（钢铁冶金专业论文）钢铁生产工序能耗模型及工艺数据库的研究与开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文阐述了钢铁生产工序能耗模型及工艺数据库的研究与开发。该模型可用 于估算工序能耗先进值和最小值，在输入现场生产参数后，也可以进行实际工序 能耗的计算。同时，运用该模型得到的部分结果被纳入了上海大学开发的钢铁冶 金特色数据库所属工艺数据子库中。 在总结国内外钢铁能耗模型研究现状和优缺点的基础上，本文尝试建立一套 基于理论机理并运用部分经验参数的混合能耗模型，即以物料平衡、能量平衡、 工艺设计公式和统计数据为基础，建立了钢铁生产中包括烧结、焦化、高炉炼铁、 转炉炼钢、电弧炉炼钢、连铸、热轧、冷轧等主要工序的能耗模型。模型中参数 分成两类：一类是物理化学参数，从相关手册和文献查询获得。另一类是工艺参 数，这些参数通常由实际生产情况确定，可以根据不同的生产条件加以改变。模 型中考虑了各项节能技术对能耗的影响。此外，还分析了各工序中不同的工艺参 数，尤其是其中反映节能技术的参数的变化对工序能耗的影响。 利用该模型所计算的工序能耗的组合，本文推算了国内主要钢铁生产流程 ( 长流程、短流程、混合流程) 的总能耗情况，并分析各工序能耗在总能耗中所 占比例。 本文最后介绍上海大学钢铁冶金数据库的主体框架，叙述工艺数据库的组成 部分、钢铁工业生产技术经济统计指标数据库的主要内容及特色，着重阐述在原 工序能耗数学模型的基础上建立起来的工序能耗数据库的设计思想和建模方式， 并提供工序能耗数据库的使用方法和效果展示。 关键词：工序能耗模型数据库流程 节能 v ：兰堂奎兰堡主堂篁堡塞 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p r o c e s se n e r g y c o n s u m p t i o na n dt e c h n o l o g yd a t a b a s ef o ri r o na n ds t e e lp r o d u c t i o n t h em o d e lw a sa b l et ob e u s e dt oe s t i m a t et h ea d v a n c e do rm i n i m u mv a l u eo f p r o c e s se n e r g y c o n s u m p t i o n a f t e ri n p u t t i n g p a r a m e t e r sf r o ma c t u a lp r o d u c e ，t h ea c t u a lp r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o nm a ya l s ob ec a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，s o m er e s u l t sc a l c u l a t e df r o mt h em o d e lw e r ei n t r o d u c e dt ot h es u b d a t a b a s eo f t e c h n o l o g yw i t h i nc h a r a c t e r i s t i cm e t a l l u r g i c a ld a t a b a s ed e v e l o p e di ns h a n g h a iu n i v e r s i t y o nt h eb a s i so fs u m m a r yo ft h es t a t u sa n df e a t u r e so fe n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l sf o ri r o n a n ds t e e lp r o d u c t i o nd e v e l o p e da th o m ea n da b r o a d ，am i x e dm o d e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o nw a s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a lm e c h a n i s ma n dc o m b i n e ds o m ee x p e r i e n t i a lp a r a m e t e r s t h e e n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l ，w h i c hi n c l u d e dm a j o rp r o c e d u r e ss u c ha ss i n t e r i n g ，c o k i n g ，b f i r o n m a l d n g ，b o fs t e e l m a k i n g ，e a fs t e e l m a k i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，h e a t i n gr o l l i n ga n dc o l d r o l l i n g ，w a sf o u n d e db a s e do nm a t e r i a lb a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c e ，p r o c e s sd e s i g nm o d e l sa n d s t a t i s t i c a ld a t a p a r a m e t e r si nt h em o d e lw e r ed i v i d e di n t ot w ok i n d so f g r o u p ：o n eg r o u pi n c l u d e d p h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r so b t a i n e df r o mr e l e v a n tm a n u a l sa n dl i t e r a t u r e i nt h eo t h e rw e r c p r o c e s sp a r a m e t e r sf r o ma c t u a lp r o d u c t i o ns i t u a t i o na n dw e r ea b l et ob ec h a n g e dn md i f f e r e n t p r o d u c t i o nc o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c eo fe n e r g y - s a v i n gt e c h n i q u e so ne n e r g yc o n s u m p t i o nw a s t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r si ne a c hp r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h e p a r a m e t e r sr e f l e c t i n gt h ee n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e sw a sa l s oa n a l y z e d u s i n gt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tp r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n sc a l c u l a t e df r o mt h em o d e l ， t h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nm a j o rd o m e s t i ci r o na n ds t e e lp r o d u c t i o nf l o w s ( a f l dp r o c e s s ， m i n i 。s t e e lp r o c e s sa n dm i xp r o c e s s ) w a sr e c k o n e da n dt h ep e r c e n t a g e so fe a c hp r o c e s se n e r g y c o n s u m p t i o ni nt h et o t a lw e r ea n a l y z e d t h em a i nf r a m e w o r ko ft h em e t a l l u r g yd a t a b a s ew a si n t r o d u c e di nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r c o m p o n e n t so ft e c h n o l o g yd a t a b a s e ，m a i nc o n t e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee c o n o m i ca n d t e c h n o l o g i cs t a t i s t i c a li n d e x e sd a t a b a s ef o ri r o na n ds t e e li n d u s t r yw e r ee x p a t i a t e d t h ed e s i g na n d m o d e l i n gm e t h o d so fp r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o nd a t a b a s ee s t a b l i s h e do nt h em a t h e m a t i c a l m o d e lw e r ee m p h a s i z e d t h ea p p l y i n go p e r a t i o na n de f f e c to ft h ep r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n d a t a b a s ew e r es h o w ni nt h ep a p e ra sw e l l k e y w o r d s ：p r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n m o d e l d a t a b a s ef l o w e n e 唱ys a v i n g v t 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈扭磊 日期： ：塑2 = 生缉 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：塑 ：丝丝 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外钢铁企业工序能耗历史变化与现状 1 1 1 我国钢铁工业能耗比例的变化 在1 9 8 0 2 0 0 6 年的2 7 年中，我国钢铁工业综合性能耗指标发生了巨大的变 化。如图1 1 、图1 2 所示，在1 9 8 0 1 9 9 9 年间，钢铁工业的吨钢综合能耗( 全 行业平均) 从2 0 4 0 t 标煤t 降为1 2 4 0 t 标煤t ，下降率为3 9 2 2 ；大中型钢铁生产 企业的吨钢综合能耗从1 6 4 6 t 标煤t 降到0 9 5 8 t 标煤，t ，下降率为4 1 8 0 ( 1 9 9 5 年以前数据，取原重点企业和地方骨干企业吨钢综合能耗的加权值) ；大中型钢 铁生产企业的吨钢可比能耗，从1 2 8 5 t 标煤t 降到0 8 3 3 t 标煤t ，下降率为 3 5 。1 8 蚶“。而在2 0 0 0 年2 0 0 6 年中，全国7 3 家重点企业的能耗显著下降，吨 钢综合能耗下降了2 8 8 9 ，吨钢可比能耗下降了2 0 2 3 。由此可见，我国钢铁 生产企业能耗在这二十多年中得到了显著的改善。 毛 重 妊 提 器 莒 1 9 8 01 9 8 21 9 8 41 9 8 61 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 8 年份 嘲钢铁工业吨钢综合能耗+ 大中型企业吨钢可比能耗+ 大中型企业吨钢综合能 图1 - 1我国钢铁工业1 9 8 0 年1 9 9 9 年综合性能耗指标的变化 1 2 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ，9 8 2 1 1 1 ，1 1 1 1 1 o o 上海大学硕士学位论文 芝 曼 囊 垂 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 o 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 02 0 0 1 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 图1 2 2 0 0 0 年2 0 0 6 年全国重点企业能耗指标 吨钢能耗指标的显著下降包含着钢铁企业工序能耗的下降。1 9 8 0 2 0 0 6 年 上半年间我国钢铁工业各工序能耗数据列于表1 1 【”。由表1 1 可见，钢铁生产 各道工序的平均工序能耗普遍下降。其中，电弧炉炼钢工序能耗下降最大，而转 炉炼钢工序能耗下降幅度最大。 图l - 3 给出了1 9 8 0 年至2 0 0 5 年期间，我国国内生产总值( g d p ) 年均增长 率和我国钢铁行业能源消耗年均增长率。由图可见，尽管在1 9 9 5 年以前，我国 g d p 年均增长率达到两位数，但相应的钢铁行业的能源消费量年均增长不超过 5 ，远低于同期经济增长速度。冶金部门作为高耗能部门，占全国总能耗的1 0 左右，企业能耗的下降有效促进了我国能源利用率的提高和单位g d p 能耗的不 断下降。每万元g d p 的能耗从1 9 8 0 年的4 2 8 吨标准煤下降到了2 0 0 0 年的1 4 5 吨标准煤：相应地，每吨标准煤所创造的g d p ，也由1 9 8 0 年的2 3 3 5 元提高到 2 0 0 0 年的6 8 8 0 元。 但是，近年来形势不容乐观。在过去的十年中，g d p 增长率放缓至1 0 以 内，能源消费增长率却在2 0 0 0 年后呈两位数增长。对照我国2 0 1 0 年目标，“我 国消耗每吨能源、铁矿石、有色金属、非金属矿等十五种重要资源产出的g d p 比2 0 0 3 年提高2 5 左右；每万元g d p 能耗下降1 8 以上”【2 l o 国家统计局发 布的 2 0 0 6 年国民经济和社会发展统计公报显示，2 0 0 6 年万元国内生产总值 ( g d p ) 能源消耗比上年下降了1 2 3 ，为1 2 1 吨标准煤，但未完成年初预定 下降4 的目标。污染排放不仅未能实现减排2 的目标，反而有所上升，全年 2 上海大学硕士学位论文 全国化学需氧量( c o d ) 排放总量1 4 3 1 万吨，比上年增长1 2 ；二氧化硫( s0 2 ) 排放总量2 5 9 4 万吨，比上年增长1 8 。在我国的整体能源和资源形势十分严峻 的情况下，作为能源和资源高消耗行业的钢铁工业来说，节能降耗的使命任重而 道远。 表1 - 11 9 8 0 2 0 0 6 上半年我国钢铁工业各生产工序平均工序能耗的变化 单位：k g 标煤t ( 产品) 3 上海大学硕士学位论文 3 0 0 0 2 5 o o 霉2 0 0 0 壁1 5 0 0 磐1 0 0 0 5 0 0 o 0 0 1 9 8 0 1 9 8 51 9 8 6 1 9 9 01 9 9 1 1 9 9 5 1 9 9 6 2 0 0 02 0 0 1 2 0 0 5 9 0 3 图1 - 3全国g d p 与钢铁行业能源消耗量年均增长率历年变化 1 1 2 国内外钢铁工业节能降耗的差距和潜力 在过去的2 0 多年中，我国钢铁企业在节能降耗方面总体取得了长足的进步。 以宝钢为代表的中国钢铁企业，各工序能耗指标已接近或超过国际先进水平。图 1 4 给出了2 0 0 4 年宝钢和日本钢铁工业工序能耗指标的比较【3 1 。在烧结、转炉炼 钢和轧钢工序方面，宝钢仍存在着一定的节能空间。表1 2 则反映出国内节能先 进企业在转炉工序上需要作进一步的努力【4 】。根据表1 3 ，从吨钢能耗总体指标 来看，我国大中型钢铁企业吨钢可比能耗在2 0 0 6 年超过了英、美、法等国1 9 9 9 年的能耗先进水平，但与德国1 9 9 9 年的能耗先进水平相比存在一定差距。此外， 国内各钢铁公司之间能耗指标如表1 - 4 所示，我国各钢铁公司的能耗水平差距甚 大，存在差距就意味着我国钢铁企业具有相当大的节能空间。 匝垂翊 图1 - 4 宝钢与日本工序能耗比较( 2 0 0 4 年) 单位：k g 标煤t ( 产品) 4 伽枷渤喜|珊瑚啪啪的。哪 p囊_ 上海大学硕士学位论文 表1 - 22 0 0 5 年全国重点钢铁企业平均工序能耗、 最低工序能耗与1 9 9 9 年国际先进水平比较 单位：k g 标煤t ( 产品) 表1 - 3 国内大型企业能耗指标( 2 0 0 6 ) 与国际先进水平( 1 9 9 9 ) 比较单位：k g 标煤t ( 产品) 工序 薯黧毳詈黧毳 烧结 焦化炼铁转炉 电炉 轧钢 1 1 3 吨钢可比能耗数学模型研究的必要性 近年来，中国钢铁工业处于高速增长阶段，全国钢产量的年均增长均在2 5 ， 2 0 0 6 年全国产钢3 9 亿吨，全国重点钢铁钢铁企业能耗的增长量仅为8 8 左右， 这说明了钢铁工业节能工作取得了很大的成绩。但由于钢产量的高速增长，钢铁 工业总能源消费量占全国能源消费总量的比例也由2 0 0 0 年的1 0 左右升高到 2 0 0 5 年1 5 1 8 。 钢铁企业为实现可持续化生产，在目前日益枯竭的能源资源提条件下，必须 采取措施实现节能降耗。我国2 0 0 5 年7 月颁布的钢铁产业发展策略中提到： “按照可持续发展和循环经济理念，提高环境保护和资源综合利用水平，节能降 耗。”，“2 0 0 5 年，全行业吨钢综合能耗降到o 7 6 吨标煤、吨钢可比能耗o 7 0 吨 标煤、吨钢耗新水1 2 吨以下；2 0 1 0 年分别降到o 7 3 吨标煤、0 6 8 5 吨标煤、8 吨以下；2 0 2 0 年分别降到o 7 吨标煤、0 6 4 吨标煤、6 吨以下。” 目前，我国钢铁企业总的装备结构、产品结构、管理水平等方面差异很大。 根据能耗指标定义，采用新的更具有可比性的能耗指标对钢铁企业能耗情况进行 比较成为一种新的需求。 5 上海大学硕士学位论文 为了减少能耗，钢铁企业采用了各项节能措施，包括管理节能、技术节能和 结构节能。技术节能就是采用先进的技术装备和工艺，实现节能。铁、焦、烧、 钢、轧等工序均有一批节能技术、工艺、装备。在采用这些技术节能措施后，企 业的吨钢能耗可降低到什么程度，这是钢铁企业关注的问题。吨钢可比能耗数学 模型具有重大的现实意义，该模型可以使企业了解采用各种节能技术后的节能效 果，分析各节能技术的优劣和单项节能技术的作用大小，从而作为估计各工序节 能潜力和制定节能目标的理论依据。 1 2 主要能耗指标的定义和换算 1 2 1 工序能耗定义 工序能耗是指钢铁工业各工序生产一吨合格产品直接消耗的能源量，能源消 耗总量必须是将各种能源按规定的计算方法分别折算为统一标准单位( k g 标煤t 合格产品) 后的总和“1 。计算公式如下： 工序能耗= 些塑掣箫需嚣坐 特别需要指出的是焦化工序能耗在计算过程中需要计入原料和产品的能耗， 计算公式如下。1 ： 蹦潞型塑型雩篙器笋幽 计算说明： 1 ) 公式中的分予即为焦化工序净耗能总量； 2 ) 原料煤为装入焦炉的干洗精煤量； 3 ) 焦化产品外供量是指供外厂( 车间) 的焦炭、焦炉煤气、粗焦油、粗苯等 数量： 4 ) 加工能耗是指高炉煤气、水、电、蒸汽、压缩空气； 5 ) 余热回收外供量，如供应外工厂( 车间) 的蒸汽数量等。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 2 盹钢综合能耗定义 吨钢综合能耗是钢铁企业全部自耗能源与同期粗钢产量之比，按下式计算 5 】：计算公式为( 单位：k g 标煤t 钢) ： 吨钢综合能耗= 垒些旦蔫囊嚣笋 式中，企业自耗能源包括统计报告期内生产直接消耗的各种能源及其辅助生 产系统实际消耗的各种能源，即企业自耗的全部能源量，其计算公式为： 企业自耗能源量= 企业购入能源量+ ( 一) 库存能源减( 增) 量一企业外销能源量 式中，企业外销能源量是指企业向外销售的购入能源、企业二次能源、下脚 燃料及余热等。驻厂施工单位、独立核算的非工业生产单位和厂区( 车间) 以外的 生活能耗，凡有据可查的部分均可作为外销能源处理。 此外，还可以采用陆钟武等人提出的e p 方法对吨钢综合能耗进行计算”1 ： l 黼- = ( e t p l 十e 2 p 2 十e 3 p 3 十十e 7 p 矿j + k 十q ) p 式中：l * 台一统计期内企业的吨钢综合能耗； e l ，e 2 ，e 3 ，e 4 ，。5 ，e 6 ，e 厂一为焦化、一烧结、球团、炼铁、炼钢、 连铸、轧钢工序的工序单位能耗； p l ，p 2 ，p 3 ，p 广一分别为统计期内各工序实物产量； j ，k ，q 一分别为统计期内机车运输、企业亏损、其他项的能源消 耗量； p _ 为统计期内企业粗钢产量。 按吨钢综合能耗所包含的具体内容，可将上式转化为： l i - a m p l o l 十p 2 e 2 十p 3 e 3 十十p 7 e 州+ k - q 式中：p l ，p 2 ，p 3 ，p 7 分别为统计期内各工序实物产量与粗钢产量 之比( 即钢比系数) ； j ，k ，q 分别为统计期内机车运输、企业亏损、其他项的吨钢能 源消耗量。 7 上海大学硕士学位论文 1 2 3 吨钢可比能耗定义 吨钢可比能耗是指企业每生产一吨钢，从焦化、烧结、炼铁、炼钢直到成品 钢材配套生产所必需的耗能量及企业燃料加工与运输，机车运输能耗及企业能源 亏损所分摊到每吨钢的耗能量之和吲。与吨钢综合能耗相比，其他工序的能耗量 以及与钢产量不配套的生产过程( 如采用、选矿、铁合金、耐火材料、轧辊、机 修等) 所消耗的能耗量不计在内。该指标把钢铁企业的不可比因素尽可能地去除， 这就提高了各钢铁企业之间的可比性。而吨钢综合能耗则可以反映企业的总体能 源消耗和利用水平。此外，把可比能耗和综合能耗对照分析，可以看出直接生产 和辅助生产的能耗情况，找出进一步改善能源消耗的措施。 吨钢可比能耗的计算公式如下( 单位：k g 标煤t 钢) ”1 ： 吨钢可比能耗= ( e l - a + e 2 b + e 3 c + e a e + e 5 + e 6 g n + e 7 h + j + k + m 式中：a ( 烧结、球团、炼铁耗焦量) 全铁折合产量； b _ j 晓结矿消耗量全铁折合产量； c 一球团矿消耗量全铁折合产量； e 一吨钢耗生铁量： r 连铸成坯率； i r l 一( 初轧耗锭量+ 直接成材耗锭量) ( 初轧耗锭量+ 连铸坯量+ 直接 成材耗锭量) ； l r 一企业由钢到材的综合成材率； m 燃气加工与输送能耗量企业钢产量。 吨钢可比能耗的计算公式通过数学变换可以得到如下计算公式： 吨钢可比能耗= ( e l a + 龟b + e 3 c + e d e + e 5 + e 6 g n + e 7 h + j + k + m = e l a e + c 2 b e + e 3 。c e + e 4 。e + e e 6 。g n + e 7 h + j + k 蜘 = e 1 p l 十e 2 p 2 十e 3 p 3 十e 4 p 4 + e 5 + e 6 p 6 + e 7 p 7 十j + k 地 当炼钢工序的钢比系数p 5 = 1 ，吨钢综合能耗与吨钢可比能耗之间存在如下 转换关系： 吨钢综合能耗= 吨钢可比能耗+ “一n 1 ) 8 上海大学硕士学位论文 此外，值得注意的是，在某些企业外购部分含能原料( 例如生铁) 的情况下， 吨钢综合能耗中一般未包含该部分能耗。相反，在外销部分含能原料时，则会在 综合能耗中包含多余的能耗。因此在换算至吨钢可比能耗时，还应对该部分折算 后进行修正。 1 2 4 国外吨钢能耗指标定义和校正 吨钢能耗一般是钢铁企业( 工业) 总能耗除以钢产量得出的数值，但不同国家 总能耗所包含的内容并不完全相同。以日本为例，其总能耗一般包括烧结、焦化、 炼铁、炼钢、轧钢及动力方面的能耗，含煤炭类燃料( 煤炭+ 焦炭+ 木炭+ 石油焦 + 外购焦炉煤气- 夕 供焦炉煤气和高炉煤气( 不包括供火力发电站的) 、轻油、焦 油和焦炭) 、石油类燃料( 重油+ 原油+ 石脑油+ 灯油+ 轻油+ 液化石油气+ 液化天然 气) 、外购电力类( 外购电+ 共同火力发电站发的电共同火力发电站用高炉和焦 炉煤气发的电+ 外购氧气) 等。但不包括炼焦部门消耗的石油类及外购电力类能 源。英国的吨钢能耗只包括生产钢铁产品的直接能耗，不含生产辅助原材料如耐 火材料、电极、合金料、各种添加剂等所消耗的能源。前苏联吨钢能耗包括采矿、 选矿、烧结、运输及主要工序的能耗嘲嘲。因此，在比较不同国家的吨钢能耗时， 应根据不同的定义进行校正。 1 3 国内外钢铁能耗模型研究现状 1 3 1 国内钢铁能耗模型研究现状 国内流行的节能和评价企业能耗的理论是系统节能思想。 该思想最初是由苏联学者格林提出的。7 0 年代中期k e l l o g g 在研究铜生产过 程中的能耗问题时，提出了计算产品燃料当量的累加法。八十年代，徐寿波提出 了广义节能的理论。格林、k e l l o g g 和徐寿波为系统节能的形成奠定了良好的基 础哪。 八十年代初，东北大学的陆钟武教授结合中国的国情开创性地提出了钢铁工 业系统节能的思想。这套理论和技术的特点是：在其研究对象中，既包括能源， 又包括非能源；既包括能源系统，又包括生产系统；既包括系统内部，又包括系 9 上海大学硕士学位论文 统外部。利用这项技术，可以进行关于节能方面各种不同类型的分析和研究工作。 如： 能耗分析利用能耗的统计数据，进行科学分析，从中明确节能的方向和 途径。 用能系统的优化以能耗最低，或生产费用最低为目标，优化各生产系统。 燃料的供需平衡从企业实际情况出发，提出当前的或规划年份各种燃料 供需平衡方案。在方案中包括生产流程、生产计划和设备改造方面的建议。 能耗的预测预估钢铁工业或企业未来年份能耗值，并提出各影响因素中 要性的排序，以及实现预测值的前提和关键。 在此基础上，依据冶金工艺、热能工程和大系统优化理论，并与计算机应用 技术相结合，建立钢铁生产系统的数学模型。从工作程序上看，系统节能的模型 化方法分以下几个步骤“： 1 ) 调查生产系统的消耗状况( 能源和非能源) ，收集生产数据； 2 ) 根据实际需要和研究者的意图，建立生产系统的数学模型； 3 ) 应用计算机求解数学模型； 一4 ) 根据模型的计算结果，结合生产实际对生产系统进行系统分析，提出合 理使用能源的生产方案； 5 ) 实施合理用能生产方案。 在系统节能技术中，常用的数学模型有能耗统计模型、投入产出模型、线性 规划模型、网络模型等。把若干个模型组合在一起，就构成生产系统的节能模型。 就冶金工业而言，系统节能模型包括三个层次，即生产工序、联合企业和冶金工 业的能源模型。 在此基础上，陆钟武教授又提出了吨钢能耗因素分析有两类( 钢比系数和工 序能耗) 的思想，后被命名为吨钢能耗e 一口分析法，即影响吨钢综合能耗的因素 有两大类：第一类是对应于每吨粗钢的各工序产品的产量，即钢比系数；第二类 是各工序生产每吨实物产品的能耗，即工序能耗。谢安国教授在其博士论文中用 e - p 分析法对我国钢铁工业吨钢综合能耗进行了剖析，指出我国钢铁工业应着重 将降低铁钢比放在首位，辅以提高连铸连轧装备技术水平及进一步降低各工序能 耗。 1 0 上海大学硕士学位论文 国内对工序能耗研究主要以工序能耗的影响因素分析为主，以统计数据为基 础，以各种分析方法为工具，进行相关工序能耗的分析与预测。主要分析方法包 括；层次分析法、人工神经网络法等。 层次分析法( t h e a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ，简称a h p ) 是一种实用的系统 评价方法，谢安国等人利用改进过的层次分析法来确定在钢铁生产流程中影响能 耗的多种因素的主次关系。该方法适应性、简洁性、实用性和系统性的特点，但 也有其不足之处，比如在应用中难以生成方案，定性排序和易受主观判断影响等。 陆钟武教授等人也将人工神经网络的理论和方法，引入到钢铁企业工序能耗 的系统分析领域。他们以生产和技术指标的相关统计数据为基础，利用人工神经 网络的b p 算法，构造了烧结工序能耗的影响因素定量分析模型，分析和计算了 各相关联的因素变化对烧结工序能耗的影响程度。人工神经网络分析法对于非机 理相关因素分析是实用的。但是，神经网络b p 分析模型的构造和应用也受到一 定的限制。在模型结构方面，各层隐结点的个数确定难以合理确定，从而影响模 型的精度；若关联因素多而样本少的模型，用于因素分析的精度低、误差大、模 型重复性差。 关于工序能耗的理论研究一方面从已有的统计数据出发进行影响因素的分 析，另一方面则围绕着节能潜力有多大，是否存在最小能耗的方向发展。 蔡九菊等人在转炉炼钢工序最小能耗的研究一文中，分析了转炉炼钢过 程能源消耗与工艺、设备、操作等因素的关系，就转炉工序能耗建立了以物料平 衡和能量平衡为基础的数学模型，在设定了如下理想工况后，得到了表1 5 所示 的最小能耗m 1 。 以宝钢2 5 0 吨转炉为例，确定理想工况条件如下： 1 ) 进入熔池的碳除进入终点钢水外，全部氧化为c o 和c 0 2 ，并1 0 0 回 收为转炉煤气； 2 ) 供入炉内的氧气全部用于元素的氧气，且无过氧化现象发生； 3 ) 转炉炉气在回收过程中无空气混入，其显热经余热锅炉全部被蒸汽吸 收； 4 ) 转炉采用全铁水冶炼，进入转炉的铁水热焓满足炼钢要求。 上海大学硕士学位论文 鲂i m 3 0 t 4 ( 氧气消耗量) g l m 3 吖。1 ( 转炉煤气回收量) 鳓k g t 。( 蒸汽回收量) k g c e t 。( 其他能耗) 5 2 6 8 1 0 6 5 0 2 1 0 4 2 1 0 4 e k g c e t 。( 转炉工序能耗)1 8 9 63 2 6 这个模型是一个半经验半机理的混合模型，氧气的消耗和转炉煤气、l t 蒸 汽的回收量是通过理论计算获得，而其他电、水等能源的消耗则来自于生产数据。 该模型理论计算部分考虑了生产情况，包括空气吸入、转炉煤气回收率和余热锅 炉热效率等。 本模型存在的不足是作为转炉炼钢最小能耗模型，没有考虑潜在的节能措施 的应用，如钢渣显热的回收等。 1 3 2 国外钢铁能耗模型研究现状 在国外系统节能研究的方法中最具代表性的有比较分析法、统计分析法、因 素分析法、层次分析法、审计分析法等嘲。 模型工厂分析法是比较分析法中最有代表性的研究。7 0 年代中期，国际钢 铁协会对三个典型工厂的生产规模和工艺流程进行了综合评价此项研究对比了 各种流程的产品能值。m a r k r o s s 在分析中、美钢铁工业差距时也采用了比较分 析法。他分析了能耗的影响因素，指出中国钢铁工业结构优化、新技术开发和成 熟技术推广是系统节能的重要环节。这种分析方法通过各工序工艺结构和能耗比 较，能够清楚地发现问题，提出改进的方案和措施。因此，这是一种简单易行的 方法。 统计分析方法是基于数学统计的方法。瑞典隆德大学l a r s j n i l s o n 收集了 3 1 个不同工业化国家和发展中国家1 9 5 0 1 9 8 8 年问的能耗数据，用统计分析方法 分析不同经济结构的国家人均能耗及能耗结构。找出了大多数发展中国家经济增 长率滞后于能耗增长率的关系。这种方法以大量的统计数据为依据，是一种真实 肺 猫 | 至 册 | 墨 一 一 叫 姗 惦 彤 酩 扎 m 孔 m 上海大学硕士学位论文 可靠的方法。 因素分析法是用于做大系统能耗分析的一种重要的方法。国际上很多学者对 此方法情有独钟。例如奥地利维也纳中心的s e - h a r kp a r k 等人在分析各国工业生 产的能耗中将影响能耗变化的因素分为三类。即产品变化、单位产品能耗变化和 结构变化。高度概括了影响工业生产能耗因素的本质和特征。这种分析方法系统 性较强，分析过程清晰明确。 在工序能耗理论最小值的研究方面，美国卡内基梅隆大学的r j f r u e h a n 等 人根据物料平衡和热平衡模型建立了钢铁生产能耗理论最小值模型“”。该模型建 立了如下假设： 1 ) 工序能耗只包括直接能耗； 2 ) 生产辅料的能耗不计入工序能耗，如合金、氧气、耐火材料和电极； 3 ) 在工序能耗计算中不考虑电能在生产和运输过程中的损失； 4 ) 能量损失和热损失不计，如炉子的热损失和机械、电力设备的能量损失 不考虑； 5 ) 关注能量输出，如对高炉炼铁工序来说高炉煤气的化学热和显热是必须 考虑的； 6 ) 烧结和焦化工序能耗不考虑； 7 ) 因产量损失造成的能量损失不计。 模型的计算结果如表1 - 6 所示。不同的生产条件下的工序能耗最小值是不同 的。以高炉为例，出铁温度为1 4 5 0 c 、铁水成分为：f e - 5 c 、铁矿石不含脉石、 焦炭不含灰分的情况下，炼铁工序能耗为9 8 g j m e t r i ct o np r o d u c t ，约为3 3 4 k g 标煤t 铁水。在实际最小值计算中，生产条件为：5 0 0 k g 固体燃料( 焦炭和喷煤) t 铁水、固体燃料平均灰分为5 、铁水成分为：f e - 5 c 0 5 s i 0 5 m n 、出铁 温度为1 5 0 0 。c ，得到的最小能耗值约为3 5 5k g 标煤t 铁水。 在做了适当的假设简化之后，该模型从物料平衡和能量平衡出发，建立了不 同原料条件下的最小能耗值模型。从生产角度来说，本模型存在以下不足之处： 1 ) 未考虑设备的热损失对能耗的影响。以电炉为例，热损失包括炉盖、炉 墙、炉底、冷却水、电极表面、开口辐射、补料和装料造成的热损失， 约占总热支出的1 5 3 3 ；电能损失包括：高压线及电抗器、变压器、 上海大学硕士学位论文 短网和电极的电力损失，约为7 1 4 “”。 2 ) 未考虑时间对能耗的影响。以电炉为例，随着冶炼时间的增加，通电时 间拉长，则每吨钢水生产消耗电能增加；因炉体的热流一定，则随着冶 炼时间延长电炉总热损失也增大。 3 ) 二次能源只考虑了炉气所包含的能量。各工序的二次能源种类繁多，不 仅仅只存在于炉气中，如高炉的二次能源还包括炉顶压差发电、炉渣显 热；转炉也可以考虑炉渣显热的回收。 表1 6钢铁生产的理论最小能耗与实际能耗需求比较 e n e r g y ( g j m e t r i ct o np r o d u c 0 a c t u a l a b s o l u t ep r a c t i c a l p r o c e s s m i n i m u m r e q u i r e m e n t s m i n i m u m d i f f e r e n c ed i f f e r a n c e 1 0 6 b t u t o n 【1 0 6 b t u t o n 【1 0 6 b t u t o u “q u i dh o t 1 3 一1 49 8 2 5 3 0 1 0 4 2 0 2 6 m e t a l ( 5 c ) 【1 1 2 - 1 2 1 】 8 5 】【9 0 】 l i q u i d l o 5 一l1 5 7 9 2 5 3 l 8 2 2 2 2 9 s t e e l ( b o n【9 1 - 9 9 】 6 8 】 7 i 】 l i q u i d 2 1 2 41 3 3 8 - 4 6 1 6 2 4 - 3 3 s t e e l ( e a l 0 1 8 - 2 1 】 【1 1 】【1 4 】 2 0 2 40 0 30 9 h o tr o l l i n gf l a t9 95 5 - 6 3 【1 7 - 2 1 】 o 0 3 】【o 8 】 c o l dr o l l i n g 1 o 1 4 0 0 2 9 8 9 9 o 0 2 9 8 9 9 f l a t 【0 9 - 1 2 】 o 0 2 】【0 0 2 】 1 8 8s t a i n l e s s1 21 5 m e l t i n g 1 0 】【1 3 】 n o t e s ：a c t u a li n c l u d e sy i e l dl o s s e sa n di st h ea v e r a g eo fs t a t e - o f - e f f i c i e n to p e r a t i o n sf o rt h e u n i t e ds t a t e s ，j a p a n ，a n de u r o p e a 1 lo ft h ev a l u e se x c l u d ee l e c t r i c a lg e n e r a t i o na n d t r a n s m i s s i o n1 0 s s e s b o fe i l f f f g yi sp r i m a r i l yf r o mh o tm e ! t a l ；a c t u a lp r o c e s sc o n s u m e s0 2t o0 4g j ta n d i f c oi so x i d i z e dt oc 0 2c o u i dt h e o r e t i c a l l yp r o d u c e0 5g j f o r1 8 8s t a i n l e s sn oe s t i m a t e sa r ea v a i l a b l e i np a r t i c u l a rf o rh c f e c l i i ia l lc a s e s f u uc r e d i ti st a k e nf o rt h ee n e r g yi no f f g a s 1 4 本研究工作的主要内容与目标 本研究工作的主要内容是建立工序能耗数学模型，用于估算钢铁生产工序能 耗先进值和最小值，在输入现场生产参数后，也可以进行实际工序能耗和流程总 能耗的计算。同时，运用该模型得到的部分结果纳入上海大学开发的钢铁冶金特 色数据库所属工艺数据予库中。 1 4 上海大学硕士学位论文 工序能耗数学模型以各工序或工序的主体设备的物料平衡及能量平衡为基 础，考虑到设备对能耗的影响并参考已有的工艺模型和计算公式，其他各动力辅 一助能耗数值来自相关文献内容。在模型中还考虑目前钢铁企业使用的和行业倡导 的节能技术的作用及对各工序能耗的影响。 在工序能耗模型建立后，可用于计算钢铁生产各工序的计算最小值和各类钢 铁流程的吨钢可比能耗值，并依托建设中的上海市钢铁冶金特色数据库平台，将 该模型中涉及到的主要相关因素作为可变参数，供数据库用户输入，最终用户将 得到相应的工序能耗计算值。本研究的工作的目标是为用户评价工序及流程能耗 水平、制定各类节能措施的参考为企业的生产和科研工作提供服务。 1 5 本章小结 本章对我国钢铁工业能耗在过去近三十年的变化作了各方面的剖析，反映了 中国钢铁工业在改革开放后为了实现钢铁工业的可持续发展，逐渐改变了以往粗 放式的生产方式，紧跟国际技术发展，引进吸收新技术的同时，通过自身努力， 在节能降耗方面取得了举世瞩目的成就。 通过对衡量节能降耗工作的主要经济技术指标，包括吨钢综合能耗、吨钢可 比能耗以及国外其他主要产钢国的能耗指标所给予的定义，指出了吨钢综合能耗 和吨钢可比能耗的不同之处以及其适用场合。为了便于更准确地分析与比较钢铁 行业能耗水平，文中还推导与说明了相关能耗指标的内容与转换关系。 本章论述了国内外钢铁能耗模型的现状。在我国，根据系统节能理论，很多 学者从生产数据和理论计算两方面研究钢铁企业能耗预测模型和节能潜力开发。 国外的r j f m e h a n 等人建立了钢铁生产能耗理论最小值模型，试图获得钢铁生 产的绝对理论最小值。这些文献都为本模型的建立提供了启发与理论基础。 本模型是以生产的实际情况及目前提倡的各类节能技术，以物料平衡和热平 衡为基础，建立了以理论机制为基础并运用部分经验参数的混合能耗模型，分析 各工艺参数对工序能耗的影响。在模型中，将时间参数应用到工序能耗模型中， 将工序能耗与设备的冶炼时间联系在一起，使模型具有准动态特性。同时，将该 模型得到的部分结果纳入上海大学开发的钢冶金特色数据库所属工艺数据子库 中，实现自动更新。 上海大学硕士学位论文 第二章工序能耗数学模型的建立