冶金生產(chǎn)余能回收的一種新的能量分析法

稅 烺，賀東風(fēng)，艾立翔，徐安軍，田乃媛

(北京科技大學(xué)高效鋼鐵冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

冶金生產(chǎn)余能回收的一種新的能量分析法

稅 烺，賀東風(fēng)，艾立翔，徐安軍，田乃媛

(北京科技大學(xué)高效鋼鐵冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

針對冶金生產(chǎn)余能回收過程，結(jié)合傳統(tǒng)熱平衡分析法和火用分析法提出了結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的新能量分析方法.并運(yùn)用國內(nèi)某大型鋼鐵廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)建立起針對鋼鐵生產(chǎn)余能資源的能量分析模型.基于該模型提出了理論工序最小能耗，分析了各工序節(jié)能潛力.

冶金生產(chǎn)；余能資源；最小能耗；火用；節(jié)能潛力

0 前 言

現(xiàn)代鋼鐵制造的長流程生產(chǎn)，決定了余能資源產(chǎn)生量大；較高的溫度決定了余能資源可利用程度高；而多相和多工序的特點(diǎn)導(dǎo)致了余能資源的回收困難和較大的成本投入[1-2].自2006年節(jié)能減排工作實(shí)施以來，作為我國能源消耗大戶的鋼鐵行業(yè)，節(jié)能減排的任務(wù)更加緊迫.因此，如何利用量大、質(zhì)高的余能資源成為鋼鐵工業(yè)節(jié)能的主要途徑之一[3].

1 鋼鐵生產(chǎn)能量利用問題的兩類分析方法

1.1 熱平衡分析法

熱平衡分析法從熱力學(xué)第一定律出發(fā)主要通過建立鋼鐵生產(chǎn)過程各個工序的物料平衡和熱平衡來獲得工序的能量消耗狀況，從而對該工序的余能回收潛力做出分析[4-6].雖然這種基于熱力學(xué)第一定律的熱平衡分析法可以比較容易確定輸入能量和回收能量的量的關(guān)系，卻不能更為詳細(xì)分析余能資源的可用性問題.因?yàn)檫@種方法僅從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，認(rèn)為可以將余能資源所含能值全部回收用作做功.然而，熱力學(xué)第二定律指出，余能資源所含能值并不能全部回收用作做功，需要根據(jù)余能資源包含能量的種類得出其回收做功的極限值.因此，若僅考慮熱力學(xué)第一定律就不能將可做功能量與不可做功能量混淆，所得到的理論工序最小能耗也不夠精確.

1.2 ?分析法

火用分析法從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，充分考慮到了過程中能量的品質(zhì)變化問題，揭示了能量品質(zhì)對實(shí)際利用的影響，可為全面辨識系統(tǒng)用能限制性環(huán)節(jié)提供依據(jù).火用是指在除環(huán)境外無其它熱源的條件下，當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，能夠最大限度轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量，代表了物料對外做功的能力大小[7].但已有的研究大多使用火用損或火用效率來衡量工序的能量利用狀況，找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出工序內(nèi)部的能量優(yōu)化方案[8-12].而在余能資源回收利用的實(shí)際問題中，由于并不能將火用從總體能量中剝離出來，所以用火用損或火用效率作為指標(biāo)就顯得過于抽象，不如熱平衡分析法那樣可直接反映出工序的能量消耗.

綜上，由于熱平衡分析法和火用分析法在分析余能資源中各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此有必要綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)提出一種新的分析方法.

2 一種新的能量分析方法

綜合熱平衡法和火用分析法的特點(diǎn)，提出結(jié)合二者特點(diǎn)的新能量分析方法來分析鋼鐵生產(chǎn)各工序余能資源回收利用情況.

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果將某一工序視為黑箱，則輸入該工序和輸出該工序的能量應(yīng)該相等.但在實(shí)際生產(chǎn)中，從能量回收利用的角度，還需要區(qū)分可用能和不可用能的差別，即能量的品質(zhì)問題，這就需要用到熱力學(xué)第二定律.可針對黑箱工序的輸出能量做火用分析，得到可轉(zhuǎn)化的能量，其余則是通過各種途徑消耗不可轉(zhuǎn)化的能量.因此，用輸入該黑箱工序的總能量減去可轉(zhuǎn)化的能量可得到該工序輸出中不可轉(zhuǎn)化的能量，即該工序的理論工序能耗.用這種方法計算得到的理論工序能耗比單純運(yùn)用熱力學(xué)第一定律的熱平衡法更充分考慮了能量的品質(zhì)對實(shí)際應(yīng)用的影響，并且指出系統(tǒng)的理論最小能耗，更具有精確性.

3 新的能量分析模型建立及應(yīng)用

3.1 模型的建立

針對某鋼廠現(xiàn)有固定的冶煉工藝技術(shù)，建立能量分析模型，將其現(xiàn)有二次能源全部回收，所得到的火用值即是理想的二次能源最大可用值.然后，用輸入工序的總能量減去回收的火用量就得到理論工序能耗.

3.2 ?值的計算

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在等壓條件下，火用(exergy)的定義如下：

式中：H，H0為工質(zhì)當(dāng)前狀態(tài)下的焓，工質(zhì)環(huán)境狀態(tài)下的焓，/J；S，S0為工質(zhì)當(dāng)前狀態(tài)下的熵，工質(zhì)環(huán)境狀態(tài)下的熵，/(J·K-1)；T，T0為工質(zhì)當(dāng)前溫度，環(huán)境溫度，/K；Cp為工質(zhì)等壓熱容，/(J·K-1)；Ek為工質(zhì)的動能，/J；Ep為工質(zhì)的勢能，/J.

在應(yīng)用過程中，通常工質(zhì)在過程前后動能和勢能都不會發(fā)生變化，故通常忽略Ek和Ep.并且通常認(rèn)為物質(zhì)的熱容Cp不隨溫度的變化而變化，故可簡化為：

若過程中沒有相變，則可以直接積分如下，若有相變則要分段積分.

在非等壓條件下，還需考慮過程前后壓力改變的壓力火用.壓力火用是指氣體介質(zhì)的溫度與環(huán)境溫度相同，壓力P與環(huán)境壓力P0不同時所具有的火用.在氣體工質(zhì)穩(wěn)定流動和溫度不變的條件下，壓力火用可表示為：

3.3 利用模型對國內(nèi)某大型鋼鐵廠余能資源進(jìn)行分析

依據(jù)以上能量分析模型對國內(nèi)某工廠各工序能耗進(jìn)行計算，匯總結(jié)果如表1所示.

表1的結(jié)果顯示出了運(yùn)用新能量分析模型計算出的理論工序能耗E1與該廠實(shí)際工序能耗E實(shí)的對比情況，可以看出各個工序的節(jié)能潛力.高爐工序是該鋼鐵廠能耗最大的工序，其實(shí)際工序能耗和理論工序能耗比其它工序都要大很多.其次是焦化工序，其工序的輸入能量最大，但由于其回收二次能源量也較大，所以實(shí)際工序能耗并沒有超過高爐，由表1可以看出，焦化工序是鋼鐵廠中二次能源產(chǎn)量最大的工序.該鋼鐵廠的轉(zhuǎn)爐工序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)能生產(chǎn)，即輸入的能量小于回收的二次能源量，這在國內(nèi)的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中是較為先進(jìn)的，但由轉(zhuǎn)爐的理論工序能耗E1可知，E實(shí)還有很大的降低空間.通過E1和E實(shí)的綜合比較，可以看出該鋼鐵廠節(jié)能潛力較大的工序有燒結(jié)、焦化、高爐和轉(zhuǎn)爐.

表1 運(yùn)用熱平衡與火用分析相結(jié)合的方法計算某鋼廠各工序能耗匯總表 /（kgce·t-1）

將工序能耗乘以各工序的鋼比系數(shù)可以得到該工序的噸鋼能耗，從而將各工序的能耗進(jìn)行橫向比較，如表2所示.

表2 各工序噸鋼能耗匯總表

可以看出，在該鋼鐵廠眾多的生產(chǎn)工序中，高爐工序的噸鋼能耗所占比例最高，達(dá)到66.77%，超過了其它所有工序能耗的總和.因此，高爐工序的節(jié)能工作是鋼鐵廠節(jié)能的重點(diǎn)環(huán)節(jié).此外，輸入能量和回收能量都很大的焦化工序，由于其鋼比系數(shù)較小，所以整體的噸鋼能耗也較小.轉(zhuǎn)爐工序的負(fù)能生產(chǎn)從總體上減少了鋼鐵廠的能耗，所以進(jìn)一步發(fā)展負(fù)能煉鋼技術(shù)也是非常重要的節(jié)能措施.

為了將新的能量分析方法與傳統(tǒng)的熱平衡法進(jìn)行對比，現(xiàn)運(yùn)用該廠數(shù)據(jù)，用熱平衡法計算該廠的各工序能耗如表3所示.

綜合表1與表3的工序能耗計算結(jié)果，將各工序能耗進(jìn)行統(tǒng)一對比，如圖1所示.

從圖1中可以看出，用傳統(tǒng)熱平衡法計算的理論工序能耗E2與用新能量分析模型計算的理論工序能耗值E1和實(shí)際工序能耗E實(shí)之間的關(guān)系是E2＜E1＜E實(shí).雖然E2是最小值，但用E2作為理論工序最小能耗Emin是不準(zhǔn)確的.因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)第二定律，工序的余能資源里有部分能量是無法回收的，而用傳統(tǒng)的熱平衡法計算E2的過程中只考慮了熱力學(xué)第一定律，將余能資源（如廢氣余熱、焦?fàn)t煤氣余熱等）中那部分不可逆的能量也算作可回收做功的能量，所以工序能耗總是偏小.而這個過程在熱力學(xué)上是不可能做到的，所以，用E2作為理論工序最小能耗Emin是不準(zhǔn)確的.

表3 運(yùn)用熱平衡方法計算某鋼廠各工序能耗匯總表/（kgce·t-1）

圖1 兩種方法計算的工序能耗與實(shí)際能耗對比

而新能量分析方法的計算過程綜合了熱力學(xué)第一和第二定律，計算出了余能資源中可回收做功的能量，即火用，并只將火用作為回收的部分，由此得到工序能耗E1.因此，雖然E1總是比E2大，卻表示了工序過程在熱力學(xué)上能夠達(dá)到的理論最小能耗值，即Emin=E1.這也是新方法比傳統(tǒng)的熱平衡法更優(yōu)越的地方.運(yùn)用理論最小能耗值Emin，可以非常方便的評價各工序的節(jié)能潛力大小，E實(shí)與Emin之差就表示該工序的節(jié)能潛力.

用節(jié)能潛力因子f可以更好的衡量各工序的節(jié)能效率：

計算結(jié)果如表4所示.

表4 各工序節(jié)能空間與節(jié)能潛力

結(jié)合圖1和表4可以看出，高爐、燒結(jié)和焦化仍然是該廠的能源消耗重點(diǎn)環(huán)節(jié).轉(zhuǎn)爐已基本實(shí)現(xiàn)負(fù)能生產(chǎn)，但尚有很大的節(jié)能空間.軋鋼車間由于其生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，產(chǎn)生的二次能源較少，故通過二次資源回收節(jié)能的潛力不大.

節(jié)能潛力因子f排除了各工序能耗絕對值的影響，可以用于衡量工序節(jié)能效率.轉(zhuǎn)爐、燒結(jié)、焦化和型棒軋鋼車間節(jié)能潛力因子較高，因此針對這幾個工序的二次資源回收利用可以獲得較高的節(jié)能效率，如圖2所示.

圖2 各工序節(jié)能潛力因子

4 結(jié) 論

（1）新能量分析方法比傳統(tǒng)的熱平衡分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于考慮到了熱力學(xué)第二定律的不可逆因素，因而得到的能耗值更加精確；比傳統(tǒng)火用分析法的優(yōu)點(diǎn)在于沒有使用火用損及火用效率等抽象指標(biāo)，而是結(jié)合了能量守恒原則來得出理論工序能耗，這樣使分析結(jié)果更加具體和準(zhǔn)確.

（2）對國內(nèi)某鋼廠的工序能耗計算結(jié)果表明E2＜E1＜E實(shí)，并且將傳統(tǒng)方法計算的結(jié)果E2作為現(xiàn)有技術(shù)條件下的Emin并不準(zhǔn)確，而應(yīng)該使用Emin=E1.E實(shí)與Emin之差可表示工序的節(jié)能空間的大小.引入節(jié)能潛力因子f可排除能耗絕對值的影響從而衡量工序的節(jié)能效率.

（3）能耗分析表明，鋼鐵廠的高爐、焦化、燒結(jié)工序在理論上和實(shí)際上都是高能耗的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并且E實(shí)比Emin仍高出很多，即還有很大的節(jié)能空間，因此鋼鐵企業(yè)的總體能源優(yōu)化應(yīng)該著重考慮這3個工序.該廠的轉(zhuǎn)爐工序雖然已初步實(shí)現(xiàn)負(fù)能生產(chǎn)，但與理論最小能耗相差甚遠(yuǎn)，并且其節(jié)能潛力因子f較高，說明其節(jié)能效率較高.

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An analytical method for waste energy recycling in metallurgical production

SHUI Lang,HE Dong-feng,AI Li-xiang,XU An-jun,TIAN Nai-yuan

(State Key Lab of High Efficiency Iron and Steel Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

This paper summarized the methods that analyze energy utilizing in metallurgical production and broke them down into two categories,thus combined the advantages of the two to propose a new analytical method that consists of both heat balance and exergy analysis for energy recycling.Afterwards,practical production data from a certain steel plant and relative factors were employed to establish an analytical model of waste energy recycling.At last,based on the model,the theoretical lowest energy consumption for each process was brought up,and energy saving capacity of each was analyzed.

metallurgical production;secondary energy;lowest energy consumption;exergy;energy saving capacity

TF531

A

1674-9669（2012）01-0043-06

2011-11-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（FRF-BR-10-027B）

稅 烺（1987- ），男，碩士研究生，主要從事鋼鐵冶金理論分析與工程實(shí)踐研究，E-mail:ustb1234@126.com.