钢铁行业余热资源分布与特点

张 涛，周园园，贾楠楠

（冶金工业规划研究院，北京 100044）

引言

钢铁行业是支撑我国国民经济发展的基础产业，同时也是能源消耗和二氧化碳排放大户。建国以来，我国钢铁行业得到快速发展，粗钢产量从1950年的61 万t增长到2022年的10.18 亿t，约占全球粗钢产量的53%。2022年钢铁行业CO2排放量从1991 年的2.75 亿t 增长到2022 年的19.77 亿t，约占我国碳排放总量的15%～17%，能耗约占全国总能耗的11%，具体数据见图1［1］。因此，我国双碳目标的实现与钢铁行业产量、能耗及CO2排放量密切相关，钢铁行业实施低碳、绿色、安全、环保发展对促进我国双碳目标的实现意义重大。

图1 我国钢铁行业产量、能耗与二氧化碳排放统计图

余热回收利用是钢铁行业节能减排与降低CO2排放量的重要方法，是实现钢铁行业双碳目标的重要路径之一。目前我国钢铁行业由高速发展向高质量发展，但能源利用率较低，大量余热资源未得到有效利用，我国吨钢能耗相较于国际先进水平高10%～20%，而能源利用率仅为其30%～50%［2］。方豪［3］等学者统计指出，2020 年我国钢铁行业低温余热量约为27.5 亿GJ。钢铁生产过程中焦化、烧结、炼铁和炼钢等工序都有大量余热产生，余热回收利用技术可提高能源利用效率，促进钢铁行业绿色低碳发展。

目前国内对钢铁行业余热回收利用存在资源分类及资源分布综合分析不足、钢铁行业余热回收利用技术阐述不清等问题。本文综述了钢铁行业余热资源的分类与分布，分析了不同工艺的余热资源特征和钢铁余热回收重点发展方向，总结了钢铁行业余热资源利用原则与方式。

1 钢铁行业余热资源的分类与分布

1.1 余热资源的分类

钢铁行业的余热按照温度能级可分为：低温余热（<230 ℃）、中温余热（230 ℃～650 ℃）、高温余热（>650 ℃），具体数据见图2（a）。其中，高温余热量为3.36 GJ，约占钢铁行业余热资源总量的39.8%；中、低温余热量为5.08 GJ，约占钢铁行业余热资源总量的60.1%［4］。由此可知，我国钢铁行业中、低温余热产生占比较高，应重点发展中、低温余热回收利用技术。

图2 钢铁行业余热资源的分类［4］

钢铁行业的余热按照形态和载体可分为：炉渣余热、冷却水余热、烟气余热以及中间产品余热，具体数据见图2（b）。其中炉渣显热为0.76 GJ，占比约为9.0%；冷却水显热为1.24 GJ，占比约为15.0%；烟气余热为3.10 GJ，占比约为37.0%；中间产品余热为3.35 GJ，占比约为39.0%。其中，中间产品余热与烟气余热量之和约为6.45 GJ，占余热总量约为76.0%。由此可知，我国钢铁行业产品余热与烟气余热量占比较高，应重点发展中间产品余热与烟气余热的回收利用技术。

根据携带余热资源的介质或载体不同，钢铁行业余热资源可分为：固态余热、液态余热和气态余热［5］，具体数据见表1。中、高温余热的能级较高，且相对集中，容易回收；而固态和气态的低温余热资源相对较为分散，且波动较大，难以回收利用。因此，未来钢铁行业的固态和气态的低品质热能利用将面临重要挑战。

表1 余热资源的能级与介质分类

综上所述，钢铁行业余热回收利用，未来重点发展占比较高的为中间产品与烟气的中、低温余热资源回收利用技术、固态和气态的低品质余热资源回收利用。

1.2 余热资源的分布

钢铁行业的余热资源分布主要集中在焦化、烧结、炼铁、炼钢及轧钢等生产流程，分布图见图3。我国钢铁行业产生的余热约为249.88 kgce/t，回收量约为52.64 kgce/t，回收利用率仅为21.07%［6］。钢铁生产中余热资源产生量由多到少排序为：炼铁、烧结、炼钢、热轧、炼焦；余热资源回收率由大到小排序为：炼钢、热轧、炼焦、烧结、炼铁。烧结和炼铁工艺产生的余热量约为155.4 kgce/t，占总余热量的62.19%，但其回收量仅为16.4 kgce/t，回收率仅为10.55%，其余热回收有待发展和关注。

钢铁行业低温余热主要集中在焦化、炼铁和轧钢200 ℃左右［7］的烟气中，炼铁冲渣水和烧结废气里也有部分低温余热分布，余热分布图见图3（c）。因此，炼铁、烧结及炼焦工艺中、低温余热回收也应是未来发展重点，同时，应特别关注低温烟气的显热与潜热同时回收技术。

2 钢铁生产余热资源产生环节及特点

我国钢铁行业余热资源利用程度亟待发展，如图4 所示，只有少部分蓄热燃烧余热回收和干熄焦（CDQ）技术发展较好［8］。我国钢铁行业烧结矿高温余热和熔渣余热暂未回收，电炉和转炉烟气仅回收很少一部分，大量的高品质余热尚未得到充分回收利用。虽然中、低温余热利用得到了一定的发展，但仍有大量的中、低温余热亟待回收。

图4 钢铁行业余热资源的工艺分布示意图

2.1 焦化工艺

焦化工艺中余热资源主要分布在高温的焦炉煤气潜热和显热、焦炭显热、焦炉烟气显热及初冷水显热。目前，主要应用干熄焦技术回收焦炭显热，产生的蒸汽进行发电。焦炉煤气由于热值高，可作为燃料驱动锅炉发电。另有部分企业将焦炉煤气作为化工原料，生产合成氨和甲醇等高品质的化工产品。焦化工艺产生的烟气一般在250 ℃～300 ℃，主要用换热设备回收，生产蒸汽供给生产、生活及煤调湿热。焦化初冷水温度在60 ℃～70 ℃，可用于冬季采暖。

2.2 烧结工艺

烧结工艺的主要余热资源有烧结矿显热、烧结烟气显热及烧结废气显热。烧结矿显热高温段主要应用余热锅炉生产蒸汽后，发电或直接供给用户。中、低温烟气主要用于干燥和预热烧结物料。环冷机的低温热风可直接供给烧结机加热助燃空气。烧结工艺中的余热回收应关注烧结和环冷机废气的余热回收技术。

2.3 球团工艺

球团工艺的主要余热资源有球团矿显热、球团烟气显热及冷却水显热。球团矿显热主要用于烘干和预热物料。球团烟气温度在120 ℃左右，主要通过换热器回收后，为生产和生活提供热水。冷却水显热目前应用技术有待发展，为避免水资源的蒸发浪费，部分企业已采用空冷方式替代冷却水冷却。

2.4 炼铁工艺

炼铁工艺的主要余热资源有高炉煤气潜热、高炉渣显热、高炉冲渣水显热和热风炉烟气显热。热风炉的烟气显热主要通过换热器直接利用，用于余热煤气和助燃空气，提升温度，降低能耗。高炉冲渣水温度在80 ℃～90 ℃，回收后用于预热空气、煤气或供暖。高炉渣显热的回收目前为研究阶段。

2.5 炼钢工艺

炼钢工艺可分为长流程转炉炼钢和短流程电炉炼钢。转炉炼钢余热主要有转炉煤气的化学能和热能、转炉烟气显热、钢渣余热及钢坯余热。转炉煤气回收主要应用煤气发电技术，回收率约为40%。转炉烟气显热主要用于加热产生蒸汽，供生产和生活使用。钢坯余热主要利用热装热送技术回收。钢渣余热回收技术有待发展。电炉炼钢余热主要有电炉烟气显热和钢坯显热，目前电炉烟气和钢坯显热暂未得到很好的回收利用。

2.6 轧钢工艺

轧钢工艺可回收利用余热包括加热炉烟气显热与冷却水显热。加热炉烟气显热主要利用蓄热式换热器与燃烧装置进行回收利用，而冷却水显热则通过汽化产生蒸汽回收利用。

3 钢铁行业余热资源利用原则与方式

3.1 余热资源利用原则

钢铁行业余热资源利用顺序应该考虑余热资源的价值和回收难易程度，与余热资源量、品质及载体形态直接相关，应根据“温度对口、梯级利用”，按照余热资源与用户需求能级匹配的基本原则进行余热方案的制定，选择适合的设备与系统。余热资源回收顺序见图5。

图5 余热回收利用基本顺序

钢铁行业余热利用的原则是：

（1）提高装置自身的热效率，降低系统设备的能源消耗，直接减少余热。

（2）装置自身的余热资源利用，如加热燃料或助燃空气等。

（3）其他工序应用应尽量满足时空一致。

（4）高品质余热主要用于高温设备，减少能量转换频率，或转化为高品位的电能。

（5）当余热利用装备与设施故障时，应不影响主线生产［9］。

3.2 余热资源利用方式

钢铁工业余热回收利用方式和技术多种多样，具体见图6，主要利用方式如下：

图6 余热回收利用方式与技术

（1）直接利用，余热用于工艺本身。如烟气余热预热空气、预热燃料和物料、预热高炉废钢、炼焦入炉煤的调湿、高炉鼓风脱湿、高炉铁水加热钢坯等。

（2）转化后利用，余热可进行动力发电、热利用、制冷以及冷热电联供。烟气经过余热锅炉产生蒸汽或热水；红焦经过换热器产生蒸汽发电；烟气与有机朗肯循环或温差发电装置耦合发电；余热回收产生的蒸汽亦可以进行海水淡化；烟气显热与吸收式制冷机组耦合，供热供冷；冷却水换热耦合热泵机组生产热水与温水，实现供热或污水处理。

4 结论

针对钢铁行业余热资源的分布、分类，资源的利用原则与方式及余热产生工艺特点进行详细分析后，得出如下结论：

（1）我国钢铁行业余热回收利用方面，中、低温余热占比较高，未来应重点关注中间产品与烟气中、低温余热资源回收，且需关注固态和气态的低温余热资源回收利用，发展中、低温余热回收利用技术。

（2）未来应重点发展高炉渣、转炉钢渣和电炉渣的余热回收利用，促进炼铁、烧结及炼焦工艺中的中、低温余热回收技术发展，特别关注低温烟气的显热与潜热同时回收技术。

（3）目前，低品质余热如低温冷却水、废气等难以回收利用，需根据余热特点和利用原则重点研发新余热回收利用设备，实现余热资源梯级优化利用。