相變儲(chǔ)熱技術(shù)在冶金余熱回收中的應(yīng)用

陳 程，許佳孟，毛凌波

（1.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100010；2.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展與科技的進(jìn)步，能源問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。我國(guó)是世界上能源最大的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2000-2020年，一次能源生產(chǎn)年均增長(zhǎng)5.5%，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年，我國(guó)一次能源生產(chǎn)40.8億t的標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長(zhǎng)2.8%，為新中國(guó)成立初期的170余倍、改革開(kāi)放初期的6倍多[1]。我國(guó)是一個(gè)十分重視重工業(yè)發(fā)展的國(guó)家，其中鋼鐵冶金是重要的組成部分，但是在鋼鐵冶金生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗較多，在冶鐵過(guò)程、煉鋼過(guò)程以及軋鋼過(guò)程出現(xiàn)較為嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問(wèn)題[2]。能量的利用僅有30%～50%被有效的利用[3],剩余的大量能量以余熱的形式存在，工業(yè)廢熱占能源輸入的15%[4]，余熱的回收和再利用的潛力巨大。本文通過(guò)對(duì)冶金流程所產(chǎn)生的余熱的回收技術(shù)進(jìn)行概述及其存在的問(wèn)題，為鋼鐵企業(yè)余熱回收利用技術(shù)發(fā)展提供參考。

2 冶金流程余熱余能回收利用狀況及其利用技術(shù)

2.1 冶金流程余熱余能回收及利用狀況

我國(guó)鋼鐵企業(yè)90%是以高爐-轉(zhuǎn)爐為主的長(zhǎng)流程企業(yè)，完整的制造流程包括焦化，燒結(jié)或球團(tuán)、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋制等工序。在整個(gè)冶金工序中，鋼鐵的余熱余能資源及其回收技術(shù)如下表1[5]。

表1 按工序流程的余熱資源、回收水平和回收技術(shù)

在鋼鐵企業(yè)中余熱余能的回收利用中還存在的一些問(wèn)題，比如爐渣顯熱溫度高，排出溫度約1400℃～1600℃，余熱資源豐富，但由于間歇式排出，回收利用困難；煉鋼煙氣余熱回收量少，且能級(jí)損失很大，大部分高溫?zé)煔馊晕吹玫接行Ю茫粺Y(jié)工序的燒結(jié)礦的高溫余熱基本沒(méi)有回收利用等問(wèn)題[6]都需要有新的技術(shù)進(jìn)行回收利用。

2.2 冶金流程余熱余能回收利用技術(shù)

鋼鐵工業(yè)余熱回收利用方法有兩大類(lèi)，分別是直接利用法和間接利用法。

直接利用法是利用各種換熱器或熱管等換熱設(shè)備將鋼鐵廠內(nèi)各種氣-固-液體的余熱回收(物理熱),預(yù)熱空氣、煤氣和用于工藝等過(guò)程；間接利用法包括余熱生產(chǎn)蒸汽發(fā)電、制冷和TRT等[7]。TRT技術(shù)是利用高爐冶煉的副產(chǎn)品—高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣透過(guò)透平膨脹機(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。在鋼鐵工業(yè)中，余熱余壓回收利用水平仍然比較低。隨著企業(yè)的節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，企業(yè)加大了對(duì)節(jié)能減排項(xiàng)目的投入，但是效果不明顯，究其原因是傳統(tǒng)的余熱余壓回收技術(shù)越來(lái)越成熟，在鋼鐵企業(yè)的也得到了廣泛普及，未來(lái)的回收利用空間越來(lái)越少，難度也越來(lái)越大。如何進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，加大余熱的回收利用，特別是在低溫廢棄的余熱回收利用，是目前企業(yè)面臨和亟待解決的問(wèn)題[7]。

3 相變儲(chǔ)熱技術(shù)及其在工業(yè)余熱上的利用應(yīng)用

相變儲(chǔ)熱技術(shù)是以相變儲(chǔ)能材料為基礎(chǔ)的高新技術(shù)，因?yàn)樗膬?chǔ)能密度大且輸出的溫度和能量相當(dāng)穩(wěn)定。它可以利用電熱蓄能來(lái)“電力削峰填谷”，也可用于新能源，工業(yè)余熱回收，新型家用電熱電器開(kāi)發(fā)，建筑節(jié)能及其航空航天等領(lǐng)域。相變儲(chǔ)能材料是相變儲(chǔ)熱技術(shù)的基礎(chǔ)，研究和開(kāi)發(fā)相變潛熱大，性能穩(wěn)定和性?xún)r(jià)比高的相變材料是重中之重。

3.1 相變儲(chǔ)熱材料

相變材料（PCM）或稱(chēng)相變儲(chǔ)能材料，它屬于能源材料的范疇。相變材料是指在能被利用其在物態(tài)變化時(shí)所吸收的（放出）的大量熱能用于能量?jī)?chǔ)能的材料。根據(jù)相變類(lèi)型相變材料可分為分為固-固、固-液、氣-液和固-氣相變相變儲(chǔ)能材料。由于固-氣、液-氣相變儲(chǔ)能材料盡管相變潛熱大，但相變過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體，危險(xiǎn)系數(shù)大，實(shí)際應(yīng)用少，所以使用廣泛的相變材料多為固-液及固-固相變材料[8]。固-液相變材料相變潛熱大，但易泄露、腐蝕等，對(duì)容器的要求及其封裝技術(shù)比較高；固-固相變材料相變潛熱低，但不存在泄露和腐蝕的問(wèn)題[9]。從相變溫度上劃分，可分為高溫（450℃以上），中溫（100℃～450℃）和低溫（＜100℃）相變儲(chǔ)能材料[10]。高溫的相變材料適用于工業(yè)余熱/廢熱回收，電力調(diào)峰和太陽(yáng)能熱發(fā)電等；中溫相變材料適用于太陽(yáng)能蓄能系統(tǒng)等；低溫的相變材料適用于空調(diào)系統(tǒng)，建筑節(jié)能保溫隔熱，電池?zé)峁芾淼萚11-14]。按相變材料上的劃分可分為無(wú)機(jī)類(lèi)，有機(jī)類(lèi)和復(fù)合相變材料。無(wú)機(jī)類(lèi)相變材料包括結(jié)晶水合鹽，熔融鹽、金屬合金等，其中結(jié)晶水合鹽應(yīng)用廣泛，具有較高的潛熱密度，可供選擇的熔點(diǎn)范圍廣，但容易出現(xiàn)相分層和過(guò)冷現(xiàn)象；有機(jī)類(lèi)相變材料主要有石蠟，脂酸，其他有機(jī)酸類(lèi)等，有機(jī)類(lèi)相變材料固體狀態(tài)成型性好，一般不會(huì)出現(xiàn)相分離和過(guò)冷現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好，腐蝕性低但導(dǎo)熱系數(shù)低，單位體積的儲(chǔ)熱能力較小等；復(fù)合相變材料是通過(guò)一定的方法，將兩種或兩種以上的相變材料復(fù)合，使之可以得到更為優(yōu)越的相變材料[11,15]。

3.2 相變儲(chǔ)熱技術(shù)在冶金余熱回收的應(yīng)用

工業(yè)余熱存在著間歇性、不穩(wěn)定性、能量密度低等特點(diǎn)，金翼等人[16]提出了采用中高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)有效地將各種間歇性工業(yè)余熱收集并轉(zhuǎn)化成可以直接利用、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)哪茉础．?dāng)相變儲(chǔ)能技術(shù)用于工業(yè)窯爐的余熱回收時(shí)，節(jié)能效果比常規(guī)蓄熱器技術(shù)大大提高，且系統(tǒng)和設(shè)備的體積減小。如對(duì)100t的鍛造加熱爐回收的余熱不僅可用于本身的助燃空氣加熱，多余的能量還可用于鍛件的熱處理和其他生活用途，這樣就比常規(guī)換熱器的熱效率多提高9.1%[11]。孫守斌等人[17]設(shè)計(jì)制造一套在鋼鐵行業(yè)中低溫?zé)煔庥酂峄厥盏南嘧儍?chǔ)熱裝置，相變材料用的是NaN/Si，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示下，該套裝置儲(chǔ)熱時(shí)最大儲(chǔ)熱效率為68.3%，放熱時(shí)最大放熱效率約為60%；高溫?zé)犸L(fēng)爐是煉鐵高爐的主要輔助設(shè)備之一，提高熱風(fēng)溫度可使煉鐵焦比降低，采用相變蓄能元件代替耐火格子磚，以提高熱風(fēng)爐的工作效率；在鍛造廠為鍛造加熱的室狀加熱爐與熱處理爐的開(kāi)停時(shí)間不一樣，導(dǎo)致到鍛造加熱爐的能量耗損，如果采用儲(chǔ)能換熱裝置將鍛造爐的余熱回收，一方面可用于本身的空氣預(yù)熱，還有剩余的能量可用于熱處理的預(yù)熱、升溫和空氣助燃。廣州鋼鐵廠三座高溫?zé)犸L(fēng)爐的調(diào)研表明[12]：在相同的條件下，在蓄熱溫度400℃～900℃的溫度范圍內(nèi)采用金屬蓄熱元件和復(fù)合陶瓷蓄熱材料是普通耐火磚的蓄熱量的2-3倍，并且體積減少34.7%～40.5%，高度降低了8m～9.4m，建造費(fèi)用也降低了7.7%～10.5%。

4 結(jié)語(yǔ)

余熱資源是冶金行業(yè)的重要能源之一；企業(yè)充分的利用余熱資源，不僅提高經(jīng)濟(jì)效益，還能符合國(guó)家的節(jié)能減排。相變儲(chǔ)能技術(shù)是屬于新型的儲(chǔ)熱技術(shù)，通過(guò)相變儲(chǔ)熱技術(shù)，可以提高冶金的能源效率，還可以提高余熱的回收效率，有效的將余熱資源充分的利用。針對(duì)于冶金工業(yè)余熱間歇性、不穩(wěn)定性、能量密度低等特點(diǎn)，可以利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)將余熱更好的儲(chǔ)存利用起來(lái)。