一、基本概述

冶金渣顯熱是指高溫液態(tài)爐渣（通常溫度在1400–1600℃）在冷卻固化過程中釋放的廢棄物理熱能，是鋼鐵冶金流程中的關(guān)鍵余熱資源。

二、分類信息

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三、詳細解釋

冶金渣是金屬冶煉過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其化學組成以硅酸鈣為主，并含有氧化亞鐵（FeO）、氧化錳（MnO）等金屬氧化物。在出爐階段，此類渣通常處于完全熔融的液態(tài)高溫狀態(tài)，蘊含大量熱能。

在熱力學中，顯熱是指體系在無相變（例如液－固轉(zhuǎn)變）的條件下，僅因溫度變化而吸收或釋放的熱量；潛熱是指體系在經(jīng)歷等溫相變過程（如凝固、熔化、汽化、凝結(jié)）時吸收或釋放的熱量。冶金熔渣在冷卻過程中，其熱能釋放包含兩個主要部分：顯熱釋放（源于溫度下降的耗散）與潛熱釋放（源于液態(tài)變固態(tài)的相變）。

傳統(tǒng)上，高溫液態(tài)冶金渣主要通過水淬法（水沖渣）或自然冷卻/堆場冷卻等方式處理。采用水淬法處理，熔渣的高溫熱被大量的冷卻水迅速吸收，水溫顯著升高，這部分攜帶熱量的冷卻水通常直接排放或通過蒸發(fā)，最終使熱能散失到環(huán)境中。采用自然冷卻處理，熔渣所含熱量通過對流和輻射傳熱機制，緩慢釋放至大氣。上述兩種處理方式下，渣所含的巨大顯熱以及部分潛熱幾乎沒有被回收，造成了顯著的能源浪費，水淬法還消耗了大量的水資源，并可能伴隨蒸汽逃逸和粉塵擴散等環(huán)境污染問題。

冶金渣顯熱回收的技術(shù)核心在于梯級溫度匹配與相變儲熱技術(shù)協(xié)同優(yōu)化，通過干式粒化實現(xiàn)高溫熔渣的快速固化與熱量高效導(dǎo)出，結(jié)合余熱鍋爐或化學蓄熱系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換，最終將顯熱轉(zhuǎn)化為蒸汽、電力或燃料余熱。

冶金渣顯熱兼具能源價值與環(huán)境風險雙重屬性，既是可回收的工業(yè)余能，又是需嚴格管控的熱污染源。因此，高效回收利用這部分熱量具有顯著的節(jié)能、減排、經(jīng)濟和環(huán)保效益，是全球冶金行業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要方向。

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圖1 一種液態(tài)高爐渣流粒化及余熱回收系統(tǒng)。圖源：參考來源[2]

四、應(yīng)用領(lǐng)域/前景

冶金渣顯熱作為鋼鐵工業(yè)的戰(zhàn)略余能資源，其回收利用已在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，主要涵蓋三大方向：

一是在能源再生領(lǐng)域，將熔渣顯熱用于蒸汽發(fā)電，每噸渣可發(fā)電60kWh，可減少二氧化碳排放86kg。

二是在建材制造領(lǐng)域，熔渣余熱可直接固化免燒混凝土砌塊，相較于傳統(tǒng)工藝，每噸渣可減排二氧化碳20kg。

三是在冶金循環(huán)領(lǐng)域，將富含鐵元素的渣粒在高溫下壓制成致密的鋼塊狀物料，此產(chǎn)物可直接作為原料回用至轉(zhuǎn)爐煉鋼過程，可替代20%傳統(tǒng)廢鋼并顯著降低電耗約200kWh/噸鋼。

目前，冶金渣顯熱正在進行從“工業(yè)廢能”向“低碳戰(zhàn)略資源”的轉(zhuǎn)型，其發(fā)展前景依托政策強制與技術(shù)突破雙軌驅(qū)動。在政策方面，國家強制標準《粗鋼生產(chǎn)工序能耗限額》（GB 21256-2013）設(shè)定高爐工序能耗≤390kgce/t（kgce/t為“單位產(chǎn)品能耗”的單位，指企業(yè)生產(chǎn)單位合格產(chǎn)品所消耗的綜合能源量，通常折算為標準煤，如生產(chǎn)1噸粗鋼消耗600千克標準煤，其單位產(chǎn)品能耗即為600 kgce/t），促使企業(yè)配套顯熱回收設(shè)施。在技術(shù)層面，以中冶建研院“熔融鋼渣余熱回收系統(tǒng)”為代表技術(shù)，目標將顯熱回收率提升至60%，噸渣發(fā)電量突破80kWh；氫冶金技術(shù)通過利用熔渣顯熱預(yù)熱還原氣體，是支撐行業(yè)實現(xiàn)2030年噸鋼綜合能耗降至545千克標準煤目標的關(guān)鍵技術(shù)路徑[3]。

五、綠色應(yīng)用難點

冶金渣顯熱回收利用是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵路徑，但仍面臨一些亟待攻克的技術(shù)挑戰(zhàn)。

第一，工程化瓶頸，如干法粒化技術(shù)中，由于冶金渣導(dǎo)熱系數(shù)低且熔渣黏度波動大，需開發(fā)高效換熱裝備并優(yōu)化系統(tǒng)集成。

第二，規(guī)模化應(yīng)用瓶頸，當前冶金渣顯熱利用率不足2%，余熱總量超2000萬噸標煤/年，堆存量持續(xù)增長，亟須突破規(guī)模化應(yīng)用技術(shù)瓶頸。

本詞條貢獻者：

董文鈞 北京科技大學材料與工程學院教授

本詞條審核專家：

李 巖 內(nèi)蒙古科技大學稀土產(chǎn)業(yè)學院教授

參考來源：

[1] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部，國家發(fā)展改革委，財政部，生態(tài)環(huán)境部，國務(wù)院國資委，市場監(jiān)管總局.《工業(yè)能效提升行動計劃》（工信部聯(lián)節(jié)〔2022〕76號）.2022.

[2] 寶山鋼鐵股份有限公司,華東理工大學.一種液態(tài)高爐渣粒化及余熱回收系統(tǒng)及方法：CN202211604061.X[P].2024-06-14.

[3] 冶金工業(yè)規(guī)劃研究院.中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳發(fā)展報告(2023)[R].北京:冶金工業(yè)出版社,2023

來源: 科普中國

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