鋼鐵節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

1、鋼鐵節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望日本鋼鐵業(yè)在克服石油危機(jī)、 原料漲價(jià)的歷程中取得了節(jié)約能源的顯著成績。 但是， 零排放、減輕地球環(huán)境負(fù)荷等社會(huì)要求日益高漲，為取得比過去更好的節(jié)能效果，就必 須開展新思路節(jié)能技術(shù)和熱流體技術(shù)方面的中長期課題研究。節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀日本鋼鐵業(yè)從很早就開始了節(jié)能工作， 1951 年鋼鐵技術(shù)共同研究會(huì)開展了熱經(jīng)濟(jì)技 術(shù)專業(yè)會(huì)的活動(dòng)。當(dāng)時(shí)引進(jìn)了外國的熱計(jì)量技術(shù)并推進(jìn)熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的工作，通過“熱 管理”的實(shí)施，鋼鐵業(yè)的“熱經(jīng)濟(jì)有了快速發(fā)展” ，這是鋼鐵業(yè)節(jié)能工作的第一步。 1973 年發(fā)生石油危機(jī)，日本開展了鋼鐵生產(chǎn)實(shí)際能耗分析和對(duì)策、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)節(jié)能系統(tǒng)考 察、開發(fā)最小能耗加熱爐

2、等項(xiàng)工作，同時(shí)對(duì)高爐煤氣余壓發(fā)電（TRT和干熄焦裝置（CDQ 等大型節(jié)能裝備進(jìn)行投資建設(shè)。石油危機(jī)以后，粗鋼產(chǎn)量經(jīng)過高峰期，設(shè)備能力過剩的 問題從 1985 年開始持續(xù)了 10 年，在這期間推進(jìn)了以降低生產(chǎn)成本為目的的節(jié)能技術(shù)。 1995 年以后，地球環(huán)境問題引發(fā)出進(jìn)一步節(jié)能的要求，出現(xiàn)了新的節(jié)能技術(shù)。經(jīng)歷了上述的歷史變化過程，日本鋼鐵業(yè)從煉鐵、煉鋼等上游工序到軋鋼、表面處 理等下游工序全面實(shí)施節(jié)能措施（見圖 1），節(jié)能效果達(dá)到世界最高水平（見圖 2）， 1990 年噸鋼能耗比 1973 年下降了 20%。在此基礎(chǔ)上，日本鋼鐵業(yè)自主行動(dòng)計(jì)劃提出了2010年噸鋼能耗比 1990 年下降 10%的

3、目標(biāo)。高爐煤氣余壓發(fā)電（ TRT） 高爐爐頂散放出來的高爐煤氣壓力高達(dá)。利用這個(gè)壓力驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)進(jìn)行發(fā)電就 是高爐煤氣余壓發(fā)電（TRT。TRT技術(shù)是20世紀(jì)60年代歐洲、前蘇聯(lián)研究成功的技術(shù)， 1969年前蘇聯(lián)的TRT1號(hào)機(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)。1974年日本開始引進(jìn)TRT技術(shù)并在1980年前后迅 速推廣應(yīng)用。目前日本各個(gè)大型高爐都配置了TRT發(fā)電能力從6MV到15MV以上。干熄焦技術(shù)（ CDQ） 煉焦生產(chǎn)能耗很大，主要的放熱有焦炭顯熱、焦?fàn)t煤氣顯熱、焦?fàn)t燃燒廢氣放熱和 焦?fàn)t爐體散熱（見圖 3）。過去利用噴水的辦法將從焦?fàn)t推出的熾熱焦炭冷卻 （濕式熄焦）， 干熄焦技術(shù)是將熾熱焦炭顯熱以高壓蒸汽形式進(jìn)行回

4、收。干熄焦技術(shù)開發(fā)成功以后就成 為煉焦生產(chǎn)普遍采用的熄焦技術(shù)。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了蒸汽產(chǎn)量超過200t/h的大型CDQS 備（見圖 4）。蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)極限熱回收和低NOx排放曾是加熱系統(tǒng)中兩個(gè)互相矛盾的能耗和環(huán)境問題，而蓄熱 式燒嘴加熱系統(tǒng)是同時(shí)成功解決這兩個(gè)問題的節(jié)能加熱技術(shù)。蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)是在 日本國家項(xiàng)目“高性能工業(yè)爐技術(shù)開發(fā)（ 19932000年）”中研究開發(fā)成功的。過去，在 加熱爐節(jié)能方面采取兩類措施，一種是將輻射式熱交換變更為對(duì)流式熱交換，強(qiáng)化爐體 密封絕熱，爐壁陶瓷纖維化等硬件改進(jìn)措施；另一種是爐壓、空氣比最佳化控制、防止 過加熱等提高操作方法的措施。 這些措施的實(shí)施提高了

5、燃料利用率， 但難以進(jìn)一步節(jié)能。環(huán)境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)利用與燒嘴相連的熱交換器將燃燒用空氣預(yù)熱到接 近爐溫的溫度，從而使連續(xù)式大型加熱爐實(shí)現(xiàn)了大幅度節(jié)能。蓄熱式燒嘴加熱爐的熱回 收方法是利用燒嘴熱交換器中的蓄熱體在加熱爐廢氣和燃燒用空氣之間進(jìn)行熱交換（見 圖5）。采用傳統(tǒng)燒嘴時(shí)，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度超過1200K,加熱爐廢氣中的氮氧化物濃度會(huì)急劇增加。由于受到排放標(biāo)準(zhǔn)的限制，所以空氣預(yù)熱溫度不能超過1200&采用環(huán)境友好 型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)，將1500K以上的高溫預(yù)熱空氣和燃料在爐內(nèi)一面稀釋一面緩慢 發(fā)生反應(yīng)，大大降低了 NOX的濃度。該系統(tǒng)可以節(jié)能30%降低NOX濃度50%環(huán)境友好 型蓄熱

6、式燒嘴加熱系統(tǒng)利用成對(duì)蓄熱式燒嘴工作，一個(gè)燒嘴起到排煙口的作用，爐內(nèi)氣 體被抽進(jìn)蓄熱體傳熱 （蓄熱過程） 時(shí)，另一個(gè)燒嘴通過蓄熱體對(duì)燃燒用空氣進(jìn)行預(yù)熱 （放 熱過程），通過兩個(gè)燒嘴切換工作（交替燃燒）可以提高空氣預(yù)熱溫度。近年來，由于有 日本政府補(bǔ)貼資金的支持，環(huán)境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)的應(yīng)用快速增加，日本鋼鐵 業(yè)采用該技術(shù)的加熱爐已經(jīng)超過 1000 座。其他節(jié)能技術(shù) 除了上述節(jié)能技術(shù)外，焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐廢氣回收、燒結(jié)礦廢熱回收、轉(zhuǎn)爐廢熱鍋爐、鋼 坯熱裝熱送（HCG、直接軋制等也是效果顯著的節(jié)能技術(shù)。這些技術(shù)也已經(jīng)被日本鋼鐵 企業(yè)應(yīng)用。有報(bào)告指出，在對(duì)世界鋼鐵采用最高效節(jié)能減排技術(shù)的條件下比較各國

7、C02減排潛力時(shí)，由于日本鋼鐵的能源利用效率最高，所以 CO2減排的潛力最小。日本已經(jīng)采用了 煤氣回收等大型節(jié)能設(shè)備，但是從世界范圍來看，這些技術(shù)尚未被普遍采用，目前，日 本的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)正在向中國、印度等國家推廣使用。3 極限節(jié)能以熱力學(xué)熵的概念衡量， 目前鋼鐵生產(chǎn)的能源效率約為 60%，尚有40%未能有效利用。 以下首先論述有效能分析方法對(duì)有效熱源進(jìn)行分析，并說明有效熱源的利用方法，然后 進(jìn)一步論述能量逐級(jí)利用方法以及今后節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。有效能評(píng)價(jià)及今后節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向3.1.1 用有效能評(píng)價(jià)能源利用狀況熱力學(xué)的基本定律有“熱力學(xué)第一定律能量守恒定律”和“熱力學(xué)第二定律 熵增加定律（

8、有效能減少定律、 ”，這兩個(gè)定律是能量使用的重要評(píng)價(jià)原則。熱力學(xué)第 一定律指出，一個(gè)系統(tǒng)的能量變化等于從外界獲取的能量。在進(jìn)行加熱爐操作中的熱平 衡管理時(shí)，第一定律是熱力學(xué)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是必不可缺的法則。用熱平衡方法評(píng)價(jià)制品 顯熱和各種熱量損失，就可以明確該工藝熱能的有效利用程度，就可以采取相應(yīng)的減少 熱損失的措施。另一方面，第二定律對(duì)于能量的有效利用是一個(gè)重要的法則，必須對(duì)全工藝有效能 的減少量進(jìn)行估算并對(duì)工藝本身進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，鍋爐的大部分有效能損失是水和燃燒 氣體進(jìn)行熱交換產(chǎn)生的，從高溫燃燒氣體生成低溫蒸汽這種大溫差變化工藝的有效能損 失是很大的。因此，將各種熱能利用方法組合起來，使能量損

9、失控制在最小限度的能量 逐級(jí)利用方法，在近年來受到大力提倡。燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)的組合、利用預(yù)熱改 質(zhì)甲烷進(jìn)行化學(xué)能轉(zhuǎn)換等能量逐級(jí)有效利用的實(shí)例正在增加。此外，目前正在大力開發(fā) 的燃料電池可以直接將化學(xué)有效能轉(zhuǎn)換為電能，在這個(gè)過程中不經(jīng)過熱能形態(tài)，因此不 受卡諾循環(huán)效率的制約，使有效能損失受到抑制。今后開發(fā)、應(yīng)用燃料電池這種能量轉(zhuǎn) 換工藝將會(huì)越來越重要。通過生態(tài)聯(lián)合工廠和發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)可將一個(gè)單獨(dú)產(chǎn)業(yè)不能回收利用的物質(zhì)和 蒸汽等用于其他產(chǎn)業(yè)或用于民生，這些工藝已經(jīng)作為日本國家級(jí)項(xiàng)目正在推進(jìn)。鋼鐵業(yè) 要處理超過 1700K 高溫的燃燒廢氣和鐵水、鋼水，所以是各種產(chǎn)業(yè)中使用最高溫度能量 的產(chǎn)

10、業(yè)，處于能量逐級(jí)有效利用的重要位置，必須探索鋼鐵業(yè)高效率的能量利用方法。3.1.2 煉鐵工藝有效能評(píng)價(jià)圖 6 是按溫度高低對(duì)煉鐵廠各種散熱進(jìn)行整理的結(jié)果。熱焓損失評(píng)價(jià)結(jié)果是低溫冷 卻水的焓損失最大，其次是爐體散熱、制品顯熱、燒結(jié)礦顯熱、高爐爐渣顯熱等未回收 廢熱。有效能損失評(píng)價(jià)結(jié)果是高溫高爐渣顯熱、燒結(jié)礦顯熱、制品顯熱等未回收，有效 能損失最大。也就是說，溫度低的冷卻水等方面的總能量損失大，但由于是低級(jí)能量， 目前回收有困難。另一方面，高溫爐渣顯熱具有很大的有效能，由于目前尚無固體顯熱 的有效回收方法，這些有效能也沒有得到回收。3.1.3 根據(jù)有效能評(píng)價(jià)得出的節(jié)能課題高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣的溫度高達(dá)1

11、7001800K因此能量很大，而且具有很高的有效能。 并且，爐渣中還有與熱有效能相同的化學(xué)有效能，因此，不僅要考慮爐渣的熱回收問題，還要考慮爐渣化學(xué)有效能的利用問題。所以，不僅要研究爐渣在鋼鐵業(yè)的應(yīng)用，還要與 其他產(chǎn)業(yè)相結(jié)合研究在更大范圍內(nèi)對(duì)爐渣進(jìn)行利用的問題。目前高爐爐渣已經(jīng)用于水泥 原料和路基材料等鋼鐵業(yè)以外的領(lǐng)域。但是，現(xiàn)實(shí)情況是，由于在制造風(fēng)冷渣或水冷渣 時(shí)有一個(gè)急冷過程，所以熱能的利用并不完全。此外，到目前為止?fàn)t渣等固體顯熱的回 收尚無進(jìn)展，其原因是與液體或氣體顯熱相比，固體顯熱的回收比較困難，還沒有建立 有效的回收方法。由于蓄熱室高效化和蓄熱式燒嘴的應(yīng)用，加熱爐、熱處理爐的燃燒氣體

12、廢熱已經(jīng)實(shí) 現(xiàn)了高水平的回收，但是，最后還是存在 300500K的中低溫廢熱排放。假設(shè)用某種方法 將這種中低溫度廢熱回收，得到的也只是低溫過熱蒸汽或低溫飽和蒸汽。另一方面，用 現(xiàn)有廢熱回收方法已滿足了煉鐵廠內(nèi)對(duì)蒸汽的需求，因此鋼鐵廠不再需要蒸汽供應(yīng)。如 有可能，最好將中低溫廢熱用于發(fā)電，生產(chǎn)附加值高的電力，但由于發(fā)電效率很低，所 以從經(jīng)濟(jì)性考慮也很難實(shí)用化。此外，燒結(jié)廢氣的溫度更低，只有400K左右，但是這種廢氣中含有未燃燒的CQ所以具有化學(xué)有效能，對(duì)這種CO潛熱的回收是利用有效能的一 個(gè)重要方面。冷卻水的排熱量很大，所以熱焓被大量排出，但由于冷卻水的溫度較低，有效能小， 是低級(jí)能量。冷卻設(shè)備

13、用低溫的水來冷卻高溫物質(zhì)，不可逆的熱損失很大，這類設(shè)備是 廢熱不能得到完全有效利用的典型設(shè)備。今后需要開拓視野，研究將這種低級(jí)廢熱用于 其他領(lǐng)域或民生方面的技術(shù)。煉鐵工藝極限節(jié)能技術(shù)利用有效能評(píng)價(jià)方法已經(jīng)看到了煉鐵工藝今后廢熱利用（廢熱種類和溫度范圍）的 總體研究方向。為進(jìn)一步利用煉鐵工藝中尚未被利用的能量，目前正在進(jìn)行研究的課題 列于表1。該表中也包括了以前進(jìn)行了初步研究的節(jié)能技術(shù)，但為實(shí)現(xiàn)極限節(jié)能目標(biāo)，必須進(jìn)一步開發(fā)新節(jié)能技術(shù)和提高設(shè)備功能。表1 鋼鐵科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略性課題（煉鐵工藝極限節(jié)能）課題名稱完成目標(biāo)課題對(duì)象高絕熱、高耐久性耐火材料熱損失最小化各種爐窯的爐壁:煉鐵 廢熱 有效 利用從熔

14、融物和高溫廢氣 中回收熱能800 C以上的高溫廢熱回收率90%爐渣顯熱、轉(zhuǎn)爐廢氣爐渣、鋼材、爐體散熱 的回收300800r的中溫廢熱回收率80%爐渣、鋼材、爐體散 熱中低溫排水熱能的有 效利用300 r以下的低溫排水熱 能利用率60%過熱蒸汽、飽和蒸 汽、廢氣、溫排水COURSE50節(jié)能技術(shù)的開發(fā)COURSE50是進(jìn)一步削減CO2放的“環(huán)境友好型煉鐵技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目開發(fā) 的技術(shù)是從鐵礦石入手的根本性 CO2減排技術(shù)，技術(shù)內(nèi)容是利用氫還原鐵礦石和將鐵礦 石還原時(shí)產(chǎn)生的CO2分離回收進(jìn)行無害化處理。其中特別要研究的技術(shù)是利用煉鐵廠內(nèi) 的廢熱生產(chǎn)CO2分離回收所需的蒸汽和電力。在 COURSE

15、S目中，對(duì)煉鐵廠尚未利用的 廢熱進(jìn)行回收的技術(shù)有以下四項(xiàng)需要開發(fā)：1）爐渣顯熱回收技術(shù)開發(fā)；2）混合介質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)開發(fā)；3） PCM（潛熱蓄熱材）利用技術(shù)的開發(fā)；4）熱泵利用技術(shù)的開發(fā)。主要的廢熱利用技術(shù)3.4.1爐渣顯熱回收技術(shù)鋼鐵生產(chǎn)中的高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐產(chǎn)生大量的高溫爐渣，其中渣量最大的高爐渣的產(chǎn) 生量是287kg/t生鐵，渣溫約1700K,熱量是487MJ/t生鐵。一般情況下，對(duì)高爐渣噴灑 大量的水使之細(xì)?；a(chǎn)生蒸汽，將渣變成水淬渣實(shí)現(xiàn)資源化。從廢熱回收的觀點(diǎn)來看， 存在的問題是如何利用高溫爐渣急冷時(shí)產(chǎn)生的大量低溫排水的熱能。由于這種排水的溫 度低，所以目前尚無合適的熱能回收方法。過

16、去（19791987年）曾對(duì)高溫?zé)崮艿幕厥者M(jìn)行過研究（見表 2），進(jìn)行了流化床熱 回收法、輻射熱回收法、滾筒式熱回收法等各種方法的實(shí)驗(yàn)，并且有一些方法已經(jīng)進(jìn)行 了實(shí)機(jī)試驗(yàn)，但由于經(jīng)濟(jì)性和爐渣制品的質(zhì)量問題，到目前還沒有正式運(yùn)行的設(shè)備。表2高爐顯熱回收的主要方法方法造粒方式熱回收方式落下液滴造粒法使熔融爐渣下落與轉(zhuǎn)動(dòng)的滾 筒發(fā)生沖擊，使熔渣滴造粒流化床、移動(dòng)床風(fēng)淬造粒法利用風(fēng)力將熔渣破碎造粒流化床攪拌造粒法在渣罐內(nèi)攪拌熔渣，制造咼 溫渣粒利用渣罐輻射熱回收豎爐冷 卻裝置回收高溫渣粒顯熱爐渣鍋爐凝固法在管筒內(nèi)將爐渣凝固造粒在管筒內(nèi)對(duì)熔渣注水，與管 筒周圍的水進(jìn)行熱交換雙滾筒薄層渣法向一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒

17、中間送熔 渣，使熔渣卷取，得到薄層 爐渣利用轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒冷卻介質(zhì)進(jìn)行 熱能回收回轉(zhuǎn)室風(fēng)淬法利用回轉(zhuǎn)噴注室和風(fēng)力使熔 渣顆?；骰曹堉评鋮s法在回轉(zhuǎn)移動(dòng)床式冷床上利用 轉(zhuǎn)動(dòng)輥進(jìn)行軋制使?fàn)t渣急冷利用冷床回收熱能塊狀凝固法使熔渣流入上下導(dǎo)熱盤得到 夾層狀的爐渣塊利用導(dǎo)熱盤內(nèi)的水管回收熱 能組合法利用風(fēng)淬方式制造微細(xì)爐渣 粒子從風(fēng)洞熱風(fēng)和高溫粒子進(jìn)行 兩次熱能回收實(shí)現(xiàn)爐渣高溫?zé)崮芑厥諏?shí)用化，需要解決以下幾個(gè)問題：1）快速冷卻水淬渣玻璃化和爐渣顯熱回收技術(shù)；2 ）抑制渣棉生成的技術(shù)；3）在粉碎處理時(shí)保證爐渣產(chǎn)品強(qiáng)度和 水淬渣強(qiáng)度相同的技術(shù)；4）和爐渣用戶（如水泥業(yè)）聯(lián)合形成一個(gè)整體進(jìn)行技術(shù)開發(fā)；5）熱能回收

18、設(shè)備費(fèi)用不超過水淬渣設(shè)備費(fèi)用以及設(shè)備長壽化技術(shù)。最近正在研究一種回收爐渣顯熱和使?fàn)t渣再資源化的爐渣顯熱回收設(shè)備（見圖7）。利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒將熔渣微?；?，用水霧對(duì)熔渣微粒進(jìn)行冷卻，以防止熔渣微?；ハ?粘結(jié)，將熔渣制成沙粒狀制品。計(jì)劃將該設(shè)備回收的顯熱作為再生能源用于煉鐵排放 C02 的分離回收（COURSE50利用高爐渣顯熱對(duì)高爐爐氣 CO21行回收的流程方案如圖8所 示。在COURSES目中也進(jìn)行了鋼渣顯熱回收利用的研究。在這方面，應(yīng)將鋼渣用于充 分發(fā)揮其特性的領(lǐng)域和更高附加值的應(yīng)用領(lǐng)域， 并實(shí)現(xiàn)鋼渣應(yīng)用和顯熱回收兼顧的工藝。除了鋼鐵渣的顯熱回收，還提出了使?fàn)t渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)熱（吸熱反應(yīng)

19、）進(jìn)行 回收的方案。在該方案中，高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)筒造粒機(jī)（RCA將上面投放下來的熔渣顆粒 化，熔渣顆粒積存在下面的渣槽內(nèi)，用平板給料器切碎后輸送出來。在這過程中，通入 渣槽的甲烷+ 水蒸汽流經(jīng)渣槽內(nèi)的顆粒渣，一面預(yù)熱一面上升，經(jīng)過RCA下部的Ni基觸媒被改質(zhì)為氫+氧化碳。（高宏適）（未完待續(xù)）3.4.2 轉(zhuǎn)爐廢氣顯熱的利用目前，許多鋼鐵廠都利用轉(zhuǎn)爐廢熱鍋爐（0G鍋爐）進(jìn)行轉(zhuǎn)爐廢熱的回收。但是，還 有很大的節(jié)能潛力。根據(jù)有效能的評(píng)價(jià)結(jié)果，目前轉(zhuǎn)爐尚未利用的能量是鋼渣的熱能和 化學(xué)能以及轉(zhuǎn)爐爐體散熱和管道散熱。其中爐體和管道散熱占未利用能量的80%。此外，除了鋼渣、爐體和管道散熱，還有不可逆熱損失。

20、不可逆熱損失發(fā)生在溫差大的情況， 是在與高溫廢氣進(jìn)行熱交換制造溫度較低的蒸汽時(shí)產(chǎn)生的，如0G崗爐的熱損失和燃燒熱損失。因此，在高溫狀態(tài)下利用高溫進(jìn)行廢熱回收比用低溫蒸汽回收廢熱的方法可以減 少不可逆熱損失。例如目前就有將轉(zhuǎn)爐廢氣用于石灰燒成的方案（見圖9）。將石灰石投入轉(zhuǎn)爐排放的爐氣中，爐氣中的粉塵附著在石灰石上，去除這些粉塵的同時(shí)通過爐氣顯 熱對(duì)石灰石進(jìn)行燒成，生成生石灰。由于這個(gè)燒成過程是從常溫開始一直升高到1170K，所以有效能效率大大高于生產(chǎn)溫度較低的蒸汽。如果再將利用爐氣溫度發(fā)生的化學(xué)變化 組合起來，會(huì)使能量利用效率進(jìn)一步提高。在轉(zhuǎn)爐爐氣除塵時(shí)常常使用噴灑水霧的方法，由于水與高溫爐氣

21、混合，使不可逆熱 損失很大。因此，采用干式集塵，抑制溫度下降也是今后需要研究的重要課題。3.4.3 低沸點(diǎn)介質(zhì)廢熱回收發(fā)電技術(shù) 有效能評(píng)價(jià)表明，鋼鐵廠廢熱的特征是存在著大量低溫廢熱。于是出現(xiàn)了低沸點(diǎn)介 質(zhì)廢熱回收發(fā)電技術(shù)的方案，并且有些方案已經(jīng)實(shí)用化。1 ）混合介質(zhì)發(fā)電混合介質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的特征是， 將沸點(diǎn)低于水的氨與水混合， 使混合介質(zhì)的氣泡點(diǎn) （開 始蒸發(fā)的溫度）低于水的沸點(diǎn)，利用更低溫度的熱源使介質(zhì)蒸發(fā)進(jìn)行發(fā)電。由于沸點(diǎn)溫 度和露點(diǎn)溫度不同，所以，在混合介質(zhì)蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)溫度不是定值，而是從氣泡點(diǎn) 開始連續(xù)升高到露點(diǎn)。因此，使對(duì)流式熱交換器的的溫度差減小，增加了從顯熱熱源回 收的熱能。日本

22、最早使用轉(zhuǎn)爐廢氣預(yù)熱進(jìn)行混合介質(zhì)發(fā)電的是住友金屬鹿島制鐵所，其工藝流 程如圖10所示。流過轉(zhuǎn)爐上部側(cè)緣和排氣罩的廢氣冷卻水是水溫371K的溫水，該溫水被送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)對(duì) 88%水+氨混合介質(zhì)進(jìn)行加熱得到濕蒸汽。濕氣分離器將該 濕氣分離為高濃度氨蒸汽（，368K）和低濃度氨水。高濃度氨蒸汽被導(dǎo)入發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦 輪機(jī)發(fā)電，然后在冷凝器被海水冷卻、凝縮。低濃度氨水在再生器內(nèi)與氨水進(jìn)行熱交換 后，導(dǎo)入冷凝器和高濃度氨蒸汽一起被冷卻，然后用泵加壓，再送入蒸發(fā)器。在混合介質(zhì)發(fā)電以前曾使用過以氟里昂為工作介質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率提高40%。運(yùn)行一年的發(fā)電量為24839MW，相當(dāng)于節(jié)省燃油6600kl，

23、C02減排19536t/a。第一臺(tái)混 合介質(zhì)發(fā)電機(jī)于 1999年投入使用，與設(shè)備規(guī)模相比發(fā)電量較小而且建造成本較高，沒有 得到推廣應(yīng)用，但在C0URSE5項(xiàng)目中正在研究采用優(yōu)良性能混合介質(zhì)的發(fā)電技術(shù)。2 ）有機(jī)蒸汽循環(huán)發(fā)電以85%CF3CH2OH水溶液（沸點(diǎn)349K）作為熱介質(zhì)，從燒結(jié)機(jī)冷卻裝置排出的熱風(fēng) （618K）中回收熱能進(jìn)行發(fā)電。其原理是熱介質(zhì)蒸發(fā)后進(jìn)行氣液分離， 驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電， 渦輪機(jī)的輸出功率為 12500kW。3 ）氨蒸汽循環(huán)發(fā)電氨蒸汽循環(huán)發(fā)電是以473K以下的廢氣和343K373K的溫排水為熱源的廢熱回收發(fā)電 系統(tǒng)，可以對(duì)低溫廢熱進(jìn)行利用。該方法是利用熱風(fēng)發(fā)生裝置將發(fā)電廠廢氣

24、鍋爐排出的 423K廢氣加熱到473K,然后導(dǎo)入溫水發(fā)生器，通過管道將在溫水發(fā)生器內(nèi)通過熱回收得 到的溫水輸送到氨蒸汽循環(huán)發(fā)電裝置的氨蒸汽鍋爐，作為鍋爐的熱源。氨蒸汽鍋爐產(chǎn)生 的氨蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，然后被冷卻水冷卻。4 ）雙渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)該發(fā)電系統(tǒng)有兩個(gè)渦輪機(jī)， 并增加一個(gè)加熱器， 1 號(hào)渦輪機(jī)工作時(shí)，抽出一部分蒸汽，在加熱器中利用這部分蒸汽的熱量加熱冷凝器中被冷凝的水-氨溶液。該發(fā)電系統(tǒng)的冷凝器的蒸汽處理量較少，比混合介質(zhì)發(fā)電的熱效率提高10%今后如能通過設(shè)備的大型化降低發(fā)電成本，該技術(shù)是一項(xiàng)可被采用的發(fā)電技術(shù)。5 ）蒸汽再加熱發(fā)電技術(shù)蒸汽再加熱發(fā)電技術(shù)采用某種加熱方法對(duì)工廠廢熱生成的低溫

25、飽和蒸汽進(jìn)行再加熱， 制造過熱蒸汽，利用這種過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。蒸汽再加熱發(fā)電技術(shù)的加熱方 法有燃?xì)廨啓C(jī)廢氣加熱、內(nèi)燃式加熱（氧燃燒）、內(nèi)燃式加熱（空氣燃燒）、蓄熱式加熱 等（見表3）。表3各種低溫蒸汽再加熱方法加熱方法特點(diǎn)燃?xì)廨啓C(jī) 廢氣加熱用燃?xì)廨啓C(jī)廢氣加熱低溫蒸汽使之過熱，用過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)?；?組成是在串列式循環(huán)冷凝器廢熱鍋爐之間設(shè)置廢熱回收鍋爐，利用工廠廢 熱生產(chǎn)低溫蒸汽。利用其他方面的廢熱作為生成飽和蒸汽所需的蒸發(fā)潛 熱，以及通過串列式循環(huán)提高發(fā)電效率。內(nèi)燃式加熱 （氧燃燒）用再生器將低溫蒸汽過熱，將過熱蒸汽導(dǎo)入燃燒器與氣體燃料和氧氣一起 燃燒，用產(chǎn)生的咼溫燃燒氣體驅(qū)動(dòng)

26、燃?xì)廨啓C(jī)。由于以清潔的氣態(tài)碳?xì)浠?物作為氣體燃料與純氧燃燒，所以產(chǎn)生的是以H20和CO為主要成分的高溫 氣體，高溫氣體中不含N2。以這種氣體做流體工作介質(zhì)，不需要壓縮功或 壓縮功很小。此外，將高溫氣體冷卻、脫水后進(jìn)行壓縮、冷卻，使CO液化，可將過剩的氧回收、再利用。如果用氫做氣體燃料，可進(jìn)一步提高發(fā) 電效率，并且容易對(duì)CO進(jìn)行分離回收。內(nèi)燃式加熱 （空氣燃 燒）用空氣替代上述內(nèi)燃式加熱（氧燃燒）的氧氣，就是內(nèi)燃式加熱（空氣燃 燒）。由于利用純氧成本高，并且回收的CO幾乎沒有用途，所以內(nèi)燃式加熱（空氣燃燒）是一種實(shí)用的方法。與氧燃燒相比，空氣燃燒法的空氣 壓縮功和冷凝水泵所需動(dòng)力較大，所以發(fā)電

27、效率較低。蓄熱式加熱利用蓄熱式燒嘴的過熱器對(duì)低溫蒸汽過熱加熱，使過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪 機(jī)。利用其他方面的廢熱作為生成飽和蒸汽所需的蒸發(fā)潛熱，所以，發(fā)電 效率咼于廢熱鍋爐發(fā)電。344利用熱電元件回收廢熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)當(dāng)給熱電元件一定的溫度差時(shí)，熱電元件會(huì)根據(jù)溫差大小產(chǎn)生相應(yīng)的電力，利用熱 電元件的這種特性可以將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。由于熱電元件是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的小型化 元件，所以容易安裝在現(xiàn)有設(shè)備中，并具有可靠性高、易維護(hù)、無噪音、無震動(dòng)、無廢 棄物等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于發(fā)電、廢熱供暖系統(tǒng)和分散發(fā)電系統(tǒng)。但由于能量轉(zhuǎn)換效率低 等原因，實(shí)際應(yīng)用很少，目前僅限于一些特殊用途。因此，有必要開發(fā)新型熱電元件材 料

28、，提高性能，解決目前熱電元件存在的問題。熱電元件的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。p型熱電材料和n型熱電材料發(fā)電的正負(fù)電性不 同，所以熱電元件采用了將p、n進(jìn)行電學(xué)串聯(lián)和熱學(xué)并聯(lián)的配置結(jié)構(gòu)。目前使用的熱電 元件采用將柱狀p型熱電材料和n型熱電材料夾在兩片板材之間的結(jié)構(gòu)。熱電元件的性能是用性能指數(shù) Z（ 1/K）來表示的。塞貝克系數(shù)S（V/K）是指當(dāng)熱電 元件的一側(cè)溫度固定時(shí)，另一側(cè)溫度變化 ik時(shí)發(fā)生的電力變化。設(shè)電阻為p（q m、熱 傳導(dǎo)率為尺（W/mK，熱電元件的性能指數(shù)Z=S2/pk。因此，熱電發(fā)生量越大、電阻越 小、熱傳導(dǎo)率越小的熱電元件的性能越好。此外，熱電元件的性能也用溫差區(qū)間的積分 值ZT

29、無量綱指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前已經(jīng)商品化的熱電材料有 BiTe系（低溫用）、PbTe系（中溫用）、SiGe系（高 溫用）等，根據(jù)各種材料對(duì)溫度的依存性不同，分別用于不同的溫度區(qū)域。近年來正在 開發(fā)全新的熱電材料，期待熱電材料的特性將會(huì)有飛躍性的提高。目前，正在開發(fā)的有 方鈷礦系化合物、氧化物、 ZnSb 系、 half-Heusler 等熱電材料。過去熱電材料的適用 溫度以300C左右為界限，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出可用于 400C 700C中高溫區(qū)域的熱電元件。 過去熱電元件的無量綱指數(shù) ZT最大是1，目前開發(fā)的SrTiO3系氧化物的室溫ZT值為， 達(dá)到世界最高（見圖 12）。由于熱電材料的溫度特性，存在著

30、材料的最佳使用溫度，所以為使在工作溫度下的 發(fā)電效率最大化，開發(fā)出將多個(gè)熱電材料串聯(lián)組合的熱電元件和傾斜功能材料柔性填充 物。此外，薄片狀柔性熱電元件的開發(fā)也在進(jìn)行，如果這種熱電元件可安裝在管道等曲 面裝置內(nèi)，那么熱電元件的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。由于溫差越大熱電元件的發(fā)電量就越大，所以在應(yīng)用熱電元件時(shí)選擇能夠強(qiáng)制性地 形成大溫度差的場地是很必要的。如爐壁強(qiáng)制冷卻結(jié)構(gòu)或熱交換器結(jié)構(gòu)能夠保證固體表 面的熱通量， 在這種結(jié)構(gòu)的高溫壁和低溫壁之間安裝熱電元件發(fā)電裝置就可以進(jìn)行發(fā)電。極限節(jié)能課題 以上概要介紹了目前正在開發(fā)的節(jié)能技術(shù)和近期可望推廣的節(jié)能技術(shù)。下面以鋼鐵 生產(chǎn)中尚未利用的廢熱為例，說明今

31、后應(yīng)開展的節(jié)能技術(shù)研究工作。目前由于回收困難 而未利用的廢熱有以下幾種。3.5.1 制品顯熱 鋼坯、熱軋板卷等制品的顯熱是固體顯熱，目前尚未回收。根據(jù)制品質(zhì)量要求對(duì)鋼材冷卻需要進(jìn)行控制時(shí)，例如要求快速冷卻的 TMCP岡進(jìn)行水冷時(shí)，鋼材的熱能僅使冷卻 水溫度升高少許，所以回收很困難。3.5.2 高溫廢氣顯熱目前在回收一些高溫廢氣，但是 COG LDG等廢氣含有焦油、炭粉和粉塵，所以利用 除塵技術(shù)防止這些粉塵類物質(zhì)附著在傳熱面上，進(jìn)一步提高熱回收效率是高溫廢氣顯熱 回收的關(guān)鍵。因此需要開發(fā)干式除塵技術(shù)。此外，以蒸汽形式回收高溫廢氣顯熱，溫度 落差很大，有效能的損失也很大，這也是高溫廢氣顯熱回收尚未

32、解決的一個(gè)問題。3.5.3 爐體散熱 目前尚無有效的切實(shí)可行的焦?fàn)t、高爐、加熱爐等爐體散熱回收方法。在這方面，提高耐火材料性能，強(qiáng)化絕熱效果比回收爐體散熱更值得期待。3.5.4 冷卻水顯熱 除了上述鋼坯、熱軋鋼材的冷卻水顯熱外，加熱爐爐底滑道，冷床滑道冷卻水和鍋爐冷凝水顯熱也沒有被回收。由于這些是最低溫度的熱能，即使回收，在經(jīng)濟(jì)上也不合 算。以上尚未回收的廢熱中有許多是難以利用的。因此，實(shí)際僅回收利用了一定溫度以 上的熱能，其余的熱能就成為廢熱而損失掉，但這些廢熱在其他領(lǐng)域是有用的。因此， 為更有效地利用熱能， 要研究從高溫到低溫多次利用廢熱潛能的技術(shù)， 也就是要推進(jìn)“熱 能逐級(jí)利用”技術(shù)。4

33、 深度節(jié)能技術(shù)深度節(jié)能熱能逐級(jí)利用為最大限度利用能量，必須從上游工序鋼鐵生產(chǎn)開始，逐次到下游工序，隨著工作 溫度的下降，逐級(jí)利用余熱能量，在各個(gè)溫度區(qū)域使能量得到最大利用，這就是熱能逐 級(jí)利用。對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)各工序溫度逐漸下降， 1500K 以上的鐵水、鋼水在爐內(nèi)反應(yīng)、 1200K1400K勺鑄造、700K1000K的軋制以及更低溫度的熱處理、冷卻，在各個(gè)溫度區(qū) 域內(nèi)都有熱能的排放。熱能利用的理想狀態(tài)是各個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱能在該區(qū)域內(nèi)得 到最大利用。如果僅考慮鋼鐵廠，在鋼鐵生產(chǎn)的溫度區(qū)域內(nèi)實(shí)施熱能利用工藝是有局限性的。但 如果擴(kuò)大視野， 就可以看到很多產(chǎn)業(yè)之間存在能量供給的逐級(jí)鏈接關(guān)系 （見圖

34、 13）。從這 個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能，不僅需要傳統(tǒng)鋼鐵廠自身節(jié)能，而且與地區(qū)、其他 產(chǎn)業(yè)協(xié)作回收利用熱能也是不可缺少的。構(gòu)想實(shí)現(xiàn)熱能逐級(jí)利用的生態(tài)聯(lián)合企業(yè)2002 年 9 月，日本鋼鐵協(xié)會(huì)成立了鋼鐵環(huán)境技術(shù)展望未來特別委員會(huì)。以鋼鐵廠為 核心的生態(tài)聯(lián)合企業(yè)構(gòu)想最初是該委員會(huì)提出的， 并將其作為 21 世紀(jì)鋼鐵業(yè)解決環(huán)境和 能源問題的發(fā)展方向。圖 14 是生態(tài)聯(lián)合企業(yè)的概念圖。生態(tài)聯(lián)合企業(yè)的概念是運(yùn)用鋼鐵 廠所具有的技術(shù)和設(shè)備， 通過與其他產(chǎn)業(yè)和地區(qū)的協(xié)作， 實(shí)現(xiàn)資源、 能源高效循環(huán)利用， 形成環(huán)境友好型的社會(huì)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的聯(lián)合企業(yè)是用各種資源合理制造出各種產(chǎn)品（包括 能源）的主體產(chǎn)業(yè)綜

35、合工廠，而很少與其他產(chǎn)業(yè)和地區(qū)開展物質(zhì)資源和能源循環(huán)利用的 協(xié)作?；趯?duì)傳統(tǒng)聯(lián)合企業(yè)這種問題的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建生態(tài)聯(lián)合企業(yè)的目的是促進(jìn)物質(zhì)循環(huán) 利用，實(shí)現(xiàn)“零廢棄物”排放和節(jié)約資源；通過環(huán)境友好型能源供應(yīng)，為保護(hù)地球環(huán)境 做出貢獻(xiàn)。鋼鐵廠是生態(tài)聯(lián)合企業(yè)的核心，是電能、熱能的供給基地，通過生態(tài)鋼鐵產(chǎn)品、生 產(chǎn)技術(shù)和副產(chǎn)物為C02減排做貢獻(xiàn)，是各產(chǎn)業(yè)間資源循環(huán)利用鏈的中心環(huán)節(jié)。在能源供 給方面，鋼鐵廠應(yīng)當(dāng)提供廠內(nèi)尚未利用的各個(gè)溫度區(qū)域的廢熱和可以在社會(huì)擴(kuò)大應(yīng)用的 能源，成為實(shí)現(xiàn)熱能逐級(jí)利用的保障。在資源循環(huán)利用方面，除了原有的廢塑料、廢輪 胎資源化利用外，還應(yīng)加快利用高溫技術(shù)、氧化還原技術(shù)和大批量處理技

36、術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)間 的資源循環(huán)利用。最近，日本新能源綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO開始進(jìn)行關(guān)于產(chǎn)業(yè)間協(xié)作的調(diào)查，很多鋼 鐵廠是該項(xiàng)調(diào)查的對(duì)象。此外，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和環(huán)境省實(shí)施了生態(tài)城鎮(zhèn)建設(shè)的計(jì)劃，鋼鐵 廠與這些生態(tài)城鎮(zhèn)的協(xié)作也得到了加強(qiáng)。未來生態(tài)聯(lián)合企業(yè)的節(jié)能措施，不能僅考慮鋼 鐵生產(chǎn)自身的節(jié)能， 對(duì)于一個(gè)產(chǎn)業(yè)沒有完全回收或雖然回收但未能有效利用的資源能源， 要在其他產(chǎn)業(yè)或民生方面進(jìn)行利用。生態(tài)聯(lián)合企業(yè)熱能逐級(jí)利用的相關(guān)課題 在以鋼鐵廠為核心的熱能逐級(jí)利用中，鋼鐵業(yè)位于熱能利用的頂端，利用最高溫度 的能源。因此，有義務(wù)不斷探索高質(zhì)能源有效利用的技術(shù)，引領(lǐng)其他產(chǎn)業(yè)和地區(qū)的熱能 逐級(jí)利用。換言之，鋼鐵業(yè)發(fā)揮著利用鋼

37、鐵生產(chǎn)技術(shù)和副產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)C02減排的作用和產(chǎn)業(yè)間資源循環(huán)利用鏈中心環(huán)節(jié)的作用。為實(shí)現(xiàn)理想的熱能利用，在技術(shù)方面有以下三個(gè) 問題需要解決。1 ）熱能的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換、輸送技術(shù)。2 ）在生產(chǎn)過程中納入能量逐級(jí)利用的熱交換技術(shù)。3 ）能量供求的調(diào)整調(diào)度技術(shù)（能量晝夜需求量的變化、出現(xiàn)緊急情況的后援支持機(jī) 制）。熱能隨著時(shí)間的延長能量不斷散失（溫度下降） ，熱能本身的形態(tài)是難于進(jìn)行操作和 控制的，因此必要時(shí)可以將熱能轉(zhuǎn)換為容易使用的電能。 為此，需要熱能的儲(chǔ)存、 轉(zhuǎn)換、 輸送技術(shù)。近年來，能源問題受到廣泛關(guān)注，出現(xiàn)了許多熱能利用的新技術(shù)。4.3.1 潛熱蓄熱的熱能儲(chǔ)存輸送技術(shù) 熱能儲(chǔ)存的方法有顯熱儲(chǔ)存法、潛

38、熱儲(chǔ)存法、化學(xué)儲(chǔ)存法、濃度儲(chǔ)存法、光化學(xué)儲(chǔ) 存法等等。單位體積（重量）儲(chǔ)存熱能多（蓄熱密度大）的方法是潛熱儲(chǔ)存法和化學(xué)儲(chǔ) 存法。潛熱儲(chǔ)存法是通過相變時(shí)固、液相變化產(chǎn)生的相變熱對(duì)熱能進(jìn)行儲(chǔ)存的方法。該 方法的蓄熱體叫做PCM（ Phase Cha ng Material ）。以冰（水）作為PCM勺蓄熱系統(tǒng)已經(jīng) 實(shí)用化。由于潛熱儲(chǔ)存法的蓄熱負(fù)荷平穩(wěn)并可以對(duì)能量進(jìn)行保存，所以有許多關(guān)于潛熱 儲(chǔ)存法的專利申請。特別是最近幾年，在太陽能發(fā)電裝置中引入了潛熱蓄熱體，使利用 太陽能產(chǎn)生的蒸汽壓力和溫度穩(wěn)定化，從而提高了太陽能發(fā)電裝置的可靠性并促進(jìn)了裝置大型化的發(fā)展一般情況下，廢熱產(chǎn)生的場所和廢熱利用的場所之

39、間有很長的距離，所以，必須對(duì) 蓄熱體進(jìn)行輸送。如將蓄熱體制成泥漿狀混合在流體中成為水合物泥漿，以這種泥漿作 為熱介質(zhì)進(jìn)行輸送。含有10卩m100u m水合物粒子的泥漿，溫度為5C 12C時(shí)，蓄熱密 度為冷水的23倍。用運(yùn)送這種流體的方法實(shí)現(xiàn)了熱能的儲(chǔ)存和輸送。今后要在鋼鐵生產(chǎn)中引進(jìn)這種熱能儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)，需要開發(fā)出更高溫度的蓄熱體 和容量更大的輸送系統(tǒng)。為此，必須有與高溫化和大容量化相匹配的潛熱蓄熱體。目前 已經(jīng)開發(fā)出（或正在開發(fā)）許多高性能PCM到目前為止已經(jīng)實(shí)用化的PCM是熔點(diǎn)較低的 糖類和氯化物。但是，當(dāng)工作溫度達(dá)到 770K時(shí)，就轉(zhuǎn)變成碳酸鹽，所以在構(gòu)建熱能儲(chǔ)存 和輸送系統(tǒng)方面還有許多需要解決的問題。對(duì)鋼鐵業(yè)熱能逐級(jí)利用的PCM熱介質(zhì)的要求是工作溫度更高、蓄熱密度更大，具體來說是工作溫度500K1300K蓄熱密度 4GJ/m310GJ/m3有一種熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以進(jìn)行熱能的大量輸送。該系統(tǒng)所用的PCM是 一種糖類物質(zhì)，熔點(diǎn)為391K,蓄熱密度為m3此外，近年來一種用于太陽能發(fā)電裝置的 PCM是熔點(diǎn)為503K 的KNO3-NaNO的混合物。在這方面，期待有更高工作溫度和更大型化的PCMB現(xiàn)。與高性能PC斬發(fā)同樣重要的研究課題是建立熱能利用系統(tǒng)。由于PCM的熱傳導(dǎo)率小，所以在系統(tǒng)大型化時(shí)解決高效