钢铁企业系统节能理论与技术-图文

钢铁企业系统节能理论与技术_图文.ppt1概述钢铁工业是典型的流程工业，工序多、过程复杂、范围广大，不易把握其全貌；资源能源消耗高、污染严重，节能减排压力大，钢铁工业的高速发展需要节能环保技术大力支撑，否则资源能源将难以为继，环境不堪重负；节能工作者来自各个专业，目标不同，认识各异，不易求得广泛的共识；所以，从整体系统上讨论钢铁企业的节能技术和途径更加重要。1980～2005年间（2006年后采用新电力折算系数），我国钢铁工业千方百计节约能源成就显著。其中，大中型钢铁企业的吨钢综合能耗从1.646降到0.747tce/t钢，下降率为55％；可比能耗从1.285降到0.714tce/t钢，下降率为44％。

今后，节能难度越来越大，节能任务更加艰巨，节能工作能需要新理论和技术的支持。80年代初，陆钟武院士提出“载能体”概念，将冶金工业节能划分为“五个层次”，主张用系统工程的原理和方法研究冶金工业较高层次的节能问题，创立了“系统节能理论和技术”。

二十年多年来，系统节能理论在不断发展和完善。1概述2007年粗钢产量达到4.89亿吨，约占世界粗钢产量的36％；2008年粗钢产量达到5.02亿吨，约占世界粗钢产量的38％；2009年粗钢产量达到5.68亿吨，约占世界粗钢产量的47％。钢铁工业是我国实现节能减排目标的重点行业。1概述2我国钢铁工业的能源节约2.11990～2005年(2006年后采用新电力折算系数)我国钢铁工业的能源消耗2000～2007年钢产量和吨钢综合能耗变化20002001200220032004200520062007钢产量,万t全国1285015113182252223428291355794210248924重点1209213764163831858123718299393494838792吨钢综合能耗,tce/t旧系数0.8850.8760.8030.7920.7610.747——新系数—————0.6940.645632由于电力折算系数的改变，2006年开始吨钢综合能耗数据出现了变化，但仍可以看出总体趋势是不断下降的。影响吨钢综合能耗（E）的直接因素：各生产工序的钢比系数（pi）；各生产工序的工序能耗（ei）。在分析钢铁工业能耗时，同时分析钢比系数和工序能耗这两类因素的方法，称作e-p分析法：直接节能量间接节能量2.2我国钢铁工业节能效果分析间接节能：44.8直接节能：134.2间接节能：13.3直接节能：75.7间接节能：119.4直接节能：79.6间接节能：24.9直接节能：12.11980—1995：直接节能减小1985—2000：间接节能增大2000-2010：直接间接各半间接节能：26.3直接节能：40.73.1基本概念(1)节能工作的五个层次“系统节能”行业联合企业生产车间（厂）单体设备设备部件“设备节能”在充分考虑外部条件的前提下，研究图中五个不同层次上的节能问题和它们之间的关系。3系统节能理论基础3.1基本概念(2)系统节能具体的是研究上图中生产车间（厂）以上各层次的节能问题，主要内容是：——研究本系统与其外部环境之间及其内部各组成部分之间的相互关系，实现整体的全面的节能。第一层次：行业与其外部环境之间，及其内部各企业、各工序之间的相互关系；第二层次：企业与外部环境之间，及其内部各工序、各生产车间之间的相互关系；第三层次：生产车间（厂）与其外部环境之间，及其内部各台设备之间的相互关系。(3)载能体定义：载能体是指在制备过程中消耗了能量的物体，以及本身能产生能量的物体。煤、油、电等各种能源工业水、压缩空气、蒸汽、氧气等各种动力各种原材料、辅助原材料、零部件非能源都是载能体节能：既要节约能源，又要节约非能源。能源载有“活”的能量，非能源载有“物化”了的能量。3.1基本概念能值：单位重量（体积）载能体载有的能量，称为该载能体的能值（kgce/单位产品）。3.1基本概念第一类载能体（原材料和动力）——“物化”了的能量，即非能源。包括：原材料、辅助原材料、中间产品、零部件、其它消耗品（简称原材料），以及工业水、蒸汽、压缩空气、氧、电等（简称动力）

能值等于它们在制备过程中所消耗的各种原料、动力和燃料的载能量之和。3.1基本概念第二类载能体（各种燃料）——“活”的能量，即能源。包括：各种燃料（固、气、流体燃料）。如：煤、重油、天然气等。

能值等于燃料的发热值和它在开采、加工过程中消耗的各种能耗之和。地下未开采的天然矿物的载能量等于零，散在的“废料”如废钢、废铁、氧化铁皮、轧钢铁皮、瓦斯泥等的载能量，一般取为零。(4)产品能耗天然资源（矿物＋空气＋水）产品能耗概念图冶金、化工、建材等工业，都是以天然资源为原料的制造工业。从天然资源到最终产品要经过多道生产工艺。每道工序的产品都是下一道工序的原料。3.1基本概念[产品能耗]=直接能耗(工序能耗)+间接能耗“当任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”

热力学第一定律——能量守恒定律（无条件）“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”说明能量在转换时数量上是守恒的

热力学第二定律——能量转换定律（有条件）说明了能量在转换时在质量上是贬值的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（1）关于热力学定律3.2节能原理（2）能量的分类

第一类—可以不受限制地完全转换的能量。例：电能、机械能、位能(水力)、动能(风力)等功量(以作功方式传递的能量)高级能，完全有序运动的能量，其数量与质量是统一的。根据能量转换难易程度，能量可划分为三类：

第二类—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）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”。数量和质量是不统一的。

第三类—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。（3）能量中的“”与“”（Exergy）—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。

（Anergy）—不能够转变为有用功的那部分能量，即无效能、无用功。例如：机械能、电能全是，＝0；自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为，＝0。例如，对汽轮发电机组的能量分析结果：按第一定律分析—能量损失最多的是“冷凝器”（外部损失）按第二定律分析—能量损失最多的是“锅炉”（内部损失）分析方法锅炉蒸汽管网汽轮机组冷凝器汽机加热器第一定律热损失，kJ/kg蒸汽热损失率，％258.39.027.21.0132.34.61562.954.4第二定律损失，kJ/kg蒸汽损失率，％1647.057.033.11.2134.84.723.90.8141.14.9节能的本质是减少

损失，节能就是节结论：节能的主攻方向不在“冷凝器”，而是降低锅炉的损失率。措施：采用高温高压机组，发展燃气—蒸汽联合循环发电机等（火力发电厂的发展方向）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η↑b↓；η↓b↑η↑b↑；η↓b↓冷装料连续加热炉热装料连续加热炉热效率η高（温差大，钢坯得到的热量份额大）单位能耗大（温差大，传热损失大）热效率η低（温差小，钢坯得到的热量份额少）单位能耗低（温差小，传热损失少）3.3节能潜力的分析方法（1）第一定律分析法运用热平衡原理，以热效率为基本准则，分析、评价用能设备和系统能量有效利用状况的方法，习惯上也称之为焓分析法。基本内容包括：根据能量系统的热力学模型，建立系统的能量平衡；根据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣；计算各项热损失，找出热损失最大的薄弱环节和部位，从而确定节能潜力所在。不足之处：热效率与节能潜力之间很多时候是矛盾的。（2）第二定律分析法同时依据第一、第二两大定律，体现能的全面本性（在量上的守恒性与在质上的贬质性），而建立的分析方法，称为第二定律分析方法。分析法从可用能的角度来分析用能过程，从能量的量和质两个方面指出其节能潜力所在。4.1节能方向降低第一类载能体的单耗及其载能量，即各种原材料，辅助原材料、中间产品、零部件、其它消耗品，以及水、蒸汽、压缩空气、氧、电等（原料+动力）降低第二类载能体的单耗及其载能量，即各种燃料（固、液、气体）回收生产过程中散失的载能体和各种能量，即回收余热、余能、废水、废渣。节能：既要重视节约能源，又要重视节约非能源。只有这样，才能收到综合的节能效果。4钢铁企业系统节能技术根据载能体的概念，节能的方向有三个：4.2系统节能技术(1)生产流程优化通过工艺结构优化使生产流程连续、紧凑和高效化，是节能和改善环境的重要环节。钢铁工业是典型的流程制造业，其特点是：流程串联作业上工序的输出（产品）是下工序的输入（原料）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。工序集成制造高炉－转炉－轧钢生产流程变化和演进示意图目标：物流衰减值最小化能量损失最小化过程排放量最小化方向：连续化或准连续化紧凑化（时间、空间）动态－有序和可控(1)生产流程优化600～800万t/a（平材）高炉转炉长流程240～280万t/a（平材）高炉转炉长流程170万t/a（长材）高炉转炉长流程100万t/a（长材）高炉转炉长流程60～70万t/a（合金钢长材）电炉短流程180～200万t/a（平材）电炉短流程60万t/a（长材）电炉短流程我国钢铁生产典型流程：(1)生产流程优化典型流程能源效率指标比较序号产品钢产量104t/a资源效率能源效率1平材8001.051.462平材2801.061.573长材1451.041.324长材1750.981.405合金钢长材704.563.126普钢2002.983.957普通棒材1004.513.644.2系统节能技术(1)生产流程优化新一代钢铁生产流程是以产品高质量、节能减排、高效化生产、生产流程紧凑化连续化，建立物流和能源循环发展为链条的特点，实现钢铁企业的绿色制造和可持续发展。鞍钢鲅鱼圈、首钢曹妃甸等新建的一批钢铁生产基地都是按照新一代钢铁生产流程的要求进行设计和组织生产的，企业的综合能耗水平应达到国际先进水平。建设新一代钢铁生产流程（2）发展界面技术炼焦烧结炼铁炼钢连铸连轧炼焦前烧结前炼焦/炼铁界面烧结/炼铁界面炼铁/炼钢界面炼钢/连铸界面连铸/连轧界面成品界面钢铁生产流程的界面4.2系统节能技术界面技术现状炼焦烧结炼铁炼钢连铸连轧CDQ废钢预热铁水预处理连铸坯热送热装+HTAC烧结显热回收蒸汽铁水运输优化钢水精炼、运输优化煤调湿（2）发展界面技术4.2系统节能技术(3)结构调整

提高连铸比，连铸机高效化连铸生产工艺与模铸工艺比较，约节能25％～50％，提高金属收得率10％～15％，节省基建投资40％，促进生产过程自动化，使钢种扩大，钢坯质量得到提高。2008年全国重点钢铁企业连铸比为99.17％，比上年提高1.69％。全国连铸机有50％以上已经实现了高效化，促进了炼钢工序节能。高效连铸是指连铸机实现高拉速、高作业率、高连浇率。4.2系统节能技术(3)结构调整

提高高炉炉料中球团配比球团矿与烧结矿比较，含铁品位约高5％。提高高炉炉料中球团矿配比，可提高炼铁入炉矿含铁品位，使炼铁节焦增产。球团工序能耗约30.29kgce/t，烧结工序能耗约55.49kgce/t。所以，用1t球团代替1t烧结矿，炼铁系统约可降低能耗25.20kgce/t。4.2系统节能技术(3)结构调整

提高高炉喷煤比高炉喷煤工序能耗在20～35kgce/t，而焦化工序能耗约119.97kgce/t。所以，用1t煤粉代替1t焦炭，约可降低90kgce/t能耗，同时减少了炼焦过程对环境的污染。2008年全国重点钢铁企业中有34个企业高炉喷煤比有所增加，有18个企业喷煤比提高的幅度大于10kg/t，增加最多的是天津钢管公司47kg/t。提高喷煤比之后高炉燃料比不应升高，这是衡量高炉喷煤技术水平和经济效益的重要标准。2008年全国重点钢铁企业之中有18个企业喷煤比增加，焦比有所降低，燃料比也得到相应降低，促进了高炉炼铁的能源消耗降低。4.2系统节能技术（4）余热余能的回收利用

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: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。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,钢坯的显然最好直接输入下道工序（热衔接），作为100％的可用能，没有损失；如果用热交换的方式（钢坯余热锅炉）回收钢坯显热，将造成贬值。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，它比通过余热回收装置回收能量更为经济、有效。炉窑要尽量减少用能过程的损失，不应把希望寄托在“回收”已经发生的损失上去。已经发生的不可逆损失是绝不可能再回收的！钢厂钢产量（万t）余热余能发生量实际回收能量节能潜力回收热效率A80013.0766.5796.550％B66013.1766.897.0652％C65012.815.966.846％D52513.06.567.0450％E52013.1765.827.3644％F50013.3166.76.650％G30013.5267.046.4952％H22013.0567.0625.9954％平均13.06.56.550％我国钢铁企业余热余能回收利用状况GJ/t钢我国钢铁制造流程的余热余能资源量大约13GJ/t钢，目前只回收50%，估计还有2.7GJ/t钢的回收潜力，如果实现，吨钢综合能耗将下降约111kgce/t钢原则顺序：根据供需情况按质用能、温度对口、热尽其用生产再生资源直接热回收预热空气、煤气(蓄热室技术)、干燥物料方便、经济动力回收燃气蒸汽联合循环发电H2,CO,甲醇、CO2根据余热资源的数量、品质和企业需求，尽量生产能质高、值大的物质或能量（余热的能质要升值）。（4）余热余能的回收利用燃气－蒸汽联合循环发电蒸汽动力循环的主要损失在锅炉内，其中燃烧和传热损失占主要部分。目前采用水蒸汽为工质的蒸汽动力循环已无法避免这一损失。135～～空气2燃料排气4蒸汽61－压气机；2－燃烧室；3－燃气轮机；4－余热锅炉；5－汽轮机；6－冷凝器；7－给水泵7(4)余热余能的回收利用（5）高炉渣显热回收高炉—转炉流程将在相当长时间内占据炼钢生产的主导地位，而大量的高炉渣显热目前还没有得到有效回收。开发高炉渣显热回收技术将极大地促进我国钢铁工业的节能和技术进步，其贡献将不亚于干熄焦技术。新日铁风淬法高炉渣热回收系统工艺流程示意图(6)能源多联产系统石油焦生物质空气分离净化重整气体分离热/电/冷联产IGCC/GCC化工产品液体燃料其他商业楼宇住宅热/电/冷联产大规模发电燃料电池埋存藻类生长强化石油和煤层气开发天然气空气煤气化N2,ArO2合成气硫蒸汽干冰化工CO2+H2CO2H2(7)开发应用无水、少水工艺干熄焦技术、化工无蒸汽生产高炉煤气干法除尘转炉煤气干法除尘空冷冶金渣处理热导油蒸氨工艺…………吨钢耗汽量序号工序产品产(×104t)耗汽量(GJ)采用替换介质最终耗汽量(GJ)1焦化3401411420导热油02烧结1030420966180～250℃的废气03炼铁9005083520----50835204炼钢1000967210氮气05冷轧200495900导热油06制氧—692900电力07其他—480815太阳能、风能等2885008总量—13880031----53720201000万t规模企业的蒸汽供需模式吨钢余热蒸汽回收量及发电量1000万t规模企业的余热蒸汽回收情况序号工序产品产量(×104t)余热蒸汽回收(kg/t产品)余热蒸汽回收量(GJ)1焦化340550（CDQ）65165002烧结103011031908203炼钢10009524783104线材2001003956605中厚板200904126806卷材370906169707总量——136109401000万t规模企业的余热蒸汽发电情况序号工序产品产量(×104t)分布式发电(kWh/t产品)发电量(×104kWh)1焦化34040～50170002烧结103015～18.5185403炼钢100012～14130004总量——485401000万t规模企业的最小吨钢耗汽量约18.4kgce/t钢，最大余热蒸汽富余量45.5kgce/t钢，可发电48540万kWh，共为企业节能14560万tce，年效益近2.4亿元。(8)推广蓄热式燃烧技术