这是布林特节能环保的第1941期文章
摘要：我们已告别了单纯的节能减排时期，节能工作不再局限于能源领域，还需关注工艺和装备的革新。面对中国钢铁工业发展阶段的转变所带来的一系列新情况，通过深入调研和分析国内外钢铁工业在余热利用方面的新方法、新技术，我们得出了中国与国外钢铁先进国家在余热利用方面基本路径存在差异的结论。国际上的专家们普遍认为，单纯依赖技术手段进行节能（包括余热回收）已难以实现显著的节能成果。他们更倾向于通过工艺的革新或革命，从根本上降低能耗和余热的生产，这样不仅能够实现节能，还能提升工艺水平和产品质量；而在中国，我们依然主要依赖技术节能来提高节能和余热回收的效率，对于通过改进工艺来达到节能目的的方法，国内应用尚不广泛。针对中国钢铁工业进入的新阶段，即新常态，我们提出了全面实施的综合节能策略（包括余热回收利用），并且分享了一些关于从源头实现节能减排的案例和研究成果。
1、新常态下的我国钢铁工业余热资源现状及分析
当前，全球能源消耗正迈向矿物能源的顶峰阶段（如图1所示），我国在获取能源方面正面临一定的挑战，同时，我国的能源消耗量仍在持续攀升。
在中国过去三十多年的工业化进程中，能源的总消耗量显著上升。1978年至1987年，十年间能源消耗量达到了8.0亿吨标准煤；1988年至1997年，十年间的能源消耗量增至18.0亿吨标准煤；2012年，即十五年后，一年的能源消耗量攀升至32.5亿吨标准煤；2014年，两年后，一年的能源消耗量进一步增加到36亿吨标准煤；2015年，一年后，预计能源消耗量将达到40亿吨标准煤。这种消耗能源的速度是前所未有的。
国家发改委的专家预测，依照我国当前的能源消耗走势，即便达到国际上最前沿的能耗标准，到2050年，我国也将需要高达77亿吨标准煤。然而，我国政府能够提供的仅为65亿吨。拓宽能源获取渠道是一条途径，然而，受到诸多因素的制约，这一途径正变得越来越困难。因此，提升能源利用效率至关重要，不仅包括对一次能源的效率提升，对二次能源利用率的提高同样愈发关键。高效回收利用余热的技术，作为一种实用且有效的节能手段，已被众多钢铁企业采纳。这些企业通过应用这项技术，不仅实现了显著的经济收益，同时也带来了可观的环境效益。
1.1余热资源的分类
余热资源可以划分为不同的类别，其中一种分类方法将余热细分为高温、中温和低温三种类型。具体来说，高温余热的温度范围在650℃以上；中温余热的温度介于230℃至650℃之间；而低温余热的温度则低于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
产品余热为3.35吉焦，其比例为39%；烟气余热达到3.10吉焦，占37%；冷却水余热为1.24吉焦，占比15%；而渣余热为0.74吉焦，占比9%。
根据所提供的数据分析，我们可以观察到产品和烟气的余热总量相当可观：产品余热占比为39%，烟气余热占比为37%，合计高达74%，这将是未来回收利用余热工作的核心所在。
（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。
上述数据同样揭示，高温余热最为显著，然而回收的难度亦颇高；低温余热量位居次席，但大量未被回收，回收难度同样不低；相较之下，中温余热回收较为简便，难度较小，且目前回收效果最为理想。
我国大中型钢铁企业的余热总量在调查期间占据了吨钢总能耗的三分之一，这一数据令人震惊。目前，这些余热仅被利用了30%至40%，其潜力尚待挖掘。图2展示了蔡久菊教授领导的课题组针对我国钢铁工业余热利用情况所进行的调研成果。
1.1.2日本钢铁工业余热资源的分类
日本钢铁工业中，余热资源按照工艺流程进行分类。其中，高炉产生的渣余热为420MJ每吨钢，占比33%；连铸过程中的余热为290MJ每吨钢，占比23%；终端产品的余热为260MJ每吨钢，占比21%；钢渣的余热为120MJ每吨钢，占比9%；焦炉煤气产生的余热为104MJ每吨钢，占比8%；转炉煤气产生的余热为74MJ每吨钢，占比6%。
数据显示，高炉渣所含余热最多，然而回收其热量的情况却十分有限，且能级损失相当严重；其次钢材热力学特性，连铸余热虽为第二大热源，却未受到足够关注，至今无人着手开发其利用价值；终端产品产生的余热排名第三，同样尚未被有效回收；钢渣的余热在质量和数量上均不凡，但至今未见实际应用案例；焦炉荒煤气余热回收技术尚不理想，钢铁行业尚未形成普遍认可的有效技术；转炉煤气的余热量占比最小钢材热力学特性，但其余热品质优良，目前仅实现了部分回收，但能级浪费依然显著。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
我国钢铁工业在高温余热利用方面（如图3所示）的表现不尽如人意，尽管CDQ和蓄热燃烧技术在这方面的回收效果尚可（不过近几年来，由于某些技术难题，其推广范围有所缩减），但CDQ技术本身正逐渐接近饱和状态。烧结矿的余热主要仅限于中低温部分的利用，而高温余热尚未得到回收。至于熔渣余热，基本上还未被回收。在转炉和电炉的烟气余热回收方面，仅回收了极少部分的热量，并且在这个过程中能级损失严重（原本1000多度的烟气仅能回收至200至300℃）。大量高温烟气仍被浪费。虽然中温余热得到了较好的利用，但仍有巨大的潜力尚未挖掘。至于低温余热的利用，虽然数量不多，但值得欣慰的是，近期已经陆续出现了一些实用的低温余热利用技术，例如高炉冲渣水余热的利用以及一些低温工质发电技术等，这些技术正在逐步推广开来。
钢铁工业的本质属性使其成为了一个高能耗的领域，这主要是因为它涉及将矿石如铁矿石、石灰石、萤石等转化为钢铁的复杂过程。在这个过程中，FeyOx还原成Fe的步骤消耗了最多的能源，也就是破坏Fe-0键的过程，这一环节是所有生产工艺都无法绕过的，其能耗占据了长流程钢铁工业总能耗的60%至70%。中国钢铁工业能耗占全国总能耗的16.3%，这是其重要原因之一；同时，我国钢铁行业在工艺、装备及原料水平方面相对较低，这也是导致其总能耗效率低于其他国家的因素之一。尽管我国不乏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
以欧盟为先锋的世界钢铁行业，早在十几年前便断言，钢铁行业通过技术手段实现节能的空间已经极为有限；图4中详细展示了德国蒂森克虏伯钢铁公司的烧结节能发展历程。
图4显示，自1973年第一次世界能源危机爆发以来，德国持续研发各类节能技术，成效显著。然而，到了1990年左右，能耗水平已逼近烧结能耗的临界点，烧结能耗的降低空间已十分有限。类似情况在其他工艺中也普遍存在，因此，如何进一步减少钢铁工业的能耗，已成为一个亟待解决的问题。欧盟专家们最终提出了一项针对钢铁生产工艺及设备实施根本性或改进性改革的方案，这一方案名为UL-COS项目。该方案涵盖的具体内容包括：非高炉炼铁技术，即欧盟的熔融还原法；对炉顶煤气进行循环分离和回收的改进型高炉炼铁技术；电解炼铁技术；生物质炼铁技术；以及CO分离与固化技术。
UL—COS项目规划投入150亿欧元，预计需耗时约30年达到工业应用阶段。然而，欧盟内许多国家觉得这一时间跨度过长，于是另辟蹊径，研发出一种名为“工业集成”的新方法，旨在解决低碳节能问题。实际上，这一方法的核心思想与我国家提出的“循环经济”理念不谋而合，即把钢铁工业与其他工业集中布局于同一工业园区，实现能源余热的相互利用和资源共享，从而最大限度地减少污染物排放。图5展示了瑞典钢铁业与其他产业之间余热跨行业应用的实例。
2.2日本余热利用的方法和技术
大约在2000年，日本的技术节能水平已接近顶峰，随后便着手研发多种新型工艺，旨在实现能源节约与减排，并降低多余热量的产生。例如：
(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。
目前全球范围内迫切需要探索一种非高炉炼铁的新技术，尽管之前尝试并未成功，然而这项技术的研究仍需持续推进。它具有显著的节能优势，但我们必须认识到，要开发全新的工艺，必须采用全新的思维模式。我国已有专家提出了创新的方法，不过这项研究尚需一段时间的研发。
3、钢铁工业余热利用部分新技术
除了大家熟知的余热回收技术，诸如干熄焦、烧结余热发电、高炉冲渣水余热回收以及蓄热燃烧技术等众多余热回收方式之外，还涌现出一些余热回收的新技术以及降低余热产生的新策略。
3.1富氧燃烧技术
富氧燃烧技术（如图6所示）虽属传统，然而随着氧气成本的大幅下降以及环境对排放标准的日益严格，尤其是对氮氧化物排放的限制，这一技术再次受到国际节能减排倡导者的关注。目前，瑞典钢铁行业已有三分之二的热轧炉和热处理炉转而使用富氧或纯氧燃烧，并实现了显著的技术、经济和产品质量提升，具体效果可参考图7和图8。
图6显示，富氧的一大优势在于它能有效减少烟气量，降低烟气余热的损耗，从而显著提升节能效果。此外，它还能带来诸如提升产量、改善加热质量（降低氧化烧损）以及从源头减少NO排放等多重益处，这也是为何发达国家再次青睐富氧技术的原因。
我国过去曾将富氧燃烧技术应用于工业领域，例如在某些行业，同时，对于该技术的应用研究也较为广泛，然而，截至目前，尚未有具体的应用案例。值得注意的是，我国政府已将富氧燃烧技术正式纳入国家推广的节能减排技术清单之中。
3.2节能材料(从高温烟气中吸收更多余热的材料)
为了更高效地利用高温烟气中的残余热量，研究人员研发了一种具有高辐射特性的节能型材料，其节能机制的具体内容可参考图9。
该节能技术的核心功能在于：在高炉热风炉的燃烧阶段，它能显著提升烟气余热的吸收量，有效降低烟气排放的温度，实现节能效果；同时，在送风阶段，由于节能材料导致的大温差效应，它能促使格子砖将更多热量传递给冷风，从而提升热风温度并延长送风时间。图10展示了在实验室内进行的对比实验，分别呈现了使用与未使用节能材料的热风炉格子砖在吸热与放热方面的效果。
图10显示，采用节能材料的格子砖具有显著的吸热效果，且散热速度较快。此技术已成功应用于超过400座热风炉、焦化炉和锅炉，并已出口至多个国家。此外，还有其他国家已采纳此技术，目前正等待在热风炉维修时实施。图11展示了三个同规格热风炉（其中两个采用节能材料，一个未采用）在热风温度方面的对比情况。
图11显示，采用节能材料的两个热风炉具有更高的风温和更长的持续时间，这意味着吸热量较大，效果显著。
节能材料的显著优势之一在于，它无需产生任何运行费用，只需在表面涂覆一层这种节能材料，便能够实现超过5%的节能效果。
3.3高温熔渣余热利用技术
图12展示了正在排放的钢铁熔渣。这项技术得到了“十二五”期间国家863计划、国家支撑项目以及国家自然科学基金重点项目的资助。它通过高温熔渣所蕴含的热能，对熔渣进行改良处理，进而生产出具有高附加值的成品。改质过程旨在确保熔渣满足高附加值目标产品所需的成分和温度标准，这不仅为后续产品的生产步骤提供了便利，而且实现了对熔渣资源的充分利用以及其高温余热的再利用。目前，这项技术正积极筹备工业化应用。图13展示了基于熔渣耗热量和资源制备的特定目标产品的成分设计。图14展示了采用不锈钢熔渣制成的陶瓷制品，其性能参数均符合国家相关标准要求；特别是，重金属含量显著优于国家标准；这一优势主要得益于陶瓷材料中玻璃相对重金属的固定作用。
3.4源头减少余热量排放新技术
以炼钢转炉为实例，德国在20世纪60年代的相关转炉炼钢车间排放状况，详见图15。
图15中，浓浓的黄烟中有高温余热、污染气体和大量粉尘。若针对回收余热与降低粉尘排放，存在两种途径：其一为常规的末端处理手段，涉及增设换热器与除尘设备，分别应对余热回收与粉尘排放问题；其二则为创新的源头控制策略，即对粉尘与高温源头——转炉射流区实施抑制措施（专利具体内容从略），以此抑制粉尘及过热现象的产生条件，如图16、图17所示。
实验数据表明，引入新技术后，粉尘含量显著下降，同时烟气温度也有所下降。目前，这一技术正积极筹备进行工业规模的实验测试。
4、注重节能和余热利用的理论研究
中国经过三十余年的努力，正在迅速完成发达国家花费近三百年时间才实现的工业化进程。这种快速发展带来的益处显而易见，然而，随之而来的负面效应也是显而易见的，那就是许多基础和理论问题未能得到及时解决，导致众多技术水准不尽如人意。在余热利用技术领域，同样存在众多问题，包括热力学、流体力学、传热学、材料学以及燃烧学等多个方面，此外，还有大量基础性和理论性的课题亟待加强研究。图18展示了边界层的传热情况，图19则深入探讨了弯管内部的流场以及温度场的具体细节。
唯有在创新设计领域和基础研究方面取得显著进展，我国在节能与余热回收技术方面才能拥有自主知识产权的新技术，进而推动我国从“钢铁大国”迈向“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。
确保节能与余热回收，需精通工艺流程、熟悉设备操作以及了解原材料特性，从而有效推进节能目标并降低余热排放。
(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。
