鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用技術現(xiàn)狀綜述

柯菲 高雅萱 張倩 李勛奇 劉璐

摘 要：首先回顧了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程中余熱資源分布及利用現(xiàn)狀，然后從焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼等鋼鐵主要生產(chǎn)工序方面，簡述了余熱回收利用技術的應用現(xiàn)狀，并著重分析了近些年新興的富氧燃燒技術和熱管技術的優(yōu)勢與發(fā)展前景，最后指明了余熱回收利用的關鍵問題，對鋼鐵企業(yè)余熱回收技術的發(fā)展提出了建議。

關鍵詞：鋼鐵工業(yè);余熱資源;余熱回收;能耗

0 引言

在《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》逐漸深入落實的時代背景下，節(jié)能減排已成為國家的重大決策之一，各地工業(yè)企業(yè)積極推行低碳化發(fā)展，探尋能源損耗最小的發(fā)展路徑。鋼鐵企業(yè)面臨著來自資源、環(huán)境的挑戰(zhàn)，現(xiàn)已進入轉型升級的重要時期。然而，在鋼鐵制造工藝流程中，僅有30%～50%的能量得到有效利用[1]，剩余大量能量則以余熱形式存在，回收潛力巨大。實現(xiàn)余熱資源的高效回收利用，降低企業(yè)的能源成本是鋼鐵企業(yè)在研究中需考慮的重大問題。

目前，鋼鐵企業(yè)余熱資源廣泛分布于各工序生產(chǎn)過程中，余熱資源豐富且回收利用技術多樣。因此，本文從焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼等鋼鐵生產(chǎn)工序出發(fā)，對我國鋼鐵企業(yè)余熱資源的主要回收利用技術進行綜述，為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術發(fā)展提供參考。

1 鋼鐵企業(yè)余熱資源分布與利用現(xiàn)狀概述

1.1? ? 鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序余熱資源狀況

我國鋼鐵企業(yè)90%是以高爐—轉爐為主的長流程企業(yè)[2]，生產(chǎn)流程一般包括煉鐵、煉鋼、軋鋼、燒結、焦化等工序。鋼鐵生產(chǎn)流程中各工序能耗不盡相同，其中煉鐵工序的能耗比重最大，約占整個鋼鐵生產(chǎn)流程總能耗的59%。各生產(chǎn)工序能耗占總能耗百分比如圖1所示。

在各生產(chǎn)工序中，煉鐵工序的能源利用效率最高，約達89.2%;燒結工序的能源利用效率最低，僅有約25.3%[4]。

1.2? ? 鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用現(xiàn)狀

我國鋼鐵企業(yè)余熱資源的回收利用目前仍存在一些問題，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在煉鐵工序中，現(xiàn)有高爐渣余熱回收技術可分為通過介質(zhì)交換熱量和與化學反應結合以吸收余熱，對于顯熱處理有提高余熱回收率和促進高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)兩種偏向，但仍然沒有相關成熟技術可以兼顧兩者;煉鋼煙氣余熱回收量少，且能級損失很大，大部分高溫煙氣仍未得到有效回收利用;軋鋼工序中加熱爐煙氣排放量大、排煙溫度較高、余熱利用率低;燒結工序的燒結礦的高溫余熱基本沒有回收利用，僅中低溫部分的余熱得到有效利用;焦化工序副產(chǎn)煤氣利用率偏低，同時還存在大氣污染和難以處理的固體廢棄物排放量高等問題。

2 各工序余熱回收利用技術應用現(xiàn)狀

2.1? ? 煉鐵工序余熱回收利用

鋼鐵生產(chǎn)流程中會產(chǎn)生大量余熱，此外還伴有煙（煤）氣、高爐渣、冷卻水等物質(zhì)的產(chǎn)生。其中煉鐵工序高爐渣顯熱約占30%的余熱資源，且回收率較低。現(xiàn)有余熱回收利用方法可分為物理回收方法和化學回收方法兩大類。

2.1.1? ? 物理回收方法

煉鐵過程中產(chǎn)生大量高爐渣，且其出爐溫度高，含有巨大的物理潛熱。因此，現(xiàn)有許多物理回收方法對其進行余熱回收以獲取經(jīng)濟效益。鋼鐵企業(yè)中常用的物理余熱回收利用方法主要有風淬法、水淬法、旋轉杯粒化法、雙鼓法、甲烷水蒸氣法和冶金熔渣射流干法粒化。

（1）風淬法：首先將高溫熔渣粉碎，這個過程需利用高速空氣對其沖擊，使用多段流化床回收粉碎后的渣粒，獲取高溫熱風或用于發(fā)電，這個過程回收了余熱的同時也生產(chǎn)了高附加值的產(chǎn)品，這些爐渣產(chǎn)品可用于水泥生產(chǎn)等[5]，提高了經(jīng)濟效益。

（2）水淬法：水淬法主要包括底濾法、因巴法、明特克法、拉薩法、圖拉法5種[5-6]，將冷卻水噴灑在破碎的高溫爐渣上實現(xiàn)熱量轉移，冷卻水吸收高溫爐渣的部分熱量蒸發(fā)成為中壓蒸汽，蒸汽被收集進入蒸汽系統(tǒng)從而得以被利用[7]。

（3）旋轉杯粒化法：利用高速旋轉的多孔旋轉杯所帶來的離心力，熔渣被甩出粒化，甩出過程中冷空氣與高溫粒渣相遇升溫，回收高溫空氣對高溫渣粒進行余熱回收[5]。

（4）雙鼓法：雙鼓法余熱回收設備中轉鼓內(nèi)部填充低沸點流動介質(zhì)，轉鼓具有良好的導熱性，液態(tài)爐渣倒入轉鼓，由爐渣向下重力和轉鼓向上轉力兩合力調(diào)節(jié)轉速，轉動過程中，高溫爐渣熱量傳導至轉鼓內(nèi)流動介質(zhì)，升溫后介質(zhì)導出實現(xiàn)爐渣余熱回收[5]。

（5）甲烷水蒸氣法：高爐熔渣粒化過程中的顯熱用于化學反應，被甲烷和水蒸氣的吸熱反應吸收，并且生成了H2和CO等物質(zhì)，將余熱轉變?yōu)榛瘜W能。

（6）冶金熔渣射流干法粒化：張衍國提出以水為載體，通過高速射流沖擊的方式粒化熔融渣，再輔以流化床和移動床的梯級熱能回收技術可實現(xiàn)高熱回收率，這種方法耗水量小、污染少且具有很高的安全性[8]。

2.1.2? ? 化學回收方法

鋼鐵企業(yè)中常用的高爐渣顯熱化學回收利用方法主要有高爐渣生產(chǎn)渣棉、高爐渣制備微晶玻璃、利用高爐渣顯熱制煤氣技術、化學粒化工藝。

（1）高爐渣生產(chǎn)渣棉：首先在高溫狀態(tài)下往高爐渣中加入配置好的混合料，如鐵尾礦、廢石等，待其融化，將壓縮空氣或蒸汽作為工具，安裝在高爐渣溝末端的噴嘴處，利用酸性尾礦和廢石作為調(diào)質(zhì)劑，這些預先配置好的混合料將被高壓氣體噴吹成為絲狀，從而形成了具有高附加值的渣棉纖維。這一方法回收了大量廢棄材料和余熱資源，有利于環(huán)境保護[9]。

（2）高爐渣制備微晶玻璃：有部分研究表明，可將高爐渣作為原料，用于制備高附加值的微晶玻璃，利于提高高爐渣利用率。許瑩等[10]通過熔融法制備微晶玻璃;樊涌等[11]利用污泥焚燒灰渣和高爐渣以特定配比混合，通過在高溫熔融爐中加熱等方式制備出冶金渣微晶玻璃;程向前[12]研究將高爐渣作為陶瓷的助燒結劑，降低了燒結溫度且改善了陶瓷的材料性能;國外部分學者利用鋼鐵爐渣制造富CaO的微晶玻璃、透明和彩色玻璃陶瓷等。回收高爐渣制備高附加值的陶瓷產(chǎn)品的同時，又間接利用了爐渣的顯熱。