2.1向无碳炼钢转型与旋转动力加热器应用案例

在炼铁工艺中，根据生产方式的不同，目前无论是使用煤炭还是天然气，均需同时用于还原和加热，从而产生CO₂排放。虽然煤炭或天然气的还原功能无法被热量替代，但绿氢、基于生物质的可再生还原剂，以及采用碳捕集技术的化石燃料还原剂等，可能成为脱碳氧化铁还原的解决方案。然而，由于对电力需求大、氢气生产物流复杂以及矿石质量较差，大规模钢铁生产在可再生碳源和合成还原剂的供应方面，以及基于氢气的还原技术方面都面临挑战。

尽管存在这些挑战，但基于钢铁企业已做出的决策以及当前正在进行和规划中的众多项目来看，氢基还原似乎是最具前景的全面解决方案。由于氢气作为还原剂，实现无化石燃料的加热成为关键。如果成功实施，氢还原技术有望实现零CO₂排放的铁矿石生产。在钢铁工业中，目前提出了两种主要工艺路线，可利用铁矿石生产出无CO₂（或至少低CO₂）的钢材，从而避免还原过程中产生CO₂（图2）。①高品位矿（Fe＞66%）：首选的工艺路线是DRI+EAF替代BF+BOF。②低品位矿（Fe＜66%）：第二个工艺路线是DRI+电熔分炉（ESF）替代高炉，这种情况下，炼钢厂仍保留下游转炉工序。

DRI或热压块铁（HBI）可通过流化床（FB反应器）或竖炉生产，如图2所示。无论采用何种工艺路线和方式炼铁，旋转动力加热器技术可在全流程多环节实现脱碳。

将传统的碳基高炉还原法与氢气直接还原法进行比较时，工艺气体的产生、处理和利用方式存在显著差异。在氢气还原过程中，废气理论上由氢气和水蒸气的混合物组成，水分可被冷凝分离，相应量的氢气可加入气体中并循环回用于工艺过程。无论是还原过程本身还是制氢过程中，均不会产生多余气体供其他工序使用。

相比之下，通过高炉工艺生产钢铁时，焦炭也是必不可少的原料。因此，不仅会产生高炉煤气，还会产生焦炉煤气。这些气体在联合钢铁厂中被用作各种工艺的加热能源。高炉煤气包含CO和H₂等可燃成分，但其热值一般只有3-3.5MJ/Nm³。这一数值较低，尤其考虑到其产生CO₂的影响，即单位能量所产生的CO₂量。通常，高炉煤气中的约40%能量用于预热鼓风，其余部分则用于发电厂、焦化厂或其他工序。它常与其他气体（如焦炉煤气和转炉煤气）混合，以略微提高其热值。相反，焦炉煤气具有明显更高的热值，通常为16-18MJ/Nm³。焦炉煤气通常包含近55%-60%的H₂、约30%的CH₄和少量的CO。这种气体通常用于焦化厂自身加热、板坯加热、石灰窑加热、烧结加热、富氧高炉煤气和其他加热工艺。

由于上述原因，向氢气还原工艺的转型从根本上改变了钢铁厂的能量平衡，因此需要采用替代性加热能源和技术来取代工艺气体燃烧。旋转动力加热器提供了一种极具前景的解决方案，可利用可再生电力直接加热。该设备为各类工艺路线以及产业链中大多数需要高温的工序提供了无化石燃料的加热方案。例如，无论生产流程如何，耐火材料加热、原料预热、废钢预热、板坯再加热炉或热处理炉等环节均可适用。此外，旋转动力加热器还能实现石灰煅烧、球团烧结以及酸液再生等上游工序的脱碳。

旋转动力加热器不仅可替代燃烧器与燃烧气体，还能在许多情况下提高能源效率，因为它不会产生高温烟气，而这些烟气通过烟囱排放时会带走大量能量。旋转动力加热器仅需提供必要的额外热量，可将进入的高温气体加热至所需温度，且效率超过90%。此外，由于旋转动力加热器能够加热任何气体，因此可在当前工艺中发生氧化反应的应用场景中（如钢板、铸坯或中间产品的再加热和热处理炉）使用惰性气体作为加热介质。在仅能通过CCS来实现零碳排放的情况下，例如石灰煅烧工艺中，旋转动力加热器可以将CO₂用作加热介质，从而产生富含CO₂的废气。这种方法显著降低了CCS的投资和运行成本，因为需要处理的气体体积仅为燃烧器加热所产生的气体量的一小部分。旋转动力加热器还可作为DRI工艺中生产无化石燃料铁的工具。

无化石燃料炼钢生产中，绿氢还原铁矿石过程中不会产生二氧化碳，最终生成DRI。但该还原反应需要热能触发，同时也要弥补吸热反应消耗的能量。高效氢还原反应的最低温度需达到900-1000℃，因此整个工序必须持续供热。

用于生产DRI的氢基还原工艺至少分为两大类：竖炉工艺与流化床工艺。两种工艺均依靠在反应器外预热的还原气体提供反应所需能量。还原气体将热量传递至还原反应器内的原料，使物料升温，保障还原反应高效、稳定地进行。还原气体可采用直接加热或间接加热两种方式，可供选择的加热方案较多。在无化石燃料生产场景中，可用能源包含沼气、氢气、配套CCS技术的化石燃料以及电阻加热装置。但这类方案普遍存在建设成本、运营成本偏高，场地占用大、能源供给受限及技术落地难度大等问题。

旋转动力加热器可为还原气体加热提供高效解决方案，其电-热效率超过90%。此外，该设备依托气体内部物理能量转化原理，可对各类气体加热。加热器具体结构根据气体密度、热容等物性参数定制设计。设备进气温度可高于常温，能够实现工序内能源高效循环利用。旋转动力加热器可提供氢气还原氧化铁全过程所需热量，具体可采用图3中的直接加热与间接加热两种模式。

2.2采用旋转动力加热器预热电弧炉用废钢

在以废钢和部分DRI为原料的炼钢工艺中，电弧炉在整个生产流程中发挥着关键作用，但常常成为瓶颈。其主要功能是将废钢或DRI熔化成液态钢，以便进行后续的二次冶金与连铸。该过程通过电弧提供能量，而电弧因温度极高会产生强烈的热辐射。有效管理这种辐射至关重要，以确保其主要集中在钢的熔化上。其中一种方法就是使用泡沫渣：渣层泡沫覆盖电弧区域，从而有效吸收热辐射。然而，部分辐射仍会向水冷板和炉内衬等保护炉体的部件方向传播，导致工艺效率降低。考虑到电能转化为液态钢的比例，该工艺实现了约55%的高能源利用效率。

由于电弧炉工艺常成为生产瓶颈，任何能促进该工艺的措施都会直接影响整个生产链的产能和生产效率。通过在工艺前对原料进行预热，可提高工艺的生产能力，并降低实际生产过程中的能耗。采用无化石燃料且高效节能的旋转动力加热器技术即可实现这一目标。旋转动力加热器技术还能利用热空气和废气，使整体预热效率提升至60%-70%，高于电弧炉本身的效率。因此，在废钢装入电弧炉前使用旋转动力加热器进行预热，相比传统电弧炉工艺，可显著降低旋转动力加热器和电弧炉的总电力消耗，同时提升电弧炉的生产能力。此外，根据其他工艺产生的余热废气情况，还可采用其他加热方式对作为原料的回收钢进行预热。

2.3能源管理系统应用场景

能源管理系统（EMS）可帮助制造企业（包括钢铁企业）高效管理能源消耗，并在实现碳中和的过程中，基于数据对环境、财务及运营成本/效益进行权衡决策。EMS通常会监控水、空气、废气、电力和蒸汽等数据，这些数据统称为WAGES。EMS带来的部分优势包括：①能源效率与成本节约：降低能源支出；避免能源供需失衡、价格高峰以及采购处罚。②报告与合规性：符合ISO 50001标准要求；减少能源与可持续发展报告中的错误。③数据管理与决策支持：提升数据驱动的决策能力；节省整合能源数据所需的时间和人力。④环境影响追踪：减少碳排放；监控并优化用水量。

EMS软件通常包含三大核心功能：监控与报告、预测与规划、能源优化。

2.3.1监控与报告

EMS最基本的功能是通过一系列控制面板显示和报告，对能源与环境数据进行监控和汇报。例如，控制面板可展示能源消耗、成本、二氧化碳排放当量以及平均单位能耗等能源绩效指标的汇总数据。此类控制面板可用于比较实际性能与目标之间的差距，识别主要耗能设备，并跟踪绿色能源的使用比例。

EMS还可以显示：①能源时间线：按选定的能源类型展示能源使用性能，并将当前表现与历史数据进行可视化对比。②能源流向图：以桑基图形式展示不同工艺区域的能源消耗情况。③报警信息：通过基于规则和统计偏差的预警，识别异常能耗表现。④备注功能：允许用户撰写并共享备注，为能源消耗数据提供背景信息，例如观察记录、报警说明、改进建议或已采取的措施。⑤报表：能源和排放性能指标以及自定义时间序列报告。

2.3.2预测与规划

先进的EMS还具备预测整个工厂及其各工艺区域能源消耗的能力。通常，能源预测基于工厂的生产计划、设备运行状态以及维护周期进行计算。预测可按15min、30min和/或60min的频率生成，以符合当地采购规则。在缺乏生产计划，或现有生产计划不够详细而无法准确关联工艺参数与能耗模式的情况下，可采用时间序列机器学习方法，根据历史能耗数据及其他的关键工艺参数来预测能耗。这些能耗计划将作为能源采购规划的基础，通常发送给能源供应商/代理人或企业内部的采购团队。多个设施的能耗计划还可进行汇总，形成覆盖全公司的采购策略。

2.3.3能源优化

先进EMS可用于优化能源需求和/或能源供应，以最小化总能源成本和/或总排放量。

为降低需求侧的能源成本，EMS会建议在能源价格较低时段安排生产进度方案，或避免超出合同规定的用电/用能限额。在管理能源供应方面，当工厂可接入多种能源来源（如电网、现场发电、储能系统等）时，EMS会推荐最优的能源组合，以最低的总体成本满足负荷需求。

操作人员可将EMS作为制定生产计划和设定控制参数的顾问工具。能源消耗预测将根据优化结果进行更新，使能源采购部门能够利用这些信息，在接下来的周期内采购最合适的电量。

典型案例1：EMS通过更精确的负荷预测为欧洲钢铁企业节省了成本

一家欧洲钢铁企业因电弧炉导致电力消耗量较高。在熔炼周期内，电耗在零和最大功率之间剧烈波动。当用电负荷曲线预测不准确时，电力供应商将产生额外费用，这些费用随后以高峰电价罚金的形式转嫁给用户。为此，该钢铁企业引入了EMS，利用炼钢厂和热轧厂的生产计划计算出相应的能耗曲线。钢厂操作人员可通过连接线监控显示屏来监测自身消耗情况，一旦发现偏离预测，可能导致罚款的情况，系统会自动发出警报。EMS系统随后将能源成本分配给各生产部门，并对未按预期耗电的用户分摊罚金。这一策略促使各生产部门更加积极地参与并承担起公司能源战略的责任，最终使公司整体能源成本降低了2%-5%。

典型案例2：欧洲钢铁厂使用EMS优化气体副产品

许多钢铁厂都有发电厂，其锅炉使用多种燃料，包括来自高炉、焦炉和转炉的煤气副产品。这些能源与从电网购买的电力相平衡，以满足整个工厂的需求，如果钢铁企业能够准确预测这种电力需求，它可以较低的价格购电。这家欧洲钢铁企业在其一家钢厂实施了EMS，以优化能源采购、蒸汽产量和煤气副产品的消耗，从而优化整个钢厂炼钢过程的能源消耗。EMS模拟并可视化了整个工厂的能量流，这是一个复杂的气体网络，包括各种气体、混合气体和储存容器。然后，它计算出生产用户和电厂锅炉的最优气体副产品分配计划。这种优化确保了100%的气体副产品的可利用性，同时最大限度地减少了无效燃烧（即碳排放更少)。这就潜在减少了50%的无效燃烧,可为工厂每年节省200-500万美元的能源成本。

2.4能源管理系统与旋转动力加热器集成

当EMS与旋转动力加热器一起使用时，可以进一步提高旋转动力加热器的能效和脱碳效果。典型应用场景包括：①监测旋转动力加热器能耗，验证是否达成节能目标；②跟踪旋转动力加热器全生命周期能效，评估其健康状态与维护需求；③将旋转动力加热器能耗纳入日前采购预测；④编制旋转动力加热器在低能源价格和/或高可再生能源利用率下的运行计划；⑤气体副产品与电力协同供热给旋转动力加热器。气体副产品可以预热旋转动力加热器，以便降低电力需求；反之，当气体副产品不足时，可以增加使用电力。