际应用的实例。我国已经将富氧燃烧技术正式列入国家推荐的节能减排技术。
3.2节能材料(从高温烟气中吸收更多余热的材料)
为了更多地吸收高温烟气中的余热,济南慧敏科技公司开发了高辐射率的节能材料,其节能原理见图9。

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该节能技术的主要作用:在高炉热风炉燃烧期，可以大量增加从烟气中吸收余热,降低烟气排放的温度,达到节能的目的;而在送风期,节能材料因为造成了大温差的结果,可以使格子砖的热量更多地释放给冷风,达到提高热风温度和延长送风时间的目的。图10是在实验室做的有和没有应用节能材料的热风炉格子砖吸热和放热结果的对比。

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由图10可以看出，应用节能材料的格子砖吸热多,放热快。该技术已经在400多台热风炉、焦化炉、锅炉上应用,并已经出口到韩国浦项钢铁公司、加拿大ARCELORMITTAL钢铁公司和波兰某钢铁公司等,其他一些国家也有采纳该技术的,仅在等待热风炉中修的机会实施。图11是同规格的3个热风炉(2个应用节能材料,1个没用节能材料)在中国某钢铁公司热风温度对比结果。

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由图11可以看出,应用节能材料的2个热风炉风温高,且持续时间长(吸热量大),效果明显。
节能材料的另一个突出特点:无需任何运行成本,仅需涂覆一层节能材料,就可以达到节能5%以上的效果。
3.3高温熔渣余热利用技术
图12是正在排放的钢铁熔渣。该技术是“十二五"国家863、国家支撑项目和国家自然科学基金重点项目支持的项目,是利用高温熔渣的热量对熔渣进行改质,并制备高附加值产品。改质是使熔渣符合高附加值目标产品的成分和温度要求,为后续产品制备过程创造条件,达到既利用了熔渣的资源,又利用了熔渣高温余热的目的,该技术正在做工业化应用的准备。图13是用熔渣耗热量和资源制备的某目标产品的成分设计。图14是用不锈钢熔渣制备的陶瓷产品,产品各项指标达到国家标准,尤其是重金属指标远好于国家标准,主要原因是陶瓷材料中的玻璃相固化了重金属。

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3.4源头减少余热量排放新技术
以炼钢转炉为例，德国上世纪60年代转炉炼钢车间的排放情况见图15。
图15中，浓浓的黄烟中有高温余热、污染气体和大量粉尘。如果回收余热和减少粉尘排放有两种方法：一是通常应用的末端治理方法，加换热器和除尘器,分别解决余热回收和粉尘排放;另一个方法是新的源头解决方法,即通过粉尘和高温的源头一转炉射流区的源头抑制方法(专利细节略),达到抑制粉尘和过度高温产生的条件,见图16、图17。

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实验室实验结果表明:采用新技术后,粉尘大大减少,烟气温度也降低了。目前该技术正在做工业实验的准备。
4、注重节能和余热利用的理论研究
中国用30多年时间正在完成国外发达国家用了近300年完成的工业化过程,发展太快的好处不言而喻,但发展太快带来的负面问题是有大量基础和理论问题没有及时解决,造成很多技术水平不理想。余热利用技术也一样,有大量的问题,如热力学、流体力学、传热学、材料学、燃烧学等问题,还有大量基础课题和理论问题需要强化。例如图18的边界层传热、图19的弯管内部流场和温度场的细节研究等

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只有在创新设计和基础研究上有突破,中国的节能和余热利用,以及其他新技术开发才能有属于中国的新技术,才能使中国由“钢铁大国”变为“钢铁强国”。
5、结论
(1)要用新思维应对新形势对新技术开发的需要。
(2)节能和余热利用要懂工艺、懂装备和懂原料,以深入节能和减少余热的产生。
(3)余热利用不局限于一个工业企业内,要跨行业利用余热。
(4)要注重研究从源头减少余热产生的工艺和装备。
(5)要注重节能和余热利用人才的引进和培养。


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