日本鋼鐵業在克服石油危機、原料漲價的歷程中取得了節約能源的顯著成績。但是，零排放、減輕地球環境負荷等社會要求日益高漲，為取得比過去更好的節能效果，就必須開展新思路節能技術和熱流體技術方面的中長期課題研究。
節能技術的現狀
日本鋼鐵業從很早就開始了節能工作，2023年鋼鐵技術共同研究會開展了熱經濟技術專業會的活動。當時引進了外國的熱計量技術並推進熱計算標準化的工作，通過「熱管理」的實施，鋼鐵業的「熱經濟有了快速發展」，這是鋼鐵業節能工作的第一步。2023年發生石油危機，日本開展了鋼鐵生產實際能耗分析和對策、鋼鐵聯合企業節能系統考察、開發最小能耗加熱爐等項工作，同時對高爐煤氣餘壓發電（trt）和幹熄焦裝置（cdq）等大型節能裝備進行投資建設。
石油危機以後，粗鋼產量經過高峰期，裝置能力過剩的問題從2023年開始持續了10年，在這期間推進了以降低生產成本為目的的節能技術。2023年以後，地球環境問題引發出進一步節能的要求，出現了新的節能技術。
經歷了上述的歷史變化過程，日本鋼鐵業從煉鐵、煉鋼等上游工序到軋鋼、表面處理等下游工序全面實施節能措施（見圖1），節能效果達到世界最高水平（見圖2），2023年噸鋼能耗比2023年下降了20%。在此基礎上，日本鋼鐵業自主行動計畫提出了2023年噸鋼能耗比2023年下降10%的目標。
2.1 高爐煤氣餘壓發電（trt）
高爐爐頂散放出來的高爐煤氣壓力高達0.2mpa。利用這個壓力驅動透平膨脹機進行發電就是高爐煤氣餘壓發電（trt）。
trt技術是20世紀60年代歐洲、前蘇聯研究成功的技術，2023年前蘇聯的trt1號機投入運轉。2023年日本開始引進trt技術並在2023年前後迅速推廣應用。目前日本各個大型高爐都配置了trt，發電能力從6mw到15mw以上。
2.2 幹熄焦技術（cdq）
煉焦生產能耗很大，主要的放熱有焦炭顯熱、焦爐煤氣顯熱、焦爐燃燒廢氣放熱和焦爐爐體散熱（見圖3）。過去利用噴水的辦法將從焦爐推出的熾熱焦炭冷卻（濕式熄焦），幹熄焦技術是將熾熱焦炭顯熱以高壓蒸汽形式進行**。幹熄焦技術開發成功以後就成為煉焦生產普遍採用的熄焦技術。
近年來已經出現了蒸汽產量超過200t/h的大型cdq裝置（見圖4）。
2.3 蓄熱式燒嘴加熱系統
極限熱**和低nox排放曾是加熱系統中兩個互相矛盾的能耗和環境問題，而蓄熱式燒嘴加熱系統是同時成功解決這兩個問題的節能加熱技術。蓄熱式燒嘴加熱系統是在日本國家專案「高效能工業爐技術開發（1993~2023年）」中研究開發成功的。過去，在加熱爐節能方面採取兩類措施，一種是將輻射式熱交換變更為對流式熱交換，強化爐體密封絕熱，爐壁陶瓷纖維化等硬體改進措施；另一種是爐壓、空氣比最佳化控制、防止過加熱等提高操作方法的措施。
這些措施的實施提高了燃料利用率，但難以進一步節能。
環境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統利用與燒嘴相連的熱交換器將燃燒用空氣預熱到接近爐溫的溫度，從而使連續式大型加熱爐實現了大幅度節能。蓄熱式燒嘴加熱爐的熱**方法是利用燒嘴熱交換器中的蓄熱體在加熱爐廢氣和燃燒用空氣之間進行熱交換（見圖5）。採用傳統燒嘴時，當空氣預熱溫度超過1200k，加熱爐廢氣中的氮氧化物濃度會急劇增加。
由於受到排放標準的限制，所以空氣預熱溫度不能超過1200k。採用環境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統，將1500k以上的高溫預熱空氣和燃料在爐內一面稀釋一面緩慢發生反應，大大降低了nox的濃度。該系統可以節能30%、降低nox濃度50%。
環境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統利用成對蓄熱式燒嘴工作，乙個燒嘴起到排煙口的作用，爐內氣體被抽進蓄熱體傳熱（蓄熱過程）時，另乙個燒嘴通過蓄熱體對燃燒用空氣進行預熱（放熱過程），通過兩個燒嘴切換工作（交替燃燒）可以提高空氣預熱溫度。近年來，由於有日本**補貼資金的支援，環境友好型蓄熱式燒嘴加熱系統的應用快速增加，日本鋼鐵業採用該技術的加熱爐已經超過1000座。
2.4 其他節能技術
除了上述節能技術外，焦爐和轉爐廢氣**、燒結礦廢熱**、轉爐廢熱鍋爐、鋼坯熱裝熱送（hcg）、直接軋制等也是效果顯著的節能技術。這些技術也已經被日本鋼鐵企業應用。
有報告指出，在對世界鋼鐵採用最高效節能減排技術的條件下比較各國co2減排潛力時，由於日本鋼鐵的能源利用效率最高，所以co2減排的潛力最小。日本已經採用了煤氣**等大型節能裝置，但是從世界範圍來看，這些技術尚未被普遍採用，目前，日本的先進節能技術正在向中國、印度等國家推廣使用。
3 極限節能
以熱力學熵的概念衡量，目前鋼鐵生產的能源效率約為60%，尚有40%未能有效利用。以下首先論述有效能分析方法對有效熱源進行分析，並說明有效熱源的利用方法，然後進一步論述能量逐級利用方法以及今後節能技術的發展方向。
3.1 有效能評價及今後節能技術的發展方向
3.1.1用有效能評價能源利用狀況
熱力學的基本定律有「熱力學第一定律——能量守恆定律」和「熱力學第二定律——熵增加定律（有效能減少定律）」，這兩個定律是能量使用的重要評價原則。熱力學第一定律指出，乙個系統的能量變化等於從外界獲取的能量。在進行加熱爐操作中的熱平衡管理時，第一定律是熱力學評價的基礎，是必不可缺的法則。
用熱平衡方法評價製品顯熱和各種熱量損失，就可以明確該工藝熱能的有效利用程度，就可以採取相應的減少熱損失的措施。
另一方面，第二定律對於能量的有效利用是乙個重要的法則，必須對全工藝有效能的減少量進行估算並對工藝本身進行評價。例如，鍋爐的大部分有效能損失是水和燃燒氣體進行熱交換產生的，從高溫燃燒氣體生成低溫蒸汽這種大溫差變化工藝的有效能損失是很大的。因此，將各種熱能利用方法組合起來，使能量損失控制在最小限度的能量逐級利用方法，在近年來受到大力提倡。
燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的組合、利用預熱改質甲烷進行化學能轉換等能量逐級有效利用的例項正在增加。此外，目前正在大力開發的燃料電池可以直接將化學有效能轉換為電能，在這個過程中不經過熱能形態，因此不受卡諾迴圈效率的制約，使有效能損失受到抑制。今後開發、應用燃料電池這種能量轉換工藝將會越來越重要。
，這些工藝已經作為日本國家級專案正在推進。鋼鐵業要處理超過1700k高溫的燃燒廢氣和鐵水、鋼水，所以是各種產業中使用最高溫度能量的產業，處於能量逐級有效利用的重要位置，必須探索鋼鐵業高效率的能量利用方法。
3.1.2煉鐵工藝有效能評價
圖6是按溫度高低對煉鐵廠各種散熱進行整理的結果。熱焓損失評價結果是低溫冷卻水的焓損失最大，其次是爐體散熱、製品顯熱、燒結礦顯熱、高爐爐渣顯熱等未**廢熱。有效能損失評價結果是高溫高爐渣顯熱、燒結礦顯熱、製品顯熱等未**，有效能損失最大。
也就是說，溫度低的冷卻水等方面的總能量損失大，但由於是低階能量，目前**有困難。另一方面，高溫爐渣顯熱具有很大的有效能，由於目前尚無固體顯熱的有效**方法，這些有效能也沒有得到**。
3.1.3 根據有效能評價得出的節能課題
高爐渣和轉爐渣的溫度高達1700~1800k，因此能量很大，而且具有很高的有效能。並且，爐渣中還有與熱有效能相同的化學有效能，因此，不僅要考慮爐渣的熱**問題，還要考慮爐渣化學有效能的利用問題。所以，不僅要研究爐渣在鋼鐵業的應用，還要與其他產業相結合研究在更大範圍內對爐渣進行利用的問題。
目前高爐爐渣已經用於水泥原料和路基材料等鋼鐵業以外的領域。但是，現實情況是，由於在製造風冷渣或水冷渣時有乙個急冷過程，所以熱能的利用並不完全。此外，到目前為止爐渣等固體顯熱的**尚無進展，其原因是與液體或氣體顯熱相比，固體顯熱的**比較困難，還沒有建立有效的**方法。
由於蓄熱室高效化和蓄熱式燒嘴的應用，加熱爐、熱處理爐的燃燒氣體廢熱已經實現了高水平的**，但是，最後還是存在300~500k的中低溫廢熱排放。假設用某種方法將這種中低溫度廢熱**，得到的也只是低溫過熱蒸汽或低溫飽和蒸汽。另一方面，用現有廢熱**方法已滿足了煉鐵廠內對蒸汽的需求，因此鋼鐵廠不再需要蒸汽**。
如有可能，最好將中低溫廢熱用於發電，生產附加值高的電力，但由於發電效率很低，所以從經濟性考慮也很難實用化。此外，燒結廢氣的溫度更低，只有400k左右，但是這種廢氣中含有未燃燒的co，所以具有化學有效能，對這種co潛熱的**是利用有效能的乙個重要方面。
冷卻水的排熱量很大，所以熱焓被大量排出，但由於冷卻水的溫度較低，有效能小，是低階能量。冷卻裝置用低溫的水來冷卻高溫物質，不可逆的熱損失很大，這類裝置是廢熱不能得到完全有效利用的典型裝置。今後需要開拓視野，研究將這種低階廢熱用於其他領域或民生方面的技術。
3.2 煉鐵工藝極限節能技術
利用有效能評價方法已經看到了煉鐵工藝今後廢熱利用（廢熱種類和溫度範圍）的總體研究方向。為進一步利用煉鐵工藝中尚未被利用的能量，目前正在進行研究的課題列於表1。該表中也包括了以前進行了初步研究的節能技術，但為實現極限節能目標，必須進一步開發新節能技術和提高裝置功能。
表1 鋼鐵科學技術戰略性課題（煉鐵工藝極限節能）
3.3 course50節能技術的開發
course50是進一步削減co2排放的「環境友好型煉鐵技術開發」專案，該專案開發的技術是從鐵礦石入手的根本性co2減排技術，技術內容是利用氫還原鐵礦石和將鐵礦石還原時產生的co2分離**進行無害化處理。其中特別要研究的技術是利用煉鐵廠內的廢熱生產co2分離**所需的蒸汽和電力。在course50專案中，對煉鐵廠尚未利用的廢熱進行**的技術有以下四項需要開發：
1）爐渣顯熱**技術開發；2）混合介質迴圈發電技術開發；3）pcm（潛熱蓄熱材）利用技術的開發；4）熱幫浦利用技術的開發。
3.4 主要的廢熱利用技術
3.4.1爐渣顯熱**技術
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