相变储热技术在冶金余热回收中的应用

陈 程，许佳孟，毛凌波

（1.冶金工业规划研究院，北京 100010；2.广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）

1 引言

随着我国经济的持续发展与科技的进步，能源问题越来越受到关注。我国是世界上能源最大的生产国和消费国，2000-2020年，一次能源生产年均增长5.5%，据国家统计局数据，2020年，我国一次能源生产40.8亿t的标准煤，同比增长2.8%，为新中国成立初期的170余倍、改革开放初期的6倍多[1]。我国是一个十分重视重工业发展的国家，其中钢铁冶金是重要的组成部分，但是在钢铁冶金生产过程中能源消耗较多，在冶铁过程、炼钢过程以及轧钢过程出现较为严重的能源浪费问题[2]。能量的利用仅有30%～50%被有效的利用[3],剩余的大量能量以余热的形式存在，工业废热占能源输入的15%[4]，余热的回收和再利用的潜力巨大。本文通过对冶金流程所产生的余热的回收技术进行概述及其存在的问题，为钢铁企业余热回收利用技术发展提供参考。

2 冶金流程余热余能回收利用状况及其利用技术

2.1 冶金流程余热余能回收及利用状况

我国钢铁企业90%是以高炉-转炉为主的长流程企业，完整的制造流程包括焦化，烧结或球团、高炉炼铁、转炉炼钢、轧制等工序。在整个冶金工序中，钢铁的余热余能资源及其回收技术如下表1[5]。

表1 按工序流程的余热资源、回收水平和回收技术

在钢铁企业中余热余能的回收利用中还存在的一些问题，比如炉渣显热温度高，排出温度约1400℃～1600℃，余热资源丰富，但由于间歇式排出，回收利用困难；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利用；烧结工序的烧结矿的高温余热基本没有回收利用等问题[6]都需要有新的技术进行回收利用。

2.2 冶金流程余热余能回收利用技术

钢铁工业余热回收利用方法有两大类，分别是直接利用法和间接利用法。

直接利用法是利用各种换热器或热管等换热设备将钢铁厂内各种气-固-液体的余热回收(物理热),预热空气、煤气和用于工艺等过程；间接利用法包括余热生产蒸汽发电、制冷和TRT等[7]。TRT技术是利用高炉冶炼的副产品—高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气透过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，再将机械能转化为电能的技术。在钢铁工业中，余热余压回收利用水平仍然比较低。随着企业的节能意识的不断增强，企业加大了对节能减排项目的投入，但是效果不明显，究其原因是传统的余热余压回收技术越来越成熟，在钢铁企业的也得到了广泛普及，未来的回收利用空间越来越少，难度也越来越大。如何进一步挖掘节能潜力，加大余热的回收利用，特别是在低温废弃的余热回收利用，是目前企业面临和亟待解决的问题[7]。

3 相变储热技术及其在工业余热上的利用应用

相变储热技术是以相变储能材料为基础的高新技术，因为它的储能密度大且输出的温度和能量相当稳定。它可以利用电热蓄能来“电力削峰填谷”，也可用于新能源，工业余热回收，新型家用电热电器开发，建筑节能及其航空航天等领域。相变储能材料是相变储热技术的基础，研究和开发相变潜热大，性能稳定和性价比高的相变材料是重中之重。

3.1 相变储热材料

相变材料（PCM）或称相变储能材料，它属于能源材料的范畴。相变材料是指在能被利用其在物态变化时所吸收的（放出）的大量热能用于能量储能的材料。根据相变类型相变材料可分为分为固-固、固-液、气-液和固-气相变相变储能材料。由于固-气、液-气相变储能材料尽管相变潜热大，但相变过程中产生大量气体，危险系数大，实际应用少，所以使用广泛的相变材料多为固-液及固-固相变材料[8]。固-液相变材料相变潜热大，但易泄露、腐蚀等，对容器的要求及其封装技术比较高；固-固相变材料相变潜热低，但不存在泄露和腐蚀的问题[9]。从相变温度上划分，可分为高温（450℃以上），中温（100℃～450℃）和低温（＜100℃）相变储能材料[10]。高温的相变材料适用于工业余热/废热回收，电力调峰和太阳能热发电等；中温相变材料适用于太阳能蓄能系统等；低温的相变材料适用于空调系统，建筑节能保温隔热，电池热管理等[11-14]。按相变材料上的划分可分为无机类，有机类和复合相变材料。无机类相变材料包括结晶水合盐，熔融盐、金属合金等，其中结晶水合盐应用广泛，具有较高的潜热密度，可供选择的熔点范围广，但容易出现相分层和过冷现象；有机类相变材料主要有石蜡，脂酸，其他有机酸类等，有机类相变材料固体状态成型性好，一般不会出现相分离和过冷现象，热稳定性好，腐蚀性低但导热系数低，单位体积的储热能力较小等；复合相变材料是通过一定的方法，将两种或两种以上的相变材料复合，使之可以得到更为优越的相变材料[11,15]。

3.2 相变储热技术在冶金余热回收的应用

工业余热存在着间歇性、不稳定性、能量密度低等特点，金翼等人[16]提出了采用中高温相变储热技术有效地将各种间歇性工业余热收集并转化成可以直接利用、储存和运输的能源。当相变储能技术用于工业窑炉的余热回收时，节能效果比常规蓄热器技术大大提高，且系统和设备的体积减小。如对100t的锻造加热炉回收的余热不仅可用于本身的助燃空气加热，多余的能量还可用于锻件的热处理和其他生活用途，这样就比常规换热器的热效率多提高9.1%[11]。孙守斌等人[17]设计制造一套在钢铁行业中低温烟气余热回收的相变储热装置，相变材料用的是NaN/Si，实验结果显示下，该套装置储热时最大储热效率为68.3%，放热时最大放热效率约为60%；高温热风炉是炼铁高炉的主要辅助设备之一，提高热风温度可使炼铁焦比降低，采用相变蓄能元件代替耐火格子砖，以提高热风炉的工作效率；在锻造厂为锻造加热的室状加热炉与热处理炉的开停时间不一样，导致到锻造加热炉的能量耗损，如果采用储能换热装置将锻造炉的余热回收，一方面可用于本身的空气预热，还有剩余的能量可用于热处理的预热、升温和空气助燃。广州钢铁厂三座高温热风炉的调研表明[12]：在相同的条件下，在蓄热温度400℃～900℃的温度范围内采用金属蓄热元件和复合陶瓷蓄热材料是普通耐火砖的蓄热量的2-3倍，并且体积减少34.7%～40.5%，高度降低了8m～9.4m，建造费用也降低了7.7%～10.5%。

4 结语

余热资源是冶金行业的重要能源之一；企业充分的利用余热资源，不仅提高经济效益，还能符合国家的节能减排。相变储能技术是属于新型的储热技术，通过相变储热技术，可以提高冶金的能源效率，还可以提高余热的回收效率，有效的将余热资源充分的利用。针对于冶金工业余热间歇性、不稳定性、能量密度低等特点，可以利用相变储热技术将余热更好的储存利用起来。