谈钢铁工业余热回收的评价指标体系

钢铁工业能耗占各行业总能耗的10％以上，作为典型的过程工业，由于生产效率的需要和工艺过程本身的要求，钢铁厂在完成钢铁产品制造功能的同时，产生大量的余能余热资源［1］。高效、合理地回收余热资源是降低企业能耗、提高能源利用效率的重要途径［2］。大量学者针对钢铁工业余能余热的有效利用开展了深入研究［3－6］。丁毅和史德明［7］、胡长庆等［8－9］、李冬庆［10］、程云等［11］、李洪福［12］、李扬等［13］分别针对焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等工序余热资源的合理利用开展了研究。目前对余热回收技术的研究多是具体技术实施层面，仅有少量研究涉及对利用技术评价的探讨［14－17］，且这些研究多是从用能的合理性角度或单纯以能耗分析为主。考虑到技术实施难度、工厂效益等因素，用能的合理性并不能作为某项技术优劣的唯一评价标准。本文尝试从用能合理性、技术可行性、投资经济性等3个方面对余热回收技术进行综合评价，可作为余热回收技术选择的参考。考虑到余能资源即各种煤气的潜热各钢厂利用程度已普遍较高，本文主要讨论余热资源的回收利用。

1钢铁工业主要余热利用方式与技术

图中实线为余热，虚线为余能，点划线为理论上可以利用但尚未实现商业化应用或尚未普遍采用的回收方式。其中，同一余热出口有多条分支的表示有多种利用方式，由出口回到入口表示余热用于预热进口料或空气。纵观整个网络可见，由于钢厂工序长、设备多，余能余热资源丰富、形态多样，利用技术也种类繁多。多数研究中针对某项具体技术的分析得到的结论往往并不具有普适性，难以作为一般性的参考。因此，有必要根据余热资源利用过程的基本能量转换特征，将各种回收技术划分为基本的方式。不同于余热利用技术的意义，一种利用方式可以有多种技术，但其能量转换形式的本质是相同的。余热资源的回收方式可以分为以下3大类。

1．1热利用

余热的热利用是指利用余热降低到环境温度释放的热量加热其他物料或对外供暖。由于热量的释放过程多是在定压条件下进行的，气体的放热量等于其焓的变化量，因此，热利用又被称为焓利用。热利用方式仅考虑余热回收量的大小，而与能量的品质（以温度为主要标志）无关。热风烧结技术［18］、高温炉渣水淬法［19］、煤调湿技术（CMC）［20］、蓄热燃烧技术（HTAC）［21］、热管换热技术［22］、相变换热技术［23］、余热锅炉生产蒸汽供暖、低温热泵技术［24］、吸收式制冷技术［25］等均属于余热的热利用方式。

1．2动力利用

动力利用也称火用利用，即回收余热中的可用能，使其转化为机械能或电能。余热发电是余热动力利用的主要形式，包括余热锅炉蒸汽发电［26］、炉顶余压发电技术（TRT）［27］、蒸燃联合发电装置（CCPP）［28］，干熄焦发电技术（CDQ）［8］等。钢铁流程余热量庞大，整体过剩，拓展热利用的途径非常有限，利用过剩余热发电是将来余热利用研究的重要方向［29］。1．3综合利用余热的综合利用是上述两种余热利用形式相结合，即一部分用于发电，一部分用于加热，或将发电装置的排热用于加热。如热电联产［30］，既用于发电，又提供一部分生产和生活供热。另外还有热电冷联产技术［31］等综合利用方式。

2余热利用技术的综合评价指标

余热利用技术的评价与余热资源的评价应是两个范畴问题。优质的资源（这里指的是从能量的角度）未必有好的回收方式；反之，劣质的资源也可以较为经济地回收。对于余热利用技术的评价，从不同的角度可能会得到不同的结果，有时结论甚至是相悖的。因此，一项余热利用技术的好与差，不能单从热力学角度或技术实施角度分析，应综合多方面因素进行综合评价。

2．1合理性

合理性指理论层面上用能过程的热力学完善程度。显然，某种意义上，这种“合理”性只是理论上的合理性，实际实施起来可能存在诸多困难，从而未必合理。这一评价标准不关心能量转换中间过程的具体环节及技术实现的复杂程度，仅关心余热资源的初始状态和最终产出，可以针对不同的余热利用方式，采用能量系统的一般热力学分析方法，基于热力学基本定律，以热效率、火用效率、能量利用系数等指标予以分析。由于热效率、能量利用系数等指标仅从能量的数量考察，并不包含能量的品质属性，因此，均不能完全体现用能的合理性。因此，可用能即火用损失最小应是合理性的根本要求，利用过程的火用损失率最小是唯一量化指标。对于现有余热回收利用技术合理性的评价，笔者建议采用以下方法：首先，对于同一余热的不同利用方式，采用火用损失率为唯一指标评价利用方式的合理性。根据热力学第二定律的开尔文表述，热量在转化为功的同时，必然要向低温热源即环境排放热量，为了保证设备的能量转换速率，排气温度往往远高于环境温度，这一部分排气中的火用将同热量一同流失。因此，如果在有相应温度的加热共同工程，往往应优先选择预热进口料，此时，火用损失仅产生于有限温差传热，损失大小取决于预热过程的传热温差和出口温度，传热温差越小，出口温度越接近环境温度，火用损失越小。由于一次能源（如煤）的化学能属于高品质的化学能，用于加热低温段的物料，火用损失极大，因此，一般预热过程的火用损失远小于消耗一次能源加热过程的火用损失。如果没有相应温度的加热共用工程，对于高温余热应首选动力利用或综合利用，避免降温热利用。其次，对于同一余热的相同利用方式，可采用同一热力学指标评价。对于热利用可以采用余热回收率评价，即回收的热量与理论上可以完全回收的热量之比。对于动力利用，可采用热效率或火用效率评价，两者评价结果是一致的。因为热功转换的热效率与热源温度相关，其绝对大小并不能反映用能过程合理性，建议采用火用效率评价。对于综合利用，如热电联产装置，应综合采用热效率和能量利用系数为指标，当热用户少、热负荷小时，应偏重热效率，反之，偏重热量利用系数，因利用的热量，其实是减小了一次能源的消耗量。

2．2可行性

可行性指该回收技术在具体设备层面上的可行性及操作实施难度。显然，可行性既与余热的特征有关，又与利用方式有关。不同形态的余热资源，其回收难度不同；同一种余热资源，不同的利用方式，实施难度也会不同。下面针对3种形态的余热资源，分别分析如下：液态余热（冲渣水、冷却水、冷凝水等）具有极好的换热特性，热利用只需要水管和换热器，可将回收的冷却水热量用来预热进入设备的物料、空气或水，可行性较好；动力利用需将水再次升温汽化才能做功输出机械能，可行性差，但如果采用低温有机工质发电［32］或温差发电技术［33］，技术成熟，可行性较好。气态余热（烧结机、高炉等设备的排烟）温度高，成分复杂，往往需要经过脱硫、除尘等设备，先在余热锅炉中将烟气显热转化为水蒸汽工质的焓，再通过蒸汽轮机输出动力，实际上是一个先热利用再动力利用的过程，过程复杂，可行性较差；烟气热利用即用于预热本工序进料，利用过程简单，可行性较好。固态余热（高炉渣、转炉渣等）热利用和动力利用难度都很大，因为其缺少作为换热工质和做功工质的基本属性———流动性，可行性最差。如炉渣显热，目前尚无商业化的高效回收技术，急冷水冲渣技术实际上是为了获取水泥原料，虽然实现了炉渣的资源化利用，但显热没有回收，在冲渣水冷却塔中白白流失［34］。实际上，对于3种形态的余热资源，从可行性上分析，均是热利用优于动力利用，即用于加热比用于发电技术改造更简单，这也是目前各钢厂对余热资源普遍采用热利用方式的原因。

2．3经济性

经济性是指采用该回收技术能够为该厂带来的经济效益。可以认为，这一评价标准只是从资金投入与利润产出的关系考察，并不涉及热力学完善程度方面的意义。显然，可行性是经济性的基础。在技术上难以实现的利用方案，就谈不上经济性。对于企业而言，在同一资源的各种利用方式中，其最终的选择往往并不受用能合理性的影响，而是取决于此种技术的实施能够产生的经济效益大小。具体地，可以用投资回收期和年收益两个指标描述，两者可以分别简单概括为见效快，收益高，也就是企业对余热回收技术的基本要求。投资回收期是指设备发电量总价格等于设备总价格时的运行时间。年收益是指余热回收设备投产后，每年能够为企业带来的利润。投资回收期和年收益可分别采用价格功率比和装机容量进行分析，两者分别决定了投资回收期和年收益。对于余热回收发电设备，年收益即年发电量与售电价格的乘积。投资回收期可通过式（1）求出。

3常用余热利用技术的综合评价

表1给出了目前钢铁企业采用的余热利用技术及其评价结果。表中，合理性评价以利用过程的火用效率排序，可行性以实施难度排序，经济性以现在先进技术的投资回收期排序。某项技术分值越高，代表在可行的几种利用方式中，该指标评价的结果越好。如对于炉渣显热，水淬法、风淬法、化学法，合理性依次提高，则分值分别为1、2、3。对于利用技术单一的余热，评价分值均以1计。环冷机废气和烧结机烟气均指高温段。从表中可以看出，同一种余热资源的不同利用技术，合理性好的，往往可行性差，即技术实施复杂。对于现已采用的回收技术，合理性与经济性通常是一致的，即用能越合理，节能越明显，经济性也就越好。但对于某些尚在研究、技术不成熟的利用技术，合理性与经济性是不一致的，如炉渣的风淬法和化学法回收，由于成本过高（根本原因是技术不成熟），经济性差，现阶段尚无法用于商业化运行。

4余热利用技术研究基本路线

短期内，以经济性为指标，把投资回收期短、还没有利用的余热充分利用起来，提高余热资源的回收率。目前，许多可行性好、经济性好的余热回收技术已经成熟，但尚未完全普及，如冲渣水等低温余热，可用于厂区内供暖等［41］。把这些易回收的资源先利用起来，是当前紧迫任务。中期看，以热效率为指标，把已经采用的技术用好，不断改造现有余热利用技术，提高利用效率。如环冷机废气一般用于预热烧结进料，但利用效率不高，如果将高温段余热实施动力回收，将中温段和低温段余热实施直接热回收［42］，用于预热干燥烧结原料、点火炉的助燃空气，则可以显著提高利用率，且投资低、见效快。长期看，以合理性和可行性为目标，积极开展基础研究，攻克技术难关，解决用能不合理、能级不匹配的根本问题，把现阶段用不了的余热在不远的将来用起来。如高炉渣和转炉渣等固态余热资源品位高、数量大，均是优质资源，但由于目前对高温熔渣的研究不深入，技术不成熟，显热均未回收。风淬法获取高温热风发电和化学法生产氢气等是未来高炉熔渣余热回收的主要研究方向［43］。

5结论

（1）考虑到技术实施难度、工厂效益等因素，用能的合理性并不能作为某项技术优劣的唯一评价标准。（2）用能合理性、技术可行性、投资经济性3个方面相互独立，对一项余热回收技术优劣的评价必须言明是从哪一方面进行评价的。（3）对于余热的动力利用，由于热功转换的热效率与热源温度相关，其绝对大小并不能反映用能过程合理性，采用火用效率评价更为合理。（4）经济性指标综合反映了余热资源的品质和数量。

作者：孟凡凯 陈林根 谢志辉 孙丰瑞 单位：海军工程大学热科学与动力工程研究室 海军工程大学舰船动力工程军队 海军工程大学动力工程学院