鋼鐵行業(yè)余熱資源分布與特點

張 濤，周園園，賈楠楠

（冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100044）

引言

鋼鐵行業(yè)是支撐我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗和二氧化碳排放大戶。建國以來，我國鋼鐵行業(yè)得到快速發(fā)展，粗鋼產(chǎn)量從1950年的61 萬t增長到2022年的10.18 億t，約占全球粗鋼產(chǎn)量的53%。2022年鋼鐵行業(yè)CO2排放量從1991 年的2.75 億t 增長到2022 年的19.77 億t，約占我國碳排放總量的15%～17%，能耗約占全國總能耗的11%，具體數(shù)據(jù)見圖1［1］。因此，我國雙碳目標的實現(xiàn)與鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量、能耗及CO2排放量密切相關，鋼鐵行業(yè)實施低碳、綠色、安全、環(huán)保發(fā)展對促進我國雙碳目標的實現(xiàn)意義重大。

圖1 我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量、能耗與二氧化碳排放統(tǒng)計圖

余熱回收利用是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排與降低CO2排放量的重要方法，是實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)雙碳目標的重要路徑之一。目前我國鋼鐵行業(yè)由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展，但能源利用率較低，大量余熱資源未得到有效利用，我國噸鋼能耗相較于國際先進水平高10%～20%，而能源利用率僅為其30%～50%［2］。方豪［3］等學者統(tǒng)計指出，2020 年我國鋼鐵行業(yè)低溫余熱量約為27.5 億GJ。鋼鐵生產(chǎn)過程中焦化、燒結(jié)、煉鐵和煉鋼等工序都有大量余熱產(chǎn)生，余熱回收利用技術可提高能源利用效率，促進鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

目前國內(nèi)對鋼鐵行業(yè)余熱回收利用存在資源分類及資源分布綜合分析不足、鋼鐵行業(yè)余熱回收利用技術闡述不清等問題。本文綜述了鋼鐵行業(yè)余熱資源的分類與分布，分析了不同工藝的余熱資源特征和鋼鐵余熱回收重點發(fā)展方向，總結(jié)了鋼鐵行業(yè)余熱資源利用原則與方式。

1 鋼鐵行業(yè)余熱資源的分類與分布

1.1 余熱資源的分類

鋼鐵行業(yè)的余熱按照溫度能級可分為：低溫余熱（<230 ℃）、中溫余熱（230 ℃～650 ℃）、高溫余熱（>650 ℃），具體數(shù)據(jù)見圖2（a）。其中，高溫余熱量為3.36 GJ，約占鋼鐵行業(yè)余熱資源總量的39.8%；中、低溫余熱量為5.08 GJ，約占鋼鐵行業(yè)余熱資源總量的60.1%［4］。由此可知，我國鋼鐵行業(yè)中、低溫余熱產(chǎn)生占比較高，應重點發(fā)展中、低溫余熱回收利用技術。

圖2 鋼鐵行業(yè)余熱資源的分類［4］

鋼鐵行業(yè)的余熱按照形態(tài)和載體可分為：爐渣余熱、冷卻水余熱、煙氣余熱以及中間產(chǎn)品余熱，具體數(shù)據(jù)見圖2（b）。其中爐渣顯熱為0.76 GJ，占比約為9.0%；冷卻水顯熱為1.24 GJ，占比約為15.0%；煙氣余熱為3.10 GJ，占比約為37.0%；中間產(chǎn)品余熱為3.35 GJ，占比約為39.0%。其中，中間產(chǎn)品余熱與煙氣余熱量之和約為6.45 GJ，占余熱總量約為76.0%。由此可知，我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品余熱與煙氣余熱量占比較高，應重點發(fā)展中間產(chǎn)品余熱與煙氣余熱的回收利用技術。

根據(jù)攜帶余熱資源的介質(zhì)或載體不同，鋼鐵行業(yè)余熱資源可分為：固態(tài)余熱、液態(tài)余熱和氣態(tài)余熱［5］，具體數(shù)據(jù)見表1。中、高溫余熱的能級較高，且相對集中，容易回收；而固態(tài)和氣態(tài)的低溫余熱資源相對較為分散，且波動較大，難以回收利用。因此，未來鋼鐵行業(yè)的固態(tài)和氣態(tài)的低品質(zhì)熱能利用將面臨重要挑戰(zhàn)。

表1 余熱資源的能級與介質(zhì)分類

綜上所述，鋼鐵行業(yè)余熱回收利用，未來重點發(fā)展占比較高的為中間產(chǎn)品與煙氣的中、低溫余熱資源回收利用技術、固態(tài)和氣態(tài)的低品質(zhì)余熱資源回收利用。

1.2 余熱資源的分布

鋼鐵行業(yè)的余熱資源分布主要集中在焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼及軋鋼等生產(chǎn)流程，分布圖見圖3。我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的余熱約為249.88 kgce/t，回收量約為52.64 kgce/t，回收利用率僅為21.07%［6］。鋼鐵生產(chǎn)中余熱資源產(chǎn)生量由多到少排序為：煉鐵、燒結(jié)、煉鋼、熱軋、煉焦；余熱資源回收率由大到小排序為：煉鋼、熱軋、煉焦、燒結(jié)、煉鐵。燒結(jié)和煉鐵工藝產(chǎn)生的余熱量約為155.4 kgce/t，占總余熱量的62.19%，但其回收量僅為16.4 kgce/t，回收率僅為10.55%，其余熱回收有待發(fā)展和關注。

鋼鐵行業(yè)低溫余熱主要集中在焦化、煉鐵和軋鋼200 ℃左右［7］的煙氣中，煉鐵沖渣水和燒結(jié)廢氣里也有部分低溫余熱分布，余熱分布圖見圖3（c）。因此，煉鐵、燒結(jié)及煉焦工藝中、低溫余熱回收也應是未來發(fā)展重點，同時，應特別關注低溫煙氣的顯熱與潛熱同時回收技術。

2 鋼鐵生產(chǎn)余熱資源產(chǎn)生環(huán)節(jié)及特點

我國鋼鐵行業(yè)余熱資源利用程度亟待發(fā)展，如圖4 所示，只有少部分蓄熱燃燒余熱回收和干熄焦（CDQ）技術發(fā)展較好［8］。我國鋼鐵行業(yè)燒結(jié)礦高溫余熱和熔渣余熱暫未回收，電爐和轉(zhuǎn)爐煙氣僅回收很少一部分，大量的高品質(zhì)余熱尚未得到充分回收利用。雖然中、低溫余熱利用得到了一定的發(fā)展，但仍有大量的中、低溫余熱亟待回收。

圖4 鋼鐵行業(yè)余熱資源的工藝分布示意圖

2.1 焦化工藝

焦化工藝中余熱資源主要分布在高溫的焦爐煤氣潛熱和顯熱、焦炭顯熱、焦爐煙氣顯熱及初冷水顯熱。目前，主要應用干熄焦技術回收焦炭顯熱，產(chǎn)生的蒸汽進行發(fā)電。焦爐煤氣由于熱值高，可作為燃料驅(qū)動鍋爐發(fā)電。另有部分企業(yè)將焦爐煤氣作為化工原料，生產(chǎn)合成氨和甲醇等高品質(zhì)的化工產(chǎn)品。焦化工藝產(chǎn)生的煙氣一般在250 ℃～300 ℃，主要用換熱設備回收，生產(chǎn)蒸汽供給生產(chǎn)、生活及煤調(diào)濕熱。焦化初冷水溫度在60 ℃～70 ℃，可用于冬季采暖。

2.2 燒結(jié)工藝

燒結(jié)工藝的主要余熱資源有燒結(jié)礦顯熱、燒結(jié)煙氣顯熱及燒結(jié)廢氣顯熱。燒結(jié)礦顯熱高溫段主要應用余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽后，發(fā)電或直接供給用戶。中、低溫煙氣主要用于干燥和預熱燒結(jié)物料。環(huán)冷機的低溫熱風可直接供給燒結(jié)機加熱助燃空氣。燒結(jié)工藝中的余熱回收應關注燒結(jié)和環(huán)冷機廢氣的余熱回收技術。

2.3 球團工藝

球團工藝的主要余熱資源有球團礦顯熱、球團煙氣顯熱及冷卻水顯熱。球團礦顯熱主要用于烘干和預熱物料。球團煙氣溫度在120 ℃左右，主要通過換熱器回收后，為生產(chǎn)和生活提供熱水。冷卻水顯熱目前應用技術有待發(fā)展，為避免水資源的蒸發(fā)浪費，部分企業(yè)已采用空冷方式替代冷卻水冷卻。

2.4 煉鐵工藝

煉鐵工藝的主要余熱資源有高爐煤氣潛熱、高爐渣顯熱、高爐沖渣水顯熱和熱風爐煙氣顯熱。熱風爐的煙氣顯熱主要通過換熱器直接利用，用于余熱煤氣和助燃空氣，提升溫度，降低能耗。高爐沖渣水溫度在80 ℃～90 ℃，回收后用于預熱空氣、煤氣或供暖。高爐渣顯熱的回收目前為研究階段。

2.5 煉鋼工藝

煉鋼工藝可分為長流程轉(zhuǎn)爐煉鋼和短流程電爐煉鋼。轉(zhuǎn)爐煉鋼余熱主要有轉(zhuǎn)爐煤氣的化學能和熱能、轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱、鋼渣余熱及鋼坯余熱。轉(zhuǎn)爐煤氣回收主要應用煤氣發(fā)電技術，回收率約為40%。轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱主要用于加熱產(chǎn)生蒸汽，供生產(chǎn)和生活使用。鋼坯余熱主要利用熱裝熱送技術回收。鋼渣余熱回收技術有待發(fā)展。電爐煉鋼余熱主要有電爐煙氣顯熱和鋼坯顯熱，目前電爐煙氣和鋼坯顯熱暫未得到很好的回收利用。

2.6 軋鋼工藝

軋鋼工藝可回收利用余熱包括加熱爐煙氣顯熱與冷卻水顯熱。加熱爐煙氣顯熱主要利用蓄熱式換熱器與燃燒裝置進行回收利用，而冷卻水顯熱則通過汽化產(chǎn)生蒸汽回收利用。

3 鋼鐵行業(yè)余熱資源利用原則與方式

3.1 余熱資源利用原則

鋼鐵行業(yè)余熱資源利用順序應該考慮余熱資源的價值和回收難易程度，與余熱資源量、品質(zhì)及載體形態(tài)直接相關，應根據(jù)“溫度對口、梯級利用”，按照余熱資源與用戶需求能級匹配的基本原則進行余熱方案的制定，選擇適合的設備與系統(tǒng)。余熱資源回收順序見圖5。

圖5 余熱回收利用基本順序

鋼鐵行業(yè)余熱利用的原則是：

（1）提高裝置自身的熱效率，降低系統(tǒng)設備的能源消耗，直接減少余熱。

（2）裝置自身的余熱資源利用，如加熱燃料或助燃空氣等。

（3）其他工序應用應盡量滿足時空一致。

（4）高品質(zhì)余熱主要用于高溫設備，減少能量轉(zhuǎn)換頻率，或轉(zhuǎn)化為高品位的電能。

（5）當余熱利用裝備與設施故障時，應不影響主線生產(chǎn)［9］。

3.2 余熱資源利用方式

鋼鐵工業(yè)余熱回收利用方式和技術多種多樣，具體見圖6，主要利用方式如下：

圖6 余熱回收利用方式與技術

（1）直接利用，余熱用于工藝本身。如煙氣余熱預熱空氣、預熱燃料和物料、預熱高爐廢鋼、煉焦入爐煤的調(diào)濕、高爐鼓風脫濕、高爐鐵水加熱鋼坯等。

（2）轉(zhuǎn)化后利用，余熱可進行動力發(fā)電、熱利用、制冷以及冷熱電聯(lián)供。煙氣經(jīng)過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水；紅焦經(jīng)過換熱器產(chǎn)生蒸汽發(fā)電；煙氣與有機朗肯循環(huán)或溫差發(fā)電裝置耦合發(fā)電；余熱回收產(chǎn)生的蒸汽亦可以進行海水淡化；煙氣顯熱與吸收式制冷機組耦合，供熱供冷；冷卻水換熱耦合熱泵機組生產(chǎn)熱水與溫水，實現(xiàn)供熱或污水處理。

4 結(jié)論

針對鋼鐵行業(yè)余熱資源的分布、分類，資源的利用原則與方式及余熱產(chǎn)生工藝特點進行詳細分析后，得出如下結(jié)論：

（1）我國鋼鐵行業(yè)余熱回收利用方面，中、低溫余熱占比較高，未來應重點關注中間產(chǎn)品與煙氣中、低溫余熱資源回收，且需關注固態(tài)和氣態(tài)的低溫余熱資源回收利用，發(fā)展中、低溫余熱回收利用技術。

（2）未來應重點發(fā)展高爐渣、轉(zhuǎn)爐鋼渣和電爐渣的余熱回收利用，促進煉鐵、燒結(jié)及煉焦工藝中的中、低溫余熱回收技術發(fā)展，特別關注低溫煙氣的顯熱與潛熱同時回收技術。

（3）目前，低品質(zhì)余熱如低溫冷卻水、廢氣等難以回收利用，需根據(jù)余熱特點和利用原則重點研發(fā)新余熱回收利用設備，實現(xiàn)余熱資源梯級優(yōu)化利用。