1余热余能深度回收技术随着我国工业节能理念不断深入，钢铁企业普遍在运营中实施余热余能的科学回收，对钢铁企业自身的能耗降低与经济成本节约具有重大意义，将直接影响我国能源与环境的可持续发展[1]。上海梅山钢铁股份有限公司（梅钢）先后实施了冶金煤气资源化发电、高炉炉顶TRT发电、热风炉双换热器、CDQ干熄焦发电、烧结矿显热高温段烟气回收、烧结竖式冷却炉、转炉汽化冷却、热轧水冷梁汽化蒸汽回收、热轧烟道余热双换热器等常规余热余能回收技术。梅钢对钢企行业的3类余热浪费大户（高炉熔渣显热、焦炉上升管荒煤气显热、烧结环冷低温段显热）进行积极改进实践，旨在引领钢企深度回收技术发展。1.1高炉熔渣显热回收梅钢2#高炉日产铁水4 000 t，高炉渣铁比约0.3，日产铁渣量1 200 t，渣铁产量均值为50 t/h，1 450 ℃高温的熔融铁渣与高炉铁水从铁水口流出，依靠密度差实现渣铁分流，高温熔融铁渣从渣沟流出，经过水淬骤冷实现熔渣资源回收。每吨高显热高炉渣含热量约1.26×106~1.88×106 kJ，平均为1.6×106 kJ，梅钢2#高炉渣总热量为80×106 kJ/h，熔渣经过骤冷，热量未得到利用，造成高温资源浪费。梅钢为了攻克高炉熔渣余热回收利用技术，减少钢铁生产过程的综合碳排放量，以2#高炉熔渣粒化建设大中型高炉的在线熔渣余热回收及耦合利用中试装置，进行中试研究，打通熔渣余热回收利用工艺路线，为大规模实施高炉熔渣余热回收提供参考。在线熔渣余热回收及耦合利用中试装置由高炉熔渣余热回收单元和磨粉单元两部分组成，熔渣处理能力超过25万t/a，每吨熔渣制备饱和蒸汽200 kg，每年生产25万t比表面积大于450 m2/kg的超细胶凝粉体。1.2焦炉上升管荒煤气显热回收焦炉上升管显热的喷氨骤冷是钢铁企业的另一个显热浪费源。焦炉炭化室逸出的600~850 ℃荒煤气在筒状上升管经桥管喷洒氨水继续降温，汇总至集气管，荒煤气气液分离后被引入初冷器内进一步冷却。梅钢目前采用传统工艺，通过70~80 ℃循环氨水喷淋高温荒煤气直接急冷，荒煤气中的高温热量被汽化的氨与水蒸气吸收，变成80~85 ℃低温热源。焦炉上升管荒煤气显热回收技术能够高效地实现荒煤气的冷却和初步净化，但在热力学层面存在两点不足：（1）荒煤气显热大量浪费。荒煤气生产过程吸收大量热量，约占焦炉总释放热量的36%，增湿过程是高度不可逆过程，物理损失达90%。（2）冷却氨水循环量大。单集气管焦炉处理1 t干煤需5 m3循环氨水，双集气管焦炉需6 m3循环氨水[2]。为了实现回收焦炉上升管荒煤气显热的同时降低冷却氨水循环量，梅钢焦炉上升管采用外螺旋盘管结构的汽化冷却技术。600~850 ℃的高温荒煤气经过上升管时被外螺旋盘管水汽化，过程吸热，温度降至不低于480 ℃，能够有效避免结焦油，采用喷氨水工艺将荒煤气温度降至85 ℃。采用复合间壁式换热技术时，换热介质在盘管内流动不占用原有荒煤气通道，无介质泄漏并进入炭化室，上升管不结焦，降低了石墨化程度。梅钢计划2023年一季度投运新技术，预计余热回收蒸汽产率约100 kg/吨焦，年产蒸汽25万t。1.3烧结矿余热综合回收技术为了最大程度回收高温矿显热，梅钢主要采取两个技术措施：（1）采用烧结环冷液密封技术降低烧结矿环冷漏风率，使烧结环冷漏风率从25%~35%降低至5%以下，锁住烧结矿显热，使热量不泄露至空气中。（2）采用烧结矿环冷分段冷却烟气分类回收技术，环冷一段、二段的高温烟气经过锅炉回收显热被循环使用；针对三段及四段前部的热烟气，安装1套机上布置的低温低压余热锅炉，配套螺杆发电机组；四段后部低温热烟气设置1套热水加热器，用于烧结工段拌料。通过上述两项技术措施，烧结每吨矿的蒸汽回收量大于100 kg、发电3 kWh，实现烧结矿余热综合回收。1.3.1烧结环冷液密封技术鼓风式环冷机底部采用橡胶密封，橡胶板采用耐磨橡胶，具有一定的硬度与弹性。鼓风式冷却机长期在高温、高温粉尘的环境下运行，密封板的漏风现象较严重，漏风率为25%~35%。漏风情况下，部分矿料被吹出环冷机，造成烧结区域金属粉尘污染和资源浪费。为了减少金属矿料吹撒现象，回收烧结矿更多显热，梅钢3#、4#、5#环冷均采用上下液密封环冷技术。环冷罩采用普通钢板和型钢分段制造，在现场进行组装焊接，采用门形结构，密封罩与台车之间利用水进行密封。采用全封闭门型密封罩和隔热保温措施，避免散料外泄及产生高温辐射现象。从结构方面改善环冷机密封性，漏风率可以被降至5%。上下液密封环冷技术的密封效果好，改善了现场的环境，环冷机余热回收段的风温明显提高，余热回收蒸汽产量提高10 kg/t。降低漏风率在确保冷却效果的同时能够大幅度降低风机的电耗，每年可以节省电费约856万元。使用上下液密封环冷技术有助于提高生产效率，大幅提高冷却效果，减少了因烧结矿不能在环冷机上及时冷却而对烧结机满负荷生产的影响。1.3.2深度利用烧结矿低温余热技术梅钢液密封环冷一段、二段的高温烟气经余热锅炉回收显热，循环冷却烧结矿。目前，对环冷三段、四段低温烟气资源的利用较少，造成余热资源浪费。梅钢4#烧结环冷机三段及后续流程产生的130~240 ℃热废气产量约55万m3/h。低温矿料冷却废气直接排入大气存在风险，如果含尘量超过10 mg/m3，将造成环保风险。梅钢在4#烧结、5#烧结三段及四段前部热烟气设置1套机上布置低温低压余热锅炉，新建2 100 kW凝汽式螺杆发电机组。为环冷机四段后部低温热烟气设置1套热水加热器，用于烧结工段拌料，节省了饱和蒸汽，提高了混合料料温，降低了烧结固燃消耗，避免环境污染。采用烟气全循环技术能够保证烧结矿的冷却效果，实现全环冷废气零排放。梅钢低温余热回收系统预计2022年全部改造完成，单套设备的低压饱和蒸汽回收量为30 t/h，每小时净发电1 340 kWh，热水产量为45 t/h，节约标准煤4 586.6 t/年，减碳1.8万t。1.4通用节能技术广泛应用梅钢引进行业通用节能技术，加速建设节能项目，包括厂房照明系统智慧节能改造、伺服电机及高效电机能效提升、高效水泵和风机辅以变频改造；推进钢铁行业先进衔接技术的创新与应用，提高铁水运输效率，提高TPC周转率，缩短LF处理周期，应用废钢预热技术；强化连铸热轧热装热送率，热轧热送热装率目标为85%。通过单体设备能源使用效率提升、能源加工转换效率提升、铁钢铸轧界面能效提升，持续降低能源使用强度及碳排放强度。加速开发分布式光伏发电项目，发展新能源和可再生能源，深入开发光伏发电二期项目，提升公司内部清洁能源装机容量，推广用户侧分布式光伏发电技术，新增30 MW发电负荷，公司内部清洁能源发电装机容量达到50 MW，每年节约2 766吨标准煤，降低碳排7 189 t。2022年梅钢公司年度管理研讨会明确要求：加快能源效率的提升，创新和优化节能装备和节能工艺，加速推进节能项目落地，提升能源利用效率。2022年项目已落实实施渠道47项，全部实施后预计每年节能9.7万吨标准煤。广泛应用通用节能技术将大幅降低梅钢能源消费、碳排放总量和强度，助力公司创建清洁生产环境。2冶金炉窑节能减碳技术冶金炉窑是消耗燃气的重要能源设备，其能效值直接影响公司能源效率指标水平和能源成本。炉窑效率的提升符合国家绿色低碳的可持续发展战略[3]，能够节约大量冶金煤气、多产蒸汽，助力公司自发电比例的持续提升。提升炉窑效率，降低能源消耗，对减少公司对外购电量、降低能源成本具有重要意义。2.1高炉热风炉智能燃烧优化模型梅钢4#高炉热风炉烧炉属于单一经验模型，相对控制不够精细，PLC控制系统为半自动操作，使用效果受煤气压力、热值及仪表等检测设备的稳定性影响较大，不能做到最优烧炉。梅钢从工艺路线着手，探索优化燃烧模型。确定新的烧炉思路，采用人工智能、专家系统、模糊控制策略，搭建更完善的燃烧模型。通过风煤配比的自寻优和滚动寻优功能，在热风炉烧炉时保持最佳的风煤配比，可以提高拱顶温度，节省煤气用量。基于热风炉蓄热能力数学模型完成4座热风炉之间的协调优化操作，实现平衡烧炉。2021年6月热风炉智能燃烧优化模型上线，在保证高炉所需热风温度的前提下，热风炉煤气燃烧后排放的废气温度平均下降约20 ℃，在同等风温的工况条件下，可以节约煤气4.17%，预测年节约煤气约6 400万m3，年减碳量约7 000 t。2.2热轧高效板式换热器应用梅钢1422热轧1#、2#加热炉空气预热器原本采用普通列管式预热器，积灰问题导致预热器效率逐年减低，实际生产过程中，空气预热温度较低，空气预热器出口烟气温度偏高，造成煤气预热温度超过320 ℃，进行报警，增加了稀释风机的开启频率和电耗，不能充分利用烟气余热，具有较大的安全运行隐患。梅钢将1#、2#加热炉空气预热器更换成板式换热器。板式换热器采用金属直板式预热器形式，烟气的流动方向无横截面和阻挡，不易产生积灰问题。金属直板式换热器的传热系数25.28 W/(m2·℃)、烟气侧压降57 Pa、空气预热温度580 ℃、烟气出口温度350 ℃以下，改造后4个月平均节气率达7.32%，年经济效益900万元，节能效果显著。已经将该项技术推广至1422热轧2#加热炉，目前正在开展1780热轧三座加热炉空气预热器改造立项工作。2.3钢包纯氧烘烤梅钢钢包烘烤采用高热值焦炉煤气与助燃空气燃烧火焰直接烘烤，存在冒火大、燃耗高、热利用率低的问题。梅钢以钢包纯氧烘烤作为科研试点，验证技术的节能量、减碳量、经济性，为公司后期炉窑多点富氧燃烧奠定技术储备。钢包纯氧烘烤减去了助燃空气中79%的无用N₂，提高了理论燃烧温度和热流密度，大幅减少了排烟热损失。综合热效率得到显著提高，与空气燃烧相比，节省约30%~50%的燃料。采用无焰纯氧燃烧烘烤器标准设备，进行模块化设计。配合纯氧烘烤能够更好地实现煤气节约，应用全智能燃烧控制系统自动点火、连续温度曲线控制技术，保温恒温控制火焰长度，满足不同流量下的火焰加热质量要求[4]。为保证安全性采用火焰监测、燃气低压、氧燃比超限温度超限、燃气泄漏等安全连锁[5]。3碳排末端治理及资源化利用技术3.1高炉热风炉烟气二氧化碳捕集资源化利用技术CCUS技术是碳中和技术中不可或缺的重要组成技术，也是传统高炉改造成富氢碳循环高炉的必备技术。将传统高炉煤气中的CO2分离捕集才能实现煤气循环。梅钢加强先导性低碳技术、低成本高效CCUS技术的研究，结合炉窑多点富氧燃烧及CO2资源化利用等重大行业突破性技术，探索既能保证经济增长、又能实现低碳减排的绿色冶炼工艺[6]。梅钢与江苏智道、华东理工合作研发“二氧化碳捕集及转化全链条技术研发与示范项目”，从高炉热风炉烟气中捕获CO2作为原料，以甲烷作为还原剂制备合成气CO及H2，采用先进技术手段和工艺，大幅降低碳捕集成本，将CO2捕集成本从400~700元/t降低至250元/t。将温室气体转化成具有高附加值的化学产品，有可能提高高炉热风炉烟气中CO2减排过程的可行性和经济性，对碳中和目标实现具有重要意义，目前已申报江苏省科技厅2022年度碳达峰碳中和重大科技示范项目。3.2钢渣固碳资源化利用技术研究梅钢开展《二氧化碳与钢渣结合碳酸化制备高纯碳酸钙、混黏土项目》，钢渣中含有的游离CaO是引起钢渣安定性不良的主要原因，通过二氧化碳与钢渣反应，在固碳的同时降低钢渣中游离氧化钙含量。钢渣与CO2处理小试试验检测活化处理后，钢渣中游离CaO含量为0.12%~1.47%，活化处理有效降低了钢渣中游离CaO的含量。对照《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/T 20491—2017）中“游离CaO含量≤4%”的规定，所有经过碳化处理的钢渣样品中游离CaO含量已符合标准要求。对比钢渣样品的BET分析图，未活化钢渣的比表面积为2.5 m2/g，活化后钢渣达13.3 m2/g，主要孔径为3~10 nm的介孔。经过活化处理，钢渣变成多孔结构，表面积增大有利于其水化反应的进行[7]。参照（GB/T 20491—2017）测试碳化处理前后钢的活性指数，热泼渣和滚筒渣的28 d活性指数分别由75.1%和72.6%提升至83.6%和87.5%，满足标准GB/T 20491—2017中规定的Ⅰ级钢渣粉活性要求。钢渣固碳资源化利用技术在固碳的同时降低了钢渣中游离CaO含量。4结语未来梅钢将广泛应用节能技术，积极探索二氧化碳资源化利用新途径，构建适应生态文明要求和制造强国战略的绿色发展路径。