钢铁行业节能方向及途径课件

1、二、钢铁工业节能潜力巨大 中国粗钢产量从中国粗钢产量从1996年突破年突破1亿吨开始，已亿吨开始，已连续十多年稳居世界第一，连续十多年稳居世界第一，2008年粗钢产年粗钢产量达到了量达到了5亿吨，占世界粗钢产量的亿吨，占世界粗钢产量的38.33；2009年粗钢产量达到年粗钢产量达到5.72亿吨；亿吨；2012年粗钢产量达到年粗钢产量达到7.17亿吨；亿吨；2013年上半年年上半年累计生产粗钢累计生产粗钢3.9亿吨。亿吨。二、钢铁工业节能潜力巨大1、冶金企业节能减排取得成效，但潜力依然巨大、冶金企业节能减排取得成效，但潜力依然巨大1990年到年到2000年年11年间，中国钢产量翻了近一番，年间，

2、中国钢产量翻了近一番，钢铁工业总能耗只增加了钢铁工业总能耗只增加了31；第九、十两个五；第九、十两个五年计划下降了年计划下降了20以上，国内一些先进的大型钢以上，国内一些先进的大型钢铁联合企业已达到或接近世界先进水平。铁联合企业已达到或接近世界先进水平。 目前，我国钢铁企业吨钢综合能耗与国外先进水平相比，差距在10%以上。 日本钢铁产品中能源成本仅占14%，而中国钢铁产品成本中能源的费用已达30%以上。2、大中型企业吨钢可比能耗（指标分解）与国外的差距、大中型企业吨钢可比能耗（指标分解）与国外的差距工序名称工序名称工序能耗（工序能耗（kgce/t产品）产品）钢比系数钢比系数(t/t)吨钢可比能

3、耗差距（吨钢可比能耗差距（kgce/t钢）钢）发达发达国家国家中国中国差距差距发达发达国家国家中国中国差距差距工序能工序能耗方面耗方面钢比系钢比系数方面数方面合计合计烧结烧结5765+81.041.334+0.294+10.6+16.8+27.4炼铁炼铁464457-70.7310.861+0.13-6.0 +60.3+54.3转炉炼钢转炉炼钢17.936+18.10.7490.842+0.093+15.2+1.6+16.8电炉炼钢电炉炼钢198.6201+2.40.2430.163-0.08+0.4-15.9-15.5轧钢轧钢*152.289-63.20.8530.92+0.067-58.1

4、+10.1-48.0“其他其他”5289+37+37 吨钢能耗差距（包括轧钢工序能耗）吨钢能耗差距（包括轧钢工序能耗）-0.9+72.9+72 吨钢能耗差距（不包括轧钢工序能耗）吨钢能耗差距（不包括轧钢工序能耗）+57.2+62.8120.0二、钢铁工业节能潜力巨大全国万元产全国万元产值能耗为值能耗为1.16t标煤，冶金全行业则消耗标煤，冶金全行业则消耗5.8t标煤标煤二、钢铁工业节能潜力巨大 环境资源问题所面临的国际压力，钢铁工业作为高耗能行业，必将是国家重点调整的行业。 怎么调整？ 节能、环保、安全三手段 钢铁企业规范条件 节能是必然选择“当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，当任

5、何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，其可用能（质量）只能降低，不能提高其可用能（质量）只能降低，不能提高” “当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，总量保持不变总量保持不变”说明能量在转换时说明能量在转换时数量上是守恒的数量上是守恒的 说明了能量在转换时在说明了能量在转换时在质量上是贬值的质量上是贬值的能量转换具有的方向性或不可逆性能量转换具有的方向性或不可逆性问题：没有区分不同形式的能量在质量上的差别问题：没有区分不同形式的能量在质量上的差别（1 1）关于热力学定律）关于热力学定律（2 2）能量的分类）能量的分类v 第一类第一类可以

6、不受限制地完全转换的能量。可以不受限制地完全转换的能量。 例：电能、机械能、位能例：电能、机械能、位能( (水力水力) )、动能、动能( (风力风力) )等功量等功量( (以作功方式传递以作功方式传递的能量的能量) ) 高级能，完全有序运动的能量，其数量与质量是统一的。高级能，完全有序运动的能量，其数量与质量是统一的。根据能量转换难易程度，能量可划分为三类：根据能量转换难易程度，能量可划分为三类：v 第二类第二类具有部分转换能力的能量具有部分转换能力的能量 例：热能、物质内能、焓等热量（以传热方式传递的能量）例：热能、物质内能、焓等热量（以传热方式传递的能量） 中级能，无序的能量可以部分地转变

7、为有序运动的能量。中级能，无序的能量可以部分地转变为有序运动的能量。 “热能不可能连续地全部转变为机械能，机械能却可全部转变为热能热能不可能连续地全部转变为机械能，机械能却可全部转变为热能”。 数量和质量是不统一的。数量和质量是不统一的。v 第三类第三类完全没有转换能力的能量完全没有转换能力的能量 例：处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的内能和焓，虽例：处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的内能和焓，虽然它们具有相当数量的能量，在技术上却无法转变为功。然它们具有相当数量的能量，在技术上却无法转变为功。 低级能，是只有数量而无质量的无序能量。低级能，是只有数量而无质量的无序能量。（3

8、3）能量中的）能量中的“ ”与与“ ” （ExergyExergy）环境条件下能够完全地连续地转化为环境条件下能够完全地连续地转化为任何一种其它形式的能量，即可用能、可用功。任何一种其它形式的能量，即可用能、可用功。 （AnergyAnergy）不能够转变为有用功的那部分能量，不能够转变为有用功的那部分能量， 即无效能、无用功。即无效能、无用功。 例如：机械能、电能全是例如：机械能、电能全是 ， 0 0；自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为全为 ， 0 0。v节能的本质是减少节能的本质是减少 损失，节能就是节损失，节能就是节任何能量E都由 Ex和

9、 An两部分组成，即： E= Ex+ An 长期以来，我们注重长期以来，我们注重热力学第一定律热力学第一定律，注重能量守恒，注重能源平衡。，注重能量守恒，注重能源平衡。还未充分注意还未充分注意热力学第二定律热力学第二定律：注重能量传递的质量注重能量传递的质量。注重能量传递是一注重能量传递是一个耗散过程、不可逆过程，不是一个简单的能源平衡问题。个耗散过程、不可逆过程，不是一个简单的能源平衡问题。现实告诉我们现实告诉我们要要注重能源转化及传递质量，即注重能源转化及传递质量，即“火用火用”效率效率，在这里质量就是数量。只，在这里质量就是数量。只有注重有注重“火用火用”的价值利用，才能在工艺过程中实现

10、价值最大化，在能量的价值利用，才能在工艺过程中实现价值最大化，在能量高效转化中实现节能减排。高效转化中实现节能减排。 长期以来，在能源转化传递中，只注重需求的数量满足及保证，余热余长期以来，在能源转化传递中，只注重需求的数量满足及保证，余热余能回收只注重数量回收，能回收只注重数量回收，忽视了回收能源的质量及能源使用的分配偶合及忽视了回收能源的质量及能源使用的分配偶合及利用价值，造成利用价值，造成能源的损失耗散，因而出现回收能效低、使用能源效率低。能源的损失耗散，因而出现回收能效低、使用能源效率低。 长期以来，我们广泛长期以来，我们广泛使用蒸汽做能源载体，传递能源质量差、效率低，使用蒸汽做能源载

11、体，传递能源质量差、效率低，并产生大量含酚含氰等废水，污染环境，治理成本高并产生大量含酚含氰等废水，污染环境，治理成本高 。 对能源转换设备或过程而言：对能源转换设备或过程而言：热效率指标和单位能耗指标是一致的热效率指标和单位能耗指标是一致的 对用能设备或生产过程而言：对用能设备或生产过程而言：热效率指标和单位能耗指标是不一致的热效率指标和单位能耗指标是不一致的 b ； b b ； b 热效率热效率高（温差大，钢坯得到的热量份额大）高（温差大，钢坯得到的热量份额大） 单位能耗大（温差大，传热单位能耗大（温差大，传热 损失大）损失大）冷装料连续加热炉冷装料连续加热炉热装料连续加热炉热装料连续加热

12、炉 热效率热效率低（温差小，钢坯得到的热量份额少）低（温差小，钢坯得到的热量份额少） 单位能耗低（温差小，传热单位能耗低（温差小，传热 损失少）损失少）例例1n三种供暖方式热效率差不多，三种供暖方式热效率差不多，但火用效率相差很大但火用效率相差很大n供暖煤耗：供暖煤耗：小煤炉供暖：小煤炉供暖： 200kg/m2以上以上蒸汽锅炉供暖：蒸汽锅炉供暖：100kg/m2热水锅炉供暖：热水锅炉供暖：50kg/m2小煤炉供暖传热温差约小煤炉供暖传热温差约800800，火用火用效率很低效率很低蒸汽锅炉供暖传热温差蒸汽锅炉供暖传热温差约约100 100 ，火用火用效率偏高效率偏高热水锅炉供暖传热温差热水锅炉供

13、暖传热温差约约50 50 ，火用火用效率较高效率较高煤炉采暖煤炉采暖热水供暖热水供暖蒸汽供暖蒸汽供暖l 不同供暖方式的能耗比较不同供暖方式的能耗比较房间房间22oC800oC蒸汽蒸汽回水回水蒸汽锅炉蒸汽锅炉房间房间22oC120oC80oC回水回水供水供水热水锅炉热水锅炉房间房间22oC95oC70oC火炉火炉4、燃烧过程火用损失、燃烧过程火用损失LxE,fxmfEn,axmaEn,adTgxmgEn,fTaTgxmgLxmaxmafxmfEnEEnEn,fphxmchxmfxmEEE)(,giphxmchxmgphxmchxmgxmEEEEE)()(,giphxmchxmgiaxmafphx

14、mchxmfxlEEnEnEEnE)()(,)()(00,0,TmTmTmTmgigphxmSSTHHnEadad例题：进入锅炉的气体燃料由H2、CH4、N2和NH3组成，设燃料各组分i的摩尔热容随温度的变化关系可用TbaCiiipm2,10表示。各组分的ai、bi和摩尔分数xi列于下表。H2N2CH4NH3xi0.6600.210.0900.040aiJ/(mol.K)29.08728.88219.87427.55biJ/(mol.K)-0.1918-0.15705.02422.5644燃气各组分的摩尔热容随温度的变化关系可用253,1010TcTbaCiiiipm表示。燃气的组分、各组分的

15、摩尔分数ai、bi、ci、xi列于下表：N2H2O(g)O2CO2xi0.7180.210.0510.021aiJ/(mol.K)27.85529.99929.95944.141biJ/(mol.K)4.267710.7114.1849.037ciJ/(mol.K)00.3347-1.6736-8.535空气15气体燃料200燃气绝热燃烧温度T=1959K空气流量为360N.m3/h，燃料流量为100N.m3/h，燃气流量为428N.m3/h气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表H2N2CH4NH3 235.220.67830.15336.69-169.742.340-201.96-

16、154.22)kJ/mol(,0ixmEJ/mol Ki)(00niniiTTEEfiiichxmifchxmxxRTExEln0,)59.33604. 015.83009. 067. 021. 022.23566. 0()2515()22.154(04. 0)96.201(09. 034. 221. 0)74.169(66. 0)04. 0ln04. 009. 0ln09. 021. 0ln21. 066. 0ln66. 010314. 815.2883kJ/mol732.1680气体燃料的化学火用混合气体的比热)10157. 0882.28(0.21)101918. 0087.29(66.

17、 022TTCxpmii)105644. 255.27(0.04)100242. 5874.19(0.0922TTT2100.395228.153气体燃料的物理火用TTpmiiTTpmiifphxmTdTCxTdTCxE000,TdTTTdTTEfphxm473.15288.1520473.15288.152,)103952. 0513.28()103952. 0513.28()ol1.268(kJ/m气体燃料的摩尔火用fchxmfphxmfxmEEE,l)1682(kJ/mo1.2681680.732气体燃料的总火用)kJ/h(107.5116821022.410063-,fxmffxEnE

18、燃气各组分的标准化学火用和温度修正系数见下表O2N2CO2H2O(g) 3.9330.6720.118.61913.2212.34067.44-118.78)kJ/mol(,0ixmEKJ/moli燃气在T0下的摩尔化学火用giiichxmigchxmxxRTExEln0,)11.20021. 0933. 3051. 0619. 821. 069. 0718. 0()2515(44.67021. 0221.13051. 0)78.118(21. 034. 2718. 0)021. 0ln021. 0051. 0ln051. 021. 0ln21. 0718. 0ln718. 010314. 8

19、15.2883kJ/mol75.212混合气体的比热)141.44021. 0959.29051. 0999.2921. 0865.27718. 0(pmiiCxT310)037. 9021. 0184. 4051. 0711.1021. 02677. 4718. 0(T510)535. 80.0211.67360.0510.3347(0.21TT53101943. 010717. 528.762燃气在绝热燃烧温度下的物理火用adadTTpmiiTTpmiifphxmTdTCxTdTCxE000,TdTTTTdTTT1959288.152530251959288.153)101943. 010

20、717. 5762.28()101943. 010717. 5762.28()(kJ/mol35. 63燃气在绝热燃烧温度下的摩尔火用)kJ/mol( 1 .24975.21235.36,gchxmgphxmgxmEEE燃气总火用值)kJ/h(1076. 41 .4921022.442863-,fxmffxEnE)kJ/h(1075. 210)76. 451. 7()(66,gxaxfxLxEEEE%6 .361051. 71075. 266,fxLxEE 钢铁制造流程由不同性质的过程、不同功能的工序和装置组成，“过程”、“工序”、“装置”之间的连结与作用是非线性的。 从运行过程上看，是一个开

21、放的、远离平衡的、不可逆的复杂过程系统。 从生产工艺上看，是铁煤化工过程，即物质流和能量流的流动以及两者“协同”作用的过程。 Fe素流是物质流的主要形式，它伴O2而行，是被加工的主体。烧结高炉转炉连铸加热精矿粉钢材废物废物含含 氧化物氧化物Fe含含 C 液液态态铁铁脱脱O2合合金金化化净净化化去去鳞鳞形形相相变变还原，氧化还原，氧化过还原过还原过氧化过氧化无氧化无氧化Fe素流的变化过程C素流是能量流的主要形式，它伴Fe、伴O2而行，为物质流的转变提供还原剂和能量。C素流的变化过程燃料煤燃料煤CO2洗精煤洗精煤转换/重整燃 烧热量回 收焦炭焦炭焦油焦油煤气煤气矿粉煤粉煤粉烧 结高 炉转 炉 含

22、氧化物Fe/CFe煤粉煤粉焦粉焦粉 含 铁水C钢水氧气氧气BFGLDG煤气煤气钢铁厂物流与能流模型概念图钢铁厂物流与能流模型概念图生生 产产 工工 序序钢铁生产过钢铁生产过程程（物流模型（物流模型）能 源 转 换 过能 源 转 换 过程程（ 能 流 模 型（ 能 流 模 型）天然天然一次一次物物质质流流能能量量流流物质流物质流能量流能量流排放流排放流产品产品iiipemin耦合模型耦合模型ipie作用域再使用再使用（其它工业）（其它工业）再使用再使用（其它工业）（其它工业）再再循循环环再再循循环环资源资源能源能源ipie(1)生产流程的优化生产流程的优化v通过工艺结构优化使生产流程连续、紧凑和

23、高效通过工艺结构优化使生产流程连续、紧凑和高效化，是化，是节能和改善环境的重要环节。节能和改善环境的重要环节。v钢铁工业是典型的流程制造业，其特点是：钢铁工业是典型的流程制造业，其特点是：流程串联作业流程串联作业上工序的输出（产品）是下工序的输入（原料）上工序的输出（产品）是下工序的输入（原料）v钢铁厂制造（生产）流程是钢铁企业整体结构优化的核钢铁厂制造（生产）流程是钢铁企业整体结构优化的核 心，它既影响金属生产过程，也影响排放过程。心，它既影响金属生产过程，也影响排放过程。工序工序集成制造集成制造(3) 余热余能的回收利用余热余能的回收利用n 钢铁生产以消耗热能为主，所以余能中绝大部分是以热

24、能的形式钢铁生产以消耗热能为主，所以余能中绝大部分是以热能的形式存在，如存在，如: :排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、冷却水带排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、冷却水带走的显热。走的显热。u判断是否真是余热，决定于后续工艺流程能否继续使用，只有后续工序判断是否真是余热，决定于后续工艺流程能否继续使用，只有后续工序无法利用的才算为余热。如无法利用的才算为余热。如, 钢坯的显然最好直接输入下道工序（热衔钢坯的显然最好直接输入下道工序（热衔接），作为接），作为100的可用能，没有的可用能，没有 损失；如果用热交换的方式（钢坯余热损失；如果用热交换的方式（钢坯余热锅炉）回收钢坯显热，将造成锅炉）回收钢坯显热，将造成 贬值。贬值。u其次，调查装置本身是否还有节能潜力，降低设备的单位能耗，可减少余其次，调查装置本身是否还有节能潜力，降低设备的单位能耗，可减少余热余能的生成量，它比