钢铁节能技术发展现状及展望

钢铁节能技术发展现状及展望

日本钢铁业在克服石油危机、原料涨价的历程中取得了节约能源的显著成绩。但是，零排放、减轻地球环境负荷等社会要求日益高涨，为取得比过去更好的节能效果，就必须开展新思路节能技术和热流体技术方面的中长期课题研究。

节能技术的现状

日本钢铁业从很早就开始了节能工作，1951年钢铁技术共同研究会开展了热经济技术专业会的活动。当时引进了外国的热计量技术并推进热计算标准化的工作，通过“热管理”的实施，钢铁业的“热经济有了快速发展”，这是钢铁业节能工作的第一步。1973年发生石油危机，日本开展了钢铁生产实际能耗分析和对策、钢铁联合企业节能系统考察、开发最小能耗加热炉等项工作，同时对高炉煤气余压发电（TRT）和干熄焦装置（CDQ）等大型节能装备进行投资建设。石油危机以后，粗钢产量经过高峰期，设备能力过剩的问题从1985年开始持续了10年，在这期间推进了以降低生产成本为目的的节能技术。1995年以后，地球环境问题引发出进一步节能的要求，出现了新的节能技术。

经历了上述的历史变化过程，日本钢铁业从炼铁、炼钢等上游工序到轧钢、表面处理等下游工序全面实施节能措施（见图1），节能效果达到世界最高水平（见图2），1990年吨钢能耗比1973年下降了20%。在此基础上，日本钢铁业自主行动计划提出了2010年吨钢能耗比1990年下降10%的目标。

2.1 高炉煤气余压发电（TRT）

高炉炉顶散放出来的高炉煤气压力高达0.2MPa。利用这个压力驱动透平膨胀机进行发电就是高炉煤气余压发电（TRT）。TRT技术是20世纪60年代欧洲、前苏联研究成功的技术，1969年前苏联的TRT1号机投入运转。1974年日本开始引进TRT技术并在1980年前后迅速推广应用。目前日本各个大型高炉都配置了TRT，发电能力从6MW到15MW以上。

2.2 干熄焦技术（CDQ）

炼焦生产能耗很大，主要的放热有焦炭显热、焦炉煤气显热、焦炉燃烧废气放热和焦炉炉体散热（见图3）。过去利用喷水的办法将从焦炉推出的炽热焦炭冷却（湿式熄焦），干熄焦技术是将炽热焦炭显热以高压蒸汽形式进行回收。干熄焦技术开发成功以后就成为炼焦生产普遍采用的熄焦技术。近年来已经出现了蒸汽产量超过200t/h的大型CDQ设备（见图4）。

2.3 蓄热式烧嘴加热系统

极限热回收和低NOx排放曾是加热系统中两个互相矛盾的能耗和环境问题，而蓄热式烧嘴加热系统是同时成功解决这两个问题的节能加热技术。蓄热式烧嘴加热系统是在日本国家项目“高性能工业炉技术开发（1993~2000年）”中研究开发成功的。过去，在加热炉节能方面采取两类措施，一种是将辐射式热交换变更为对流式热交换，强化炉体密封绝热，炉壁陶瓷纤维化等硬件改进措施；另一种是炉压、空气比最佳化控制、防止过加热等提高操作方法的措施。这些措施的实施提高了燃料利用率，但难以进一步节能。

环境友好型蓄热式烧嘴加热系统利用与烧嘴相连的热交换器将燃烧用空气预热到接近炉温的温度，从而使连续式大型加热炉实现了大幅度节能。蓄热式烧嘴加热炉的热回收方法是利用烧嘴热交换器中的蓄热体在加热炉废气和燃烧用空气之间进行热交换（见图5）。采用传统烧嘴时，当空气预热温度超过1200K，加热炉废气中的氮氧化物浓度会急剧增加。由于受到排放标准的限制，所以空气预

热温度不能超过1200K。采用环境友好型蓄热式烧嘴加热系统，将1500K以上的高温预热空气和燃料在炉内一面稀释一面缓慢发生反应，大大降低了NOx的浓度。该系统可以节能30%、降低NOx浓度50%。环境友好型蓄热式烧嘴加热系统利用成对蓄热式烧嘴工作，一个烧嘴起到排烟口的作用，炉内气体被抽进蓄热体传热（蓄热过程）时，另一个烧嘴通过蓄热体对燃烧用空气进行预热（放热过程），通过两个烧嘴切换工作（交替燃烧）可以提高空气预热温度。近年来，由于有日本政府补贴资金的支持，环境友好型蓄热式烧嘴加热系统的应用快速增加，日本钢铁业采用该技术的加热炉已经超过1000座。

2.4 其他节能技术

除了上述节能技术外，焦炉和转炉废气回收、烧结矿废热回收、转炉废热锅炉、钢坯热装热送（HCG）、直接轧制等也是效果显著的节能技术。这些技术也已经被日本钢铁企业应用。

有报告指出，在对世界钢铁采用最高效节能减排技术的条件下比较各国CO2减排潜力时，由于日本钢铁的能源利用效率最高，所以CO2减排的潜力最小。日本已经采用了煤气回收等大型节能设备，但是从世界X围来看，这些技术尚未被普遍采用，目前，日本的先进节能技术正在向中国、印度等国家推广使用。

3 极限节能

以热力学熵的概念衡量，目前钢铁生产的能源效率约为60%，尚有40%未能有效利用。以下首先论述有效能分析方法对有效热源进行分析，并说明有效热源的利用方法，然后进一步论述能量逐级利用方法以及今后节能技术的发展方向。

3.1 有效能评价及今后节能技术的发展方向

3.1.1用有效能评价能源利用状况

热力学的基本定律有“热力学第一定律——能量守恒定律”和“热力学第二定律——熵增加定律（有效能减少定律）”，这两个定律是能量使用的重要评价原则。热力学第一定律指出，一个系统的能量变化等于从外界获取的能量。在进行加热炉操作中的热平衡管理时，第一定律是热力学评价的基础，是必不可缺的法则。用热平衡方法评价制品显热和各种热量损失，就可以明确该工艺热能的有效利用程度，就可以采取相应的减少热损失的措施。

另一方面，第二定律对于能量的有效利用是一个重要的法则，必须对全工艺有效能的减少量进行估算并对工艺本身进行评价。例如，锅炉的大部分有效能损失是水和燃烧气体进行热交换产生的，从高温燃烧气体生成低温蒸汽这种大温差变化工艺的有效能损失是很大的。因此，将各种热能利用方法组合起来，使能量损失控制在最小限度的能量逐级利用方法，在近年来受到大力提倡。燃气涡轮机和蒸汽涡轮机的组合、利用预热改质甲烷进行化学能转换等能量逐级有效利用的实例正在增加。此外，目前正在大力开发的燃料电池可以直接将化学有效能转换为电能，在这个过程中不经过热能形态，因此不受卡诺循环效率的制约，使有效能损失受到抑制。今后开发、应用燃料电池这种能量转换工艺将会越来越重要。

通过生态联合工厂和发电及废热供暖系统可将一个单独产业不能回收利用的物质和蒸汽等用于其他产业或用于民生，这些工艺已经作为日本国家级项目正在推进。钢铁业要处理超过1700K高温的燃烧废气和铁水、钢水，所以是各种产业中使用最高温度能量的产业，处于能量逐级有效利用的重要位置，必须探索钢铁业高效率的能量利用方法。

3.1.2炼铁工艺有效能评价

图6是按温度高低对炼铁厂各种散热进行整理的结果。热焓损失评价结果是低温

冷却水的焓损失最大，其次是炉体散热、制品显热、烧结矿显热、高炉炉渣显热等未回收废热。有效能损失评价结果是高温高炉渣显热、烧结矿显热、制品显热等未回收，有效能损失最大。也就是说，温度低的冷却水等方面的总能量损失大，但由于是低级能量，目前回收有困难。另一方面，高温炉渣显热具有很大的有效能，由于目前尚无固体显热的有效回收方法，这些有效能也没有得到回收。

3.1.3根据有效能评价得出的节能课题

高炉渣和转炉渣的温度高达1700~1800K，因此能量很大，而且具有很高的有效能。并且，炉渣中还有与热有效能相同的化学有效能，因此，不仅要考虑炉渣的热回收问题，还要考虑炉渣化学有效能的利用问题。所以，不仅要研究炉渣在钢铁业的应用，还要与其他产业相结合研究在更大X围内对炉渣进行利用的问题。目前高炉炉渣已经用于水泥原料和路基材料等钢铁业以外的领域。但是，现实情况是，由于在制造风冷渣或水冷渣时有一个急冷过程，所以热能的利用并不完全。此外，到目前为止炉渣等固体显热的回收尚无进展，其原因是与液体或气体显热相比，固体显热的回收比较困难，还没有建立有效的回收方法。

由于蓄热室高效化和蓄热式烧嘴的应用，加热炉、热处理炉的燃烧气体废热已经实现了高水平的回收，但是，最后还是存在300~500K的中低温废热排放。假设用某种方法将这种中低温度废热回收，得到的也只是低温过热蒸汽或低温饱和蒸汽。另一方面，用现有废热回收方法已满足了炼铁厂内对蒸汽的需求，因此钢铁厂不再需要蒸汽供应。如有可能，最好将中低温废热用于发电，生产附加值高的电力，但由于发电效率很低，所以从经济性考虑也很难实用化。此外，烧结废气的温度更低，只有400K左右，但是这种废气中含有未燃烧的CO，所以具有化学有效能，对这种CO潜热的回收是利用有效能的一个重要方面。

冷却水的排热量很大，所以热焓被大量排出，但由于冷却水的温度较低，有效能小，是低级能量。冷却设备用低温的水来冷却高温物质，不可逆的热损失很大，这类设备是废热不能得到完全有效利用的典型设备。今后需要开拓视野，研究将这种低级废热用于其他领域或民生方面的技术。

3.2 炼铁工艺极限节能技术

利用有效能评价方法已经看到了炼铁工艺今后废热利用（废热种类和温度X围）的总体研究方向。为进一步利用炼铁工艺XX未被利用的能量，目前正在进行研究的课题列于表1。该表中也包括了以前进行了初步研究的节能技术，但为实现极限节能目标，必须进一步开发新节能技术和提高设备功能。

COURSE50是进一步削减CO2排放的“环境友好型炼铁技术开发”项目，该项目开发的技术是从铁矿石入手的根本性CO2减排技术，技术内容是利用氢

还原铁矿石和将铁矿石还原时产生的CO2分离回收进行无害化处理。其中特别要研究的技术是利用炼铁厂内的废热生产CO2分离回收所需的蒸汽和电力。在COURSE50项目中，对炼铁厂尚未利用的废热进行回收的技术有以下四项需要开发：1）炉渣显热回收技术开发；2）混合介质循环发电技术开发；3）PCM（潜热蓄热材）利用技术的开发；4）热泵利用技术的开发。

3.4 主要的废热利用技术

3.4.1炉渣显热回收技术

钢铁生产中的高炉、转炉、电炉产生大量的高温炉渣，其中渣量最大的高炉渣的产生量是287kg/t生铁，渣温约1700K，热量是487MJ/t生铁。一般情况下，对高炉渣喷洒大量的水使之细粒化并产生蒸汽，将渣变成水淬渣实现资源化。从废热回收的观点来看，存在的问题是如何利用高温炉渣急冷时产生的大量低温排水的热能。由于这种排水的温度低，所以目前尚无合适的热能回收方法。

过去（1979~1987年）曾对高温热能的回收进行过研究（见表2），进行了流化床热回收法、辐射热回收法、滚筒式热回收法等各种方法的实验，并且有一些方法已经进行了实机试验，但由于经济性和炉渣制品的质量问题，到目前还没有正式运行的设备。

璃化和炉渣显热回收技术；2）抑制渣棉生成的技术；3）在粉碎处理时保证炉渣

产品强度和水淬渣强度相同的技术；4）和炉渣用户（如水泥业）联合形成一个整体进行技术开发；5）热能回收设备费用不超过水淬渣设备费用以及设备长寿化技术。

最近正在研究一种回收炉渣显热和使炉渣再资源化的炉渣显热回收设备（见图7）。利用高速转动的滚筒将熔渣微粒化，用水雾对熔渣微粒进行冷却，以防止熔渣微粒互相粘结，将熔渣制成沙粒状制品。计划将该设备回收的显热作为再生能源用于炼铁排放CO2的分离回收（COURSE50）。利用高炉渣显热对高炉炉气CO2进行回收的流程方案如图8所示。

在COURSE50项目中也进行了钢渣显热回收利用的研究。在这方面，应将钢渣用于充分发挥其特性的领域和更高附加值的应用领域，并实现钢渣应用和显热回收兼顾的工艺。

除了钢铁渣的显热回收，还提出了使炉渣发生化学反应对反应热（吸热反应）进行回收的方案。在该方案中，高速旋转的回转筒造粒机（RCA）将上面投放下来的熔渣颗粒化，熔渣颗粒积存在下面的渣槽内，用平板给料器切碎后输送出来。在这过程中，通入渣槽的甲烷+水蒸汽流经渣槽内的颗粒渣，一面预热一面上升，经过RCA下部的Ni基触媒被改质为氢+一氧化碳。（高宏适）（未完待续）

3.4.2转炉废气显热的利用

目前，许多钢铁厂都利用转炉废热锅炉（OG锅炉）进行转炉废热的回收。但是，还有很大的节能潜力。根据有效能的评价结果，目前转炉尚未利用的能量是钢渣的热能和化学能以及转炉炉体散热和管道散热。其中炉体和管道散热占未利用能量的80%。此外，除了钢渣、炉体和管道散热，还有不可逆热损失。不可逆热损失发生在温差大的情况，是在与高温废气进行热交换制造温度较低的蒸汽时产生的，如OG锅炉的热损失和燃烧热损失。因此，在高温状态下利用高温进行废热回收比用低温蒸汽回收废热的方法可以减少不可逆热损失。例如目前就有将转炉废气用于石灰烧成的方案（见图9）。将石灰石投入转炉排放的炉气中，炉气中的粉尘附着在石灰石上，去除这些粉尘的同时通过炉气显热对石灰石进行烧成，生成生石灰。由于这个烧成过程是从常温开始一直升高到1170K，所以有效能效率大大高于生产温度较低的蒸汽。如果再将利用炉气温度发生的化学变化组合起来，会使能量利用效率进一步提高。

在转炉炉气除尘时常常使用喷洒水雾的方法，由于水与高温炉气混合，使不可逆热损失很大。因此，采用干式集尘，抑制温度下降也是今后需要研究的重要课题。

3.4.3低沸点介质废热回收发电技术

有效能评价表明，钢铁厂废热的特征是存在着大量低温废热。于是出现了低沸点介质废热回收发电技术的方案，并且有些方案已经实用化。

1）混合介质发电

混合介质发电系统的特征是，将沸点低于水的氨与水混合，使混合介质的气泡点（开始蒸发的温度）低于水的沸点，利用更低温度的热源使介质蒸发进行发电。由于沸点温度和露点温度不同，所以，在混合介质蒸发过程中，蒸发温度不是定值，而是从气泡点开始连续升高到露点。因此，使对流式热交换器的的温度差减小，增加了从显热热源回收的热能。

日本最早使用转炉废气预热进行混合介质发电的是住友金属鹿岛制铁所，其工艺流程如图10所示。流过转炉上部侧缘和排气罩的废气冷却水是水温371K的温水，该温水被送入蒸发器，在蒸发器内对88%水+氨混合介质进行加热得到湿蒸汽。湿气分离器将该湿气分离为高浓度氨蒸汽（3.16MPa，368K）和低浓度氨水。

高浓度氨蒸汽被导入发电机驱动涡轮机发电，然后在冷凝器被海水冷却、凝缩。低浓度氨水在再生器内与氨水进行热交换后，导入冷凝器和高浓度氨蒸汽一起被冷却，然后用泵加压，再送入蒸发器。

在混合介质发电以前曾使用过以氟里昂为工作介质的发电系统，发电效率提高40%。运行一年的发电量为24839MWh，相当于节省燃油6600kl，CO2减排19536t/a。第一台混合介质发电机于1999年投入使用，与设备规模相比发电量较小而且建造成本较高，没有得到推广应用，但在COURSE50项目中正在研究采用优良性能混合介质的发电技术。

2）有机蒸汽循环发电

以85%CF3CH2OH的水溶液（沸点349K）作为热介质，从烧结机冷却装置排出的热风（618K）中回收热能进行发电。其原理是热介质蒸发后进行气液分离，驱动涡轮机发电，涡轮机的输出功率为12500kW。

3）氨蒸汽循环发电

氨蒸汽循环发电是以473K以下的废气和343K~373K的温排水为热源的废热回收发电系统，可以对低温废热进行利用。该方法是利用热风发生装置将发电厂废气锅炉排出的423K废气加热到473K，然后导入温水发生器，通过管道将在温水发生器内通过热回收得到的温水输送到氨蒸汽循环发电装置的氨蒸汽锅炉，作为锅炉的热源。氨蒸汽锅炉产生的氨蒸汽驱动涡轮机发电，然后被冷却水冷却。

4）双涡轮机发电系统

该发电系统有两个涡轮机，并增加一个加热器，1号涡轮机工作时，抽出一部分蒸汽，在加热器中利用这部分蒸汽的热量加热冷凝器中被冷凝的水-氨溶液。该发电系统的冷凝器的蒸汽处理量较少，比混合介质发电的热效率提高10%。

今后如能通过设备的大型化降低发电成本，该技术是一项可被采用的发电技术。

5）蒸汽再加热发电技术

蒸汽再加热发电技术采用某种加热方法对工厂废热生成的低温饱和蒸汽进行再加热，制造过热蒸汽，利用这种过热蒸汽驱动涡轮机进行发电。蒸汽再加热发电技术的加热方法有燃气轮机废气加热、内燃式加热（氧燃烧）、内燃式加热（空气燃烧）、蓄热式加热等（见表3）。

当给热电元件一定的温度差时，热电元件会根据温差大小产生相应的电力，利用热电元件的这种特性可以将热能直接转换为电能。由于热电元件是没有转动部件的小型化元件，所以容易安装在现有设备中，并具有可靠性高、易维护、无噪音、无震动、无废弃物等诸多优点，适用于发电、废热供暖系统和分散发电系统。但由于能量转换效率低等原因，实际应用很少，目前仅限于一些特殊用途。因此，有必要开发新型热电元件材料，提高性能，解决目前热电元件存在的问题。

热电元件的基本结构如图11所示。p型热电材料和n型热电材料发电的正负电性不同，所以热电元件采用了将p、n进行电学串联和热学并联的配置结构。目前使用的热电元件采用将柱状p型热电材料和n型热电材料夹在两片板材之间的结构。

热电元件的性能是用性能指数Z（1/K）来表示的。塞贝克系数S（V/K）是指当热电元件的一侧温度固定时，另一侧温度变化1K时发生的电力变化。设电阻为ρ（Ωm）、热传导率为κ（W/mK），热电元件的性能指数Z=S2/ρκ。因此，热电发生量越大、电阻越小、热传导率越小的热电元件的性能越好。此外，热电元件的性能也用温差区间的积分值ZT无量纲指数进行评价。

目前已经商品化的热电材料有BiTe系（低温用）、PbTe系（中温用）、SiGe系（高温用）等，根据各种材料对温度的依存性不同，分别用于不同的温度区域。近年来正在开发全新的热电材料，期待热电材料的特性将会有飞跃性的提高。目前，正在开发的有方钴矿系化合物、氧化物、ZnSb系、half-Heusler等热电材料。过去热电材料的适用温度以300℃左右为界限，现在已经开发出可用于400℃~700℃中高温区域的热电元件。过去热电元件的无量纲指数ZT最大是1，目前开发的SrTiO3系氧化物的室温ZT值为2.4，达到世界最高（见图12）。

由于热电材料的温度特性，存在着材料的最佳使用温度，所以为使在工作温度下的发电效率最大化，开发出将多个热电材料串联组合的热电元件和倾斜功能材料柔性填充物。此外，薄片状柔性热电元件的开发也在进行，如果这种热电元件可安装在管道等曲面装置内，那么热电元件的应用X围将会进一步扩大。

由于温差越大热电元件的发电量就越大，所以在应用热电元件时选择能够强制性地形成大温度差的场地是很必要的。如炉壁强制冷却结构或热交换器结构能够保证固体表面的热通量，在这种结构的高温壁和低温壁之间安装热电元件发电装置就可以进行发电。

3.5 极限节能课题

以上概要介绍了目前正在开发的节能技术和近期可望推广的节能技术。下面以钢铁生产XX未利用的废热为例，说明今后应开展的节能技术研究工作。目前由于回收困难而未利用的废热有以下几种。

3.5.1制品显热

钢坯、热轧板卷等制品的显热是固体显热，目前尚未回收。根据制品质量要求对

钢材冷却需要进行控制时，例如要求快速冷却的TMCP钢进行水冷时，钢材的热能仅使冷却水温度升高少许，所以回收很困难。

3.5.2高温废气显热

目前在回收一些高温废气，但是COG、LDG等废气含有焦油、炭粉和粉尘，所以利用除尘技术防止这些粉尘类物质附着在传热面上，进一步提高热回收效率是高温废气显热回收的关键。因此需要开发干式除尘技术。此外，以蒸汽形式回收高温废气显热，温度落差很大，有效能的损失也很大，这也是高温废气显热回收尚未解决的一个问题。

3.5.3炉体散热

目前尚无有效的切实可行的焦炉、高炉、加热炉等炉体散热回收方法。在这方面，提高耐火材料性能，强化绝热效果比回收炉体散热更值得期待。

3.5.4冷却水显热

除了上述钢坯、热轧钢材的冷却水显热外，加热炉炉底滑道，冷床滑道冷却水和锅炉冷凝水显热也没有被回收。由于这些是最低温度的热能，即使回收，在经济上也不合算。

以上尚未回收的废热中有许多是难以利用的。因此，实际仅回收利用了一定温度以上的热能，其余的热能就成为废热而损失掉，但这些废热在其他领域是有用的。因此，为更有效地利用热能，要研究从高温到低温多次利用废热潜能的技术，也就是要推进“热能逐级利用”技术。

4深度节能技术

4.1深度节能——热能逐级利用

为最大限度利用能量，必须从上游工序钢铁生产开始，逐次到下游工序，随着工作温度的下降，逐级利用余热能量，在各个温度区域使能量得到最大利用，这就是热能逐级利用。对于钢铁生产各工序温度逐渐下降，1500K以上的铁水、钢水在炉内反应、1200K~1400K的铸造、700K~ 1000K的轧制以及更低温度的热处理、冷却，在各个温度区域内都有热能的排放。热能利用的理想状态是各个温度区域内产生的热能在该区域内得到最大利用。

如果仅考虑钢铁厂，在钢铁生产的温度区域内实施热能利用工艺是有局限性的。但如果扩大视野，就可以看到很多产业之间存在能量供给的逐级关系（见图13）。从这个观点出发，为实现进一步的节能，不仅需要传统钢铁厂自身节能，而且与地区、其他产业协作回收利用热能也是不可缺少的。

4.2构想实现热能逐级利用的生态联合企业

2002年9月，日本钢铁协会成立了钢铁环境技术展望未来特别委员会。以钢铁厂为核心的生态联合企业构想最初是该委员会提出的，并将其作为21世纪钢铁业解决环境和能源问题的发展方向。图14是生态联合企业的概念图。生态联合企业的概念是运用钢铁厂所具有的技术和设备，通过与其他产业和地区的协作，实现资源、能源高效循环利用，形成环境友好型的社会系统。传统的联合企业是用各种资源合理制造出各种产品（包括能源）的主体产业综合工厂，而很少与其他产业和地区开展物质资源和能源循环利用的协作。基于对传统联合企业这种问题的认识，构建生态联合企业的目的是促进物质循环利用，实现“零废弃物”排放和节约资源；通过环境友好型能源供应，为保护地球环境做出贡献。

钢铁厂是生态联合企业的核心，是电能、热能的供给基地，通过生态钢铁产品、生产技术和副产物为CO2减排做贡献，是各产业间资源循环利用链的中心环节。在能源供给方面，钢铁厂应当提供厂内尚未利用的各个温度区域的废热和可以在

社会扩大应用的能源，成为实现热能逐级利用的保障。在资源循环利用方面，除了原有的废塑料、废轮胎资源化利用外，还应加快利用高温技术、氧化还原技术和大批量处理技术进行产业间的资源循环利用。

最近，日本新能源综合开发机构（NEDO）开始进行关于产业间协作的调查，很多钢铁厂是该项调查的对象。此外，经济产业省和环境省实施了生态城镇建设的计划，钢铁厂与这些生态城镇的协作也得到了加强。未来生态联合企业的节能措施，不能仅考虑钢铁生产自身的节能，对于一个产业没有完全回收或虽然回收但未能有效利用的资源能源，要在其他产业或民生方面进行利用。

4.3 生态联合企业热能逐级利用的相关课题

在以钢铁厂为核心的热能逐级利用中，钢铁业位于热能利用的顶端，利用最高温度的能源。因此，有义务不断探索高质能源有效利用的技术，引领其他产业和地区的热能逐级利用。换言之，钢铁业发挥着利用钢铁生产技术和副产物实现CO2减排的作用和产业间资源循环利用链中心环节的作用。为实现理想的热能利用，在技术方面有以下三个问题需要解决。

1）热能的储存、转换、输送技术。

2）在生产过程中纳入能量逐级利用的热交换技术。

3）能量供求的调整调度技术（能量昼夜需求量的变化、出现紧急情况的后援支持机制）。

热能随着时间的延长能量不断散失（温度下降），热能本身的形态是难于进行操作和控制的，因此必要时可以将热能转换为容易使用的电能。为此，需要热能的储存、转换、输送技术。近年来，能源问题受到广泛关注，出现了许多热能利用的新技术。

4.3.1潜热蓄热的热能储存输送技术

热能储存的方法有显热储存法、潜热储存法、化学储存法、浓度储存法、光化学储存法等等。单位体积（重量）储存热能多（蓄热密度大）的方法是潜热储存法和化学储存法。潜热储存法是通过相变时固、液相变化产生的相变热对热能进行储存的方法。该方法的蓄热体叫做PCM（Phase Chang Material）。以冰（水）作为PCM的蓄热系统已经实用化。由于潜热储存法的蓄热负荷平稳并可以对能量进行保存，所以有许多关于潜热储存法的专利申请。特别是最近几年，在太阳能发电装置中引入了潜热蓄热体，使利用太阳能产生的蒸汽压力和温度稳定化，从而提高了太阳能发电装置的可靠性并促进了装置大型化的发展。

一般情况下，废热产生的场所和废热利用的场所之间有很长的距离，所以，必须对蓄热体进行输送。如将蓄热体制成泥浆状混合在流体中成为水合物泥浆，以这种泥浆作为热介质进行输送。含有10μm~100μm水合物粒子的泥浆，温度为5℃~12℃时，蓄热密度为冷水的2~3倍。用运送这种流体的方法实现了热能的储存和输送。

今后要在钢铁生产中引进这种热能储存和输送系统，需要开发出更高温度的蓄热体和容量更大的输送系统。为此，必须有与高温化和大容量化相匹配的潜热蓄热体。目前已经开发出（或正在开发）许多高性能PCM。到目前为止已经实用化的PCM是熔点较低的糖类和氯化物。但是，当工作温度达到770K时，就转变成碳酸盐，所以在构建热能储存和输送系统方面还有许多需要解决的问题。对钢铁业热能逐级利用的PCM热介质的要求是工作温度更高、蓄热密度更大，具体来说是工作温度500K~1300K，蓄热密度4GJ/m3~10GJ/m3。

有一种热转换系统可以进行热能的大量输送。该系统所用的PCM是一种糖类物

质，熔点为391K，蓄热密度为0.5GJ/m3。此外，近年来一种用于太阳能发电装置的PCM是熔点为503K的KNO3-NaNO3的混合物。在这方面，期待有更高工作温度和更大型化的PCM出现。与高性能PCM开发同样重要的研究课题是建立热能利用系统。由于PCM的热传导率小，所以在系统大型化时解决高效率蓄热和放热问题特别重要。由于PCM的工作机理是物质相的变化，所以在凝固末期和融化初期，PCM的流动性较差，导致热能移动困难，这是PCM的缺点。为解决这个问题，推广蓄热式热能储存输送系统，需要研究提高PCM热传导率、热交换器小型化、提高热能储存输送效率和提高经济效益等方面的课题。

4.3.2利用化学反应将热能转换为化学能的储存技术

另一种提高蓄热密度的方法是利用化学反应热进行能量储存的化学储存方法。如在吸热反应中，反应物（原料）变成生成物的同时吸收热量，将热能储存起来，反之，生成物分解是放热反应，可以将热能释放出来。化学储存法与潜热储存法、显热储存法相比，可通过加热和冷却将热能储存和释放，具有可逆性。化学变化的优点是蓄热密度较大并且通过反应条件的选择，可在较大温度X围内工作，但化学变化多为不可逆反应（或逆反应所需能量较多）。因此，化学储存法采用化学反应应是可逆化学反应。目前已经提出的用于化学储存法的化学反应及其反应温度、反应热见表4。其中有些反应的反应温度属于高温，可以考虑用于钢铁生产工艺。如果生成物稳定，这些反应就是可以很好地长期储存能量的热能储存方法。与潜热储存法同样，化学储存法在500K~1200K的蓄热密度应为

4GJ/m3~10GJ/m3。

钢铁厂的能源中心根据生产计划和生产情况不断对厂内的能源供给状态进行调整调度。生态联合企业也需要这样的机构。但是，生态联合企业能源供给调整X 围涉及其他产业和整个地区，X围很广，所以调整调度功能特别重要，是必须优先研究的问题。如设备出现故障时能源供给的应急补救，设备进行计划检修时对钢铁厂、其他产业以及整个地区能源供给的调整调度等功能是生态联合企业能源供给调度机构必须具有的功能。可以考虑用增加能量储存量的方法作为应急补救措施与缓和能源生产变动的措施，但是对于生态联合企业的中心大型钢铁厂来说，对能源储存装置的投资有一定的困难。

5 小结

本文对节能技术的发展现状和推进极限节能要研究的课题做了介绍。根据有效能的观点对钢铁厂尚未利用废热的回收利用技术进行了说明。从极限节能的观点来看，现有设备仍有提高能源利用率的空间，因此，在今后的设备更新中提高设备节能效率，并开发相应的技术十分必要。此外，作为长期研究课题，论述了热能利用的理想方法，即从高温到低温逐级利用热能的方法与建设以钢铁厂为中心、包含其他产业和整个地区在内共同利用热能的生态联合企业的构想。为实现这个构想，今后应继续开展模拟生态联合企业的研究和管理运作、应急处理、维护维修等具体问题的研究。（高宏适）