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。