冶金工业是典型的高能耗、高排放流程工业，其能源消耗约占全国工业总能耗的15%以上。在“双碳”目标与高质量发展的双重驱动下，如何高效利用能源、减少排放成为行业核心挑战。热力工程，作为研究热能转换、传递与利用的学科，正通过一系列创新技术，从源、网、用多个环节重塑冶金工业的能源利用模式，成为提升能效与环保水平的关键支点。
一、热源优化与清洁替代：从源头降耗减碳
热力工程的节能始于热源的选择与优化。传统冶金炉窑多依赖煤炭，热效率与环保压力并存。当前，热源优化呈现两大趋势：
1.清洁能源与燃料替代：积极推进天然气、氢气等清洁燃料以及太阳能、生物质能等可再生能源的利用，从源头减少碳排放。虽然化石能源在短期内仍占主导，但清洁能源的“可再生性”与“环保性”使其成为长远替代的重要方向。
2.高效燃烧技术创新：例如多孔介质燃烧技术，其原理是燃烧产生的热量通过高温固体辐射和对流传输，并借助多孔介质材料的导热和辐射预热气体，同时回收高温烟气余热。实际应用效果显著，如在某硅钢涂层干燥炉改造项目中，采用该技术后，机组加热效率提升10%，天然气消耗降低40立方米/小时，折合年节约标准煤372吨，减排CO₂ 1031吨。这体现了通过改进燃烧方式本身来提升热利用效率的巨大潜力。
二、过程节能与热工管控：精细化“管”热
在热能使用过程中，热力工程通过精细化管理与工艺优化，最大化热能的有效利用。
强化冶金炉热平衡管理：冶金炉的热平衡指供热量等于被加热物吸热量与热损失总和。通过绘制热能流向图，可以清晰识别主要热损失项，如炉气带走的热量（通常占总热损失的20%-50%）和冷却水带走的热量。提升热效率（有效热占比）是核心目标，例如，通过采用汽化冷却和绝热包扎技术，可将加热炉冷却水带走的热损失从15%-30%降至6%左右。目前，先进的连续加热炉热效率最高可达50%-60%。
工艺参数优化与智能控制：例如，在轧钢工序，通过优化法研究最合适的钢坯加热温度，在降低加热炉燃耗与增加轧机电耗之间寻求系统最优解。转炉冶炼则可通过智能控制系统，根据吹炼、装出料等不同阶段，动态调节风机转速，在满足工艺要求的同时实现电机系统节能。缩短钢锭传搁时间也能有效利用其显热，数据表明，传搁时间每延长1小时，均热炉燃料单耗约增加30×10³千焦/吨。
三、余热回收与梯级利用：变“废”为宝
回收利用生产过程中产生的大量中低温余热，是热力工程提升冶金工业能效最直接、最有效的途径之一。
技术原理与路径：工业余热梯级综合利用技术是关键，它结合工艺用能需求，综合考虑余热源头减量、高效回收、梯级利用，目标是将排烟温度降至150℃以内，并以热、电、冷、储等多种形式利用余热。这超越了简单的热回收，实现了能量的品位对口、梯级利用。
成功案例与效益：
中高温余热发电：在宝钢股份硅钢部3环形炉节能改造中，增设汽水两用冷凝式余热回收锅炉，回收废气显热与冷凝潜热，每小时可产生0.6兆帕饱和蒸汽2吨，年节约标准煤2015吨，减排CO₂ 5587吨。
荒煤气显热回收：采用上升管水换热器，通过与高温荒煤气间接换热，将除氧水转化为蒸汽，有效回收了焦炉荒煤气的显热。
系统化回收：还包括干熄焦回收红焦80%的显热、烧结余热梯级利用实现吨矿发电30度、以及高炉煤气余压发电（TRT）装置将煤气压力能转化效率提升至86%-91%等。这些技术共同构建了冶金工业的余热资源化体系。
四、政策、标准与系统集成：构建可持续生态
技术的落地与推广离不开政策引导和标准约束。
政策驱动与结构节能：国家通过制定明确的能源效率提升目标与行动计划，引导行业转型升级。《国家工业节能技术应用指南与案例》等文件则对先进技术进行推广。更深层次的“结构节能”通过优化生产流程实现，如发展连铸、提高高炉喷煤比、推进轧钢工序连续化等，都能产生重大节能效果。
标准约束与标杆引领：严格的能耗限额标准是硬约束，例如，新建电解铝项目单位产品交流电耗不得高于13600 kWh/t，冶金焦炭单位产品能耗限额限定值须控制在155 kgce/t以内。这些标准倒逼企业采用更高效的热力工程技术。
系统化能效提升：最终的节能成效来自于全流程系统集成。基于热力学第一定律（能量守恒）的热平衡分析已带来显著效益，而要实现更高水平的节能，则需进一步应用基于热力学第二定律的㶲分析，追求能源的“质”与“量”的统一利用。推动装备大型化、现代化，有助于缩小企业间的能效差距，为应用先进的节能与余热利用技术创造条件。
热力工程技术对冶金工业的赋能是全方位的。它并非单一技术的应用，而是一个从源头清洁化、过程精细化、废热资源化到管理系统化的完整技术体系。在国家“双碳”战略的指引下，持续创新并深度融合热力工程技术，是冶金工业突破能源环境约束、实现绿色低碳高质量发展的必由之路。未来，随着智能化、数字化与热力工程的进一步结合，冶金工业的能效极限还将被不断刷新。
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