钢铁企业余热资源回收利用技术现状综述

柯菲 高雅萱 张倩 李勋奇 刘璐

摘 要：首先回顾了钢铁企业生产流程中余热资源分布及利用现状，然后从焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等钢铁主要生产工序方面，简述了余热回收利用技术的应用现状，并著重分析了近些年新兴的富氧燃烧技术和热管技术的优势与发展前景，最后指明了余热回收利用的关键问题，对钢铁企业余热回收技术的发展提出了建议。

关键词：钢铁工业;余热资源;余热回收;能耗

0 引言

在《工业绿色发展规划》逐渐深入落实的时代背景下，节能减排已成为国家的重大决策之一，各地工业企业积极推行低碳化发展，探寻能源损耗最小的发展路径。钢铁企业面临着来自资源、环境的挑战，现已进入转型升级的重要时期。然而，在钢铁制造工艺流程中，仅有30%～50%的能量得到有效利用[1]，剩余大量能量则以余热形式存在，回收潜力巨大。实现余热资源的高效回收利用，降低企业的能源成本是钢铁企业在研究中需考虑的重大问题。

目前，钢铁企业余热资源广泛分布于各工序生产过程中，余热资源丰富且回收利用技术多样。因此，本文从焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等钢铁生产工序出发，对我国钢铁企业余热资源的主要回收利用技术进行综述，为钢铁企业余热回收利用技术发展提供参考。

1 钢铁企业余热资源分布与利用现状概述

1.1    钢铁企业各生产工序余热资源状况

我国钢铁企业90%是以高炉—转炉为主的长流程企业[2]，生产流程一般包括炼铁、炼钢、轧钢、烧结、焦化等工序。钢铁生产流程中各工序能耗不尽相同，其中炼铁工序的能耗比重最大，约占整个钢铁生产流程总能耗的59%。各生产工序能耗占总能耗百分比如图1所示。

在各生产工序中，炼铁工序的能源利用效率最高，约达89.2%;烧结工序的能源利用效率最低，仅有约25.3%[4]。

1.2    钢铁企业余热资源回收利用现状

我国钢铁企业余热资源的回收利用目前仍存在一些问题，具有较大的发展潜力。

在炼铁工序中，现有高炉渣余热回收技术可分为通过介质交换热量和与化学反应结合以吸收余热，对于显热处理有提高余热回收率和促进高附加值产品生产两种偏向，但仍然没有相关成熟技术可以兼顾两者;炼钢烟气余热回收量少，且能级损失很大，大部分高温烟气仍未得到有效回收利用;轧钢工序中加热炉烟气排放量大、排烟温度较高、余热利用率低;烧结工序的烧结矿的高温余热基本没有回收利用，仅中低温部分的余热得到有效利用;焦化工序副产煤气利用率偏低，同时还存在大气污染和难以处理的固体废弃物排放量高等问题。

2 各工序余热回收利用技术应用现状

2.1    炼铁工序余热回收利用

钢铁生产流程中会产生大量余热，此外还伴有烟（煤）气、高炉渣、冷却水等物质的产生。其中炼铁工序高炉渣显热约占30%的余热资源，且回收率较低。现有余热回收利用方法可分为物理回收方法和化学回收方法两大类。

2.1.1    物理回收方法

炼铁过程中产生大量高炉渣，且其出炉温度高，含有巨大的物理潜热。因此，现有许多物理回收方法对其进行余热回收以获取经济效益。钢铁企业中常用的物理余热回收利用方法主要有风淬法、水淬法、旋转杯粒化法、双鼓法、甲烷水蒸气法和冶金熔渣射流干法粒化。

（1）风淬法：首先将高温熔渣粉碎，这个过程需利用高速空气对其冲击，使用多段流化床回收粉碎后的渣粒，获取高温热风或用于发电，这个过程回收了余热的同时也生产了高附加值的产品，这些炉渣产品可用于水泥生产等[5]，提高了经济效益。

（2）水淬法：水淬法主要包括底滤法、因巴法、明特克法、拉萨法、图拉法5种[5-6]，将冷却水喷洒在破碎的高温炉渣上实现热量转移，冷却水吸收高温炉渣的部分热量蒸发成为中压蒸汽，蒸汽被收集进入蒸汽系统从而得以被利用[7]。

（3）旋转杯粒化法：利用高速旋转的多孔旋转杯所带来的离心力，熔渣被甩出粒化，甩出过程中冷空气与高温粒渣相遇升温，回收高温空气对高温渣粒进行余热回收[5]。

（4）双鼓法：双鼓法余热回收设备中转鼓内部填充低沸点流动介质，转鼓具有良好的导热性，液态炉渣倒入转鼓，由炉渣向下重力和转鼓向上转力两合力调节转速，转动过程中，高温炉渣热量传导至转鼓内流动介质，升温后介质导出实现炉渣余热回收[5]。

（5）甲烷水蒸气法：高炉熔渣粒化过程中的显热用于化学反应，被甲烷和水蒸气的吸热反应吸收，并且生成了H2和CO等物质，将余热转变为化学能。

（6）冶金熔渣射流干法粒化：张衍国提出以水为载体，通过高速射流冲击的方式粒化熔融渣，再辅以流化床和移动床的梯级热能回收技术可实现高热回收率，这种方法耗水量小、污染少且具有很高的安全性[8]。

2.1.2    化学回收方法

钢铁企业中常用的高炉渣显热化学回收利用方法主要有高炉渣生产渣棉、高炉渣制备微晶玻璃、利用高炉渣显热制煤气技术、化学粒化工艺。

（1）高炉渣生产渣棉：首先在高温状态下往高炉渣中加入配置好的混合料，如铁尾矿、废石等，待其融化，将压缩空气或蒸汽作为工具，安装在高炉渣沟末端的喷嘴处，利用酸性尾矿和废石作为调质剂，这些预先配置好的混合料将被高压气体喷吹成为丝状，从而形成了具有高附加值的渣棉纤维。这一方法回收了大量废弃材料和余热资源，有利于环境保护[9]。

（2）高炉渣制备微晶玻璃：有部分研究表明，可将高炉渣作为原料，用于制备高附加值的微晶玻璃，利于提高高炉渣利用率。许莹等[10]通过熔融法制备微晶玻璃;樊涌等[11]利用污泥焚烧灰渣和高炉渣以特定配比混合，通过在高温熔融炉中加热等方式制备出冶金渣微晶玻璃;程向前[12]研究将高炉渣作为陶瓷的助烧结剂，降低了烧结温度且改善了陶瓷的材料性能;国外部分学者利用钢铁炉渣制造富CaO的微晶玻璃、透明和彩色玻璃陶瓷等。回收高炉渣制备高附加值的陶瓷产品的同时，又间接利用了炉渣的显热。