1 引言
能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件，但同时也是长远制约经济发展的重要因素之一。随着低碳经济的到来，提高能源利用效率已形成全球共识。
据《中国的能源政策(2012)》指出，钢铁、有色、化工、建材四大高耗能行业用能占到全社会用能的40%左右[1]，且能源效率相对较低，单位增加值能耗较高。其中，钢铁产业的能耗约占全国总能耗的16.1%，钢铁工业排放的CO2占我国CO2排放总量的12%，因此推行钢铁工业节能减排是我国未来能源发展的重点。
在钢铁工业生产过程中，消耗能源推动物料转变的同时会产生大量的余能，如何有效回收利用这些余能已成为钢铁业实现节能减排的重要途径之一。近年来，国内外学者已对钢铁工业余热余能回收利用的重要性及可行的技术理论问题展开了大量的研究[2～4]，对我国钢铁工业节能减排战略的实施发挥了重要作用。
2 中国钢铁业余能回收利用技术现状
钢铁生产消耗的一次能源中约40%以某种形式的热能释放，生产过程中产生的余能资源通常包括余热、余压以及副产品能源。当前，对于我国钢铁业余能回收利用的技术情况如下。
2.1 高炉炉顶煤气余压透平发电技术
高炉炉顶煤气余压回收发电(Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT)是利用高炉炉顶排出的高炉煤气中的压力能与热能转化为机械能并驱动发电机发电[5]。现代高炉大都采用高压炉顶，从炉顶排出的高炉煤气除具有化学能外，还具有一定的物理能，为促进这些可燃废气的综合利用，通常采用高炉煤气余压透平发电技术(TRT)，将煤气的压力能转化为机械能并驱动发电机发电。炉顶煤气压力大于120kPa的高炉均应有TRT装置，目前我国TRT普及率已达90%以上。
2.2 干熄焦技术
干法熄焦是目前国外较广泛应用的一项节能技术，其英文名称为Coke Dry Quenching，简称CDQ。干熄焦是利用惰性气体，在干熄炉中与红焦换热从而冷却红焦。吸收了红焦热量的惰性气体将热量传给干熄焦锅炉产生蒸汽，被冷却的惰性气体再由循环风机重新鼓入干熄炉冷却红焦，而锅炉产生的蒸汽或并入厂内蒸汽管网或用于发电。在干熄焦过程中，80%的红焦显热被回收，干熄每吨焦炭可产生0.42～0.45t中压蒸汽(450℃，4.6MPa)，比传统湿熄焦工艺节水0.5t，同时可避免湿熄焦过程中产生的含有大量酚，氰化物和硫化物蒸汽排入大气中，从而有效改善生态环境。
2.3 自产煤气回收利用
钢铁生产过程中，主要副产3种煤气，分别是高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，它们的热值见表1[6]。
据统计，自产煤气占钢铁生产总能耗的17%左右，除少量煤气泄漏损失外，其余均可利用。自产煤气主要用于加热炉加热，各种铁包、钢包烘烤，焦炉煤气还可用于连铸切割，制氢等。
焦化的化产工序要回收粗焦炉煤气中的化工产品，所采用的工艺工种多样。然而，当前炼铁高炉煤气、炼钢转炉煤气均有干法回收技术替代早先的湿法回收技术。与传统的湿法相比，高炉煤气采用干法除尘技术，可以提高高炉煤气的温度，减少煤气中的水含量，节约水资源;转炉煤气干法除尘技术，取消了规模庞大的浊环水处理系统以及笨重的机械设施，操作灵活，略可提高转炉煤气的回收量。
2.4 低温烟气回收技术
目前，我国钢铁业高温烟气余热的回收利用较普及，而中低温烟气余热的回收利用率较低。企业通常用高温烟气预热助燃空气，而通过空气预热器后约400～500℃的中温烟气则没有被大部分企业加以利用，至于大量400℃以下的低温烟气余热由于其投资回报差利用更少。为将低温余热转化为各种环境都可利用的能源，利用低温余热发电成为低温余热利用技术研究的主要方向。其中，有机工质郎肯循环发电的研究和应用[7]最为广泛，该技术可通过采用不同低沸点的有机物作为工质，可回收55℃以上的低温热源。
2.5 蓄热式高温空气燃烧技术
蓄热式高温空气燃烧技术的全名称为高温低氧空气燃烧技术(High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC)，也称作HTAC (High Temperature Air Combustion)技术[8]。其特征是极大限度地回收燃烧产物中的显热，实现超高温(助燃空气可预热至800～1000℃，甚至更高)、超贫氧(氧气提及浓度3%～15%)燃烧。该技术可实现燃料化学能的高效利用和低NOX排放，从根本上提高了加热炉的能源利用率(热回收效率80%以上)，特别是在钢铁业对低热值高炉煤气的合理利用，既减少了污染物高炉煤气的排放，又节约了能源，是满足当前资源和环境要求的先进技术。
2.6 低热值高炉煤气联合循环发电(CCPP)技术
该技术可回收放散的低热值煤气用于发电，是一种煤气、燃气、蒸汽联合循环发电系统以及将煤的气化技术和高效的联合循环相结合的先进发电系统[9]。在不外供热时热电转换效率可达40%～45%，已接近天燃气和柴油为燃料的类似燃气轮机联合循环发电水平，比常规锅炉蒸汽转换效率高出近一倍。此外，该发电技术CO2排放比常规火力电厂减少45%～50%，无SO2、飞灰及灰渣排放，NOX排放少，回收了钢铁生产中的二次能源，可用水量相当于同容量常规燃煤电厂的1/3. 2.7 余热蒸汽发电技术
余热蒸汽发电原理与传统蒸汽发电原理相同，区别在于热源来源。余热蒸汽的热源来源主要有高炉、转炉、电炉及其他冶炼炉高温烟气，热轧厂燃气均热炉，烧结热料及高温烟气等。
2.8 转炉负能炼钢技术
转炉负能炼钢是计算转炉工序同一生产周期内的能源消耗量与能源回收量的差值，炼钢工序能耗公式如下：
工序单位能耗=能源消耗量-能源回收量钢产量。
转炉工序能源消耗部分由焦炭、水、电、蒸汽、氧气、氮气、氩气、焦炉煤气等能源介质构成。由于生产工艺、生产品种和转炉大小等技术条件的差别，转炉工序能耗一般波动在25～37kgce/t。转炉工序回收的能量主要有煤气和蒸汽两部分构成。转炉出口烟气的总热量约为38.3kgce/t，其中81.8%为潜热，18.2%为显热。采用回收技术通常可回收能量30～36kgce/t，其中70%为转炉煤气，30%为蒸汽，即可实现负能炼钢[10]。
3 冷床余热回收利用潜力分析
从20世纪70年代末，发达国家已经意识到提高钢铁企业生产效率以及进一步降低能耗的重要性，经过几十年的不断地改进和探索，这些技术现在已经相对成熟，开始大范围推广。然而至今，作为钢铁业非常重要的一道工序冷床，其余热非常高，但对其余热的回收技术研究几乎空白。本文以国内某钢厂无缝钢管轧制冷却工序为例，统计分析了可利用的余热潜力，希望以此为钢铁业节能减排新技术的发展拓宽思路。
3.1 车间主要生产概况
该车间主要加工外径220mm、280mm和330mm的低碳钢管坯，其主要加工工序有管坯加热、旋转穿孔、多辊连轧、再加热、定径精轧以及冷床自然空冷等。3种不同外径的管坯经定径精轧后，进入冷床前后温度参数见表2。
3.2 冷床余热分析
根据比热容原理，冷床上放散的热量的计算公式如下：
Q放热=mC×(t进-t出)。
式中Q放热为冷床上自然放散的热量，J;m为冷床处理的钢管量，t;C为低碳钢的比热容，取465J/kg˙℃;t进为钢管进入冷床的温度，℃;t出为钢管退出冷床的温度，℃。
基于以上，该无缝钢管车间近3年的年均排放热量结果为：外径220mm管坯加工放散热量为6.47×1013J/年，外径280mm管坯加工放散热量为9.62×1013J/年，外径330mm管坯加工放散热量为9.22×1013J/年，全车间共计2.531×1014J/年的热量放散，不仅给环境带来热污染，同时也造成二次能源浪费。
由于热量是能源利用的最一般形态，故国际上习惯采用热量为能源的共同换算单位，我国主要采用标准煤来折算能耗。我国的GB2589-2008《综合能耗计算通则》规定，将低位发热量等于29.3MJ(7000kcal)的燃料，称为1kg标准煤(1kgce)。通过综合换算，该无缝钢管车间近3年年均放散热量相当于8638tce，吨钢冷床放散热量为12kgce，约占《工业节能“十二五”规划》[11]要求钢铁业吨钢综合能耗目标(580kgce)的2%，因此冷床可利用余热潜力巨大。
3.3 冷床余热回收方案
为了能充分回收这部分放散的热量，本文提出了一个半封闭式的预想换热方案，如图1所示。冷空气从冷床出口处下方循环鼓入换热装置，随着与轧制的高温钢管逐步换热，空气受热温度提升，当空气换热至冷床入口处时，温度可达800℃以上，之后高温热空气随着循环系统送入余热锅炉，产生的蒸汽既可以用于发电又可以直接并入厂区蒸汽管网，而经余热锅炉换热后的冷空气经除尘后再次鼓入冷床换热系统，从而实现节能减排。
4 结语
对于当前快速发展的钢铁工业而言，能源生产面临难以满足能源需求，钢铁工业耗能占全国总能耗比重历年来稳中有升，能源对钢铁工业发展的约束日益显着。虽然我国节能减排取得了巨大的进步，但CO2排放仍高于发达国家，在低碳经济时代，我们有必要加快推广TRT，CDQ及CCPP等节能技术的应用。
