相變儲熱技術在冶金余熱回收中的應用

陳 程，許佳孟，毛凌波

（1.冶金工業規劃研究院，北京 100010；2.廣東工業大學材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

隨著我國經濟的持續發展與科技的進步，能源問題越來越受到關注。我國是世界上能源最大的生產國和消費國，2000-2020年，一次能源生產年均增長5.5%，據國家統計局數據，2020年，我國一次能源生產40.8億t的標準煤，同比增長2.8%，為新中國成立初期的170余倍、改革開放初期的6倍多[1]。我國是一個十分重視重工業發展的國家，其中鋼鐵冶金是重要的組成部分，但是在鋼鐵冶金生產過程中能源消耗較多，在冶鐵過程、煉鋼過程以及軋鋼過程出現較為嚴重的能源浪費問題[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。本文通過對冶金流程所產生的余熱的回收技術進行概述及其存在的問題，為鋼鐵企業余熱回收利用技術發展提供參考。

2 冶金流程余熱余能回收利用狀況及其利用技術

2.1 冶金流程余熱余能回收及利用狀況

我國鋼鐵企業90%是以高爐-轉爐為主的長流程企業，完整的制造流程包括焦化，燒結或球團、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、軋制等工序。在整個冶金工序中，鋼鐵的余熱余能資源及其回收技術如下表1[5]。

表1 按工序流程的余熱資源、回收水平和回收技術

在鋼鐵企業中余熱余能的回收利用中還存在的一些問題，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，且能級損失很大，大部分高溫煙氣仍未得到有效利用；燒結工序的燒結礦的高溫余熱基本沒有回收利用等問題[6]都需要有新的技術進行回收利用。

2.2 冶金流程余熱余能回收利用技術

鋼鐵工業余熱回收利用方法有兩大類，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備將鋼鐵廠內各種氣-固-液體的余熱回收(物理熱),預熱空氣、煤氣和用于工藝等過程；間接利用法包括余熱生產蒸汽發電、制冷和TRT等[7]。TRT技術是利用高爐冶煉的副產品—高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣透過透平膨脹機做功，將其轉化為機械能，再將機械能轉化為電能的技術。在鋼鐵工業中，余熱余壓回收利用水平仍然比較低。隨著企業的節能意識的不斷增強，企業加大了對節能減排項目的投入，但是效果不明顯，究其原因是傳統的余熱余壓回收技術越來越成熟，在鋼鐵企業的也得到了廣泛普及，未來的回收利用空間越來越少，難度也越來越大。如何進一步挖掘節能潛力，加大余熱的回收利用，特別是在低溫廢棄的余熱回收利用，是目前企業面臨和亟待解決的問題[7]。

3 相變儲熱技術及其在工業余熱上的利用應用

相變儲熱技術是以相變儲能材料為基礎的高新技術，因為它的儲能密度大且輸出的溫度和能量相當穩定。它可以利用電熱蓄能來“電力削峰填谷”，也可用于新能源，工業余熱回收，新型家用電熱電器開發，建筑節能及其航空航天等領域。相變儲能材料是相變儲熱技術的基礎，研究和開發相變潛熱大，性能穩定和性價比高的相變材料是重中之重。

3.1 相變儲熱材料

相變材料（PCM）或稱相變儲能材料，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變化時所吸收的（放出）的大量熱能用于能量儲能的材料。根據相變類型相變材料可分為分為固-固、固-液、氣-液和固-氣相變相變儲能材料。由于固-氣、液-氣相變儲能材料盡管相變潛熱大，但相變過程中產生大量氣體，危險系數大，實際應用少，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，對容器的要求及其封裝技術比較高；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℃）相變儲能材料[10]。高溫的相變材料適用于工業余熱/廢熱回收，電力調峰和太陽能熱發電等；中溫相變材料適用于太陽能蓄能系統等；低溫的相變材料適用于空調系統，建筑節能保溫隔熱，電池熱管理等[11-14]。按相變材料上的劃分可分為無機類，有機類和復合相變材料。無機類相變材料包括結晶水合鹽，熔融鹽、金屬合金等，其中結晶水合鹽應用廣泛，具有較高的潛熱密度，可供選擇的熔點范圍廣，但容易出現相分層和過冷現象；有機類相變材料主要有石蠟，脂酸，其他有機酸類等，有機類相變材料固體狀態成型性好，一般不會出現相分離和過冷現象，熱穩定性好，腐蝕性低但導熱系數低，單位體積的儲熱能力較小等；復合相變材料是通過一定的方法，將兩種或兩種以上的相變材料復合，使之可以得到更為優越的相變材料[11,15]。

3.2 相變儲熱技術在冶金余熱回收的應用

工業余熱存在著間歇性、不穩定性、能量密度低等特點，金翼等人[16]提出了采用中高溫相變儲熱技術有效地將各種間歇性工業余熱收集并轉化成可以直接利用、儲存和運輸的能源。當相變儲能技術用于工業窯爐的余熱回收時，節能效果比常規蓄熱器技術大大提高，且系統和設備的體積減小。如對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，這樣就比常規換熱器的熱效率多提高9.1%[11]。孫守斌等人[17]設計制造一套在鋼鐵行業中低溫煙氣余熱回收的相變儲熱裝置，相變材料用的是NaN/Si，實驗結果顯示下，該套裝置儲熱時最大儲熱效率為68.3%，放熱時最大放熱效率約為60%；高溫熱風爐是煉鐵高爐的主要輔助設備之一，提高熱風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停時間不一樣，導致到鍛造加熱爐的能量耗損，如果采用儲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熱，還有剩余的能量可用于熱處理的預熱、升溫和空氣助燃。廣州鋼鐵廠三座高溫熱風爐的調研表明[12]：在相同的條件下，在蓄熱溫度400℃～900℃的溫度范圍內采用金屬蓄熱元件和復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，建造費用也降低了7.7%～10.5%。

4 結語

余熱資源是冶金行業的重要能源之一；企業充分的利用余熱資源，不僅提高經濟效益，還能符合國家的節能減排。相變儲能技術是屬于新型的儲熱技術，通過相變儲熱技術，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。針對于冶金工業余熱間歇性、不穩定性、能量密度低等特點，可以利用相變儲熱技術將余熱更好的儲存利用起來。