鋼鐵流程結(jié)構(gòu)分析及能耗評價

供稿|陳畢楊, 姜澤毅 / CHEN Bi-yang, JIANG Ze-yi

我國鋼鐵行業(yè)是典型的高污染、高能耗行業(yè)。多年來我國鋼鐵業(yè)實現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)超高速增長，也在節(jié)能減排、減少對環(huán)境的污染等各個方面取得了顯著的進(jìn)步。但是我國大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼可比能耗與國外先進(jìn)水平還有10%~15%的差距，具有較大的節(jié)能減排潛力[1]。

鋼鐵工業(yè)作為典型的流程制造業(yè)，具有資源密集、能耗密集的特點，同時鋼鐵制造流程工序多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造流程伴隨著大量物質(zhì)和能量排放[2]

本文從系統(tǒng)節(jié)能的角度研究了鋼鐵制造流程物質(zhì)流、能量流及其相互作用關(guān)系，劃分和分析流程結(jié)構(gòu)的目的是要明確鋼鐵流程的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立科學(xué)的評價體系，挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，為鋼鐵流程節(jié)能分析奠定基礎(chǔ)。

鋼鐵流程結(jié)構(gòu)分析

鋼鐵制造流程主要分為高爐-轉(zhuǎn)爐-鑄軋長流程和電爐-鑄軋短流程兩種。在我國，傳統(tǒng)長流程制造工藝占到90%左右，本文只討論長流程的結(jié)構(gòu)劃分。建立鋼鐵長流程的物質(zhì)能量流結(jié)構(gòu)，是著眼于全流程，針對節(jié)能技術(shù)和能耗分析的一種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)劃分。結(jié)構(gòu)劃分模型把整個鋼鐵制造流程劃分為四級結(jié)構(gòu)，逐級展開分析，是建立企業(yè)能源評價體系的基礎(chǔ)，也是研究各項節(jié)能技術(shù)和技術(shù)組合的基礎(chǔ)。其主要特點是完全把焦化工藝獨立出主流程工序，并入能源轉(zhuǎn)換中心，這樣的劃分方法至少有兩個好處，第一是使得整個主體流程工序從源頭開始到產(chǎn)品成為完成的貫穿始終的鐵素流流跡。第二把焦化工序并入能源轉(zhuǎn)換中心體現(xiàn)了焦化工序的本質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)劃分可以同時適應(yīng)自備焦化工序和外購焦炭兩種鋼鐵流程的物質(zhì)能量流運行行為描述。

鋼鐵生產(chǎn)長流程稱為總流程?？偭鞒虨橐患壗Y(jié)構(gòu)，包括三大部分：鐵素流主體工序、能源轉(zhuǎn)換中心以及排放處理中心，這三大部分統(tǒng)稱為二級結(jié)構(gòu)。鐵素流主工序中的各工序系統(tǒng)等屬于三級結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)由三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劃分而來，集中在工序系統(tǒng)中，主要由鐵素流六大工序的主體設(shè)備和輔助設(shè)備構(gòu)成。此外能源調(diào)配系統(tǒng)下的電力、蒸汽、煤氣、氣體、給水等調(diào)配也屬于四級結(jié)構(gòu)。綜上所述，鋼鐵生產(chǎn)長流程的物質(zhì)能量流四級結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。

圖1 鋼鐵流程四級結(jié)構(gòu)圖

鐵素流主體工序由燒結(jié)工序、球團(tuán)工序、煉鐵工序、煉鋼工序、連鑄工序和軋鋼工序組成。除了燒結(jié)和球團(tuán)兩個鐵前備料系統(tǒng)以外，其余四個系統(tǒng)分別擁有一個界面與前一個工序相連接，例如煉鋼工序和位于煉鋼工序之前與煉鐵工序相連接的界面合稱為煉鋼工序系統(tǒng)，作為流程劃分中的三級結(jié)構(gòu)。在工序系統(tǒng)之下還可以劃分四級結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)由主體設(shè)備和輔助設(shè)備構(gòu)成。例如煉鐵工序中的主體設(shè)備為高爐。熱風(fēng)爐等其他設(shè)備統(tǒng)稱為輔助設(shè)備。他們都是流程中的基本結(jié)構(gòu)單元。單從物質(zhì)流角度上看，鐵素流貫穿整個主工序流程，工序系統(tǒng)之間是串聯(lián)關(guān)系。雖然各級結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，但并不影響模型的應(yīng)用。工序系統(tǒng)中的能源物質(zhì)關(guān)系如圖2所示。

圖2 工序系統(tǒng)中的能源物質(zhì)關(guān)系

能源轉(zhuǎn)換中心包括焦化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)和能源調(diào)配系統(tǒng)，相對于主體工序系統(tǒng)來說，能源轉(zhuǎn)換中心的各大系統(tǒng)之間相對獨立，沒有明顯的物質(zhì)流和能量流的上下級關(guān)系，主要是能量流的傳遞且傳遞關(guān)系簡單。能源調(diào)配系統(tǒng)包括電力、蒸汽、煤氣、氣體、給水等各種能源的調(diào)配，分別和鐵素流之間進(jìn)行能源的傳遞和交換。

排放處理中心特指全廠性或集中性的揚塵處理、污水處理、廢棄物處理等。不包括工序中的各種減排技術(shù)。

總結(jié)以上四級結(jié)構(gòu)的能源物質(zhì)關(guān)系如圖3所示.

能源折標(biāo)的原則和方法

鋼鐵企業(yè)能量平衡是以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程為體系，從能源購入儲存，能源轉(zhuǎn)換，輸送分配，到各生產(chǎn)部門用能之間的平衡。本文的能量平衡模型是將總流程中的鐵素流劃分成各個工序子系統(tǒng)，進(jìn)行局部的平衡分析后再進(jìn)行綜合。

能源的等價值，是指為了得到一個單位的二次能源(或耗能工質(zhì))實際要消耗的一次能源的熱量，即加工轉(zhuǎn)換產(chǎn)出的某種能源與相應(yīng)投入的能源的當(dāng)量。能源等價熱值等于二次能源具有的理論熱值除以轉(zhuǎn)換效率[3]。

能源的當(dāng)量值，又稱理論熱值(或?qū)嶋H發(fā)熱值)，是指某種能源本身所含熱量，按熱量的多少可以折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量。當(dāng)量熱值的計算原則上要進(jìn)行實測，按國家標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)試樣在充氧的彈筒中完全燃燒所放出的熱量測算的。當(dāng)量熱值與等價熱值均折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量表示，稱為“折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)”。蒸汽的當(dāng)量熱值等于它的焓值，可根據(jù)其壓力和溫度查得。水和壓縮空氣的當(dāng)量熱值等于它的壓力能，可根據(jù)其壓力計算得出。對于氧氣、氮氣等的當(dāng)量熱值，分別等于從空氣中分離出來時所需的理論最小分離功與壓縮至供給壓力時的壓縮功之和。

鋼鐵企業(yè)所消耗的能源分為一次能源和二次能源，二次能源包括耗能工質(zhì)。鋼鐵企業(yè)的能源轉(zhuǎn)換中心不作為耗能部門，應(yīng)將它轉(zhuǎn)換的二次能源及耗能工質(zhì)按等價值折算成一次能源后，向用能工序折算。即將轉(zhuǎn)換部門的轉(zhuǎn)換損失分?jǐn)傇谟媚芄ば蛑?。但是，由于一般二次能源生產(chǎn)時轉(zhuǎn)換效率較高，無論采用等價值還是當(dāng)量值，計算結(jié)果都差異不大，此外，如果所有二次能源都采用等價值折標(biāo)，能源統(tǒng)計工作量太大，不利于提高統(tǒng)計效率。因此，“綜合能耗計算通則”[4]規(guī)定除電力折標(biāo)等價值和當(dāng)量值兩種方法并存，其他二次能源都統(tǒng)一采用當(dāng)量值折標(biāo)，這種方法中，加工轉(zhuǎn)換能量損失由能源轉(zhuǎn)換中心承擔(dān)。例如，燃料二次能源(各種煤氣)的等價熱值應(yīng)等于燃料的低位發(fā)熱值與加工轉(zhuǎn)換過程的單位能耗之和，實際應(yīng)大于其當(dāng)量熱值，而目前統(tǒng)一規(guī)定副產(chǎn)煤氣(焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等)的折標(biāo)系數(shù)取其當(dāng)量熱值即低位發(fā)熱量。

圖3 鋼鐵流程結(jié)構(gòu)的能源物質(zhì)關(guān)系

鋼鐵流程中電力折標(biāo)問題

我國電力折算成標(biāo)準(zhǔn)煤采用兩種方法：等價值和當(dāng)量值，而同樣的電量，這兩種方法計算的結(jié)果相差三倍左右。在企業(yè)能耗統(tǒng)計中，對電力我國一直使用等價值折標(biāo)。到2005年，“國家統(tǒng)計局關(guān)于布置2005年統(tǒng)計年報和2006年定期統(tǒng)計報表制度的通知”(國家統(tǒng)計局[2005]85號文)的出臺，規(guī)定了從2006年開始，企業(yè)能源統(tǒng)計中電力消費的折標(biāo)煤系數(shù)取消原用的等價系數(shù)0.404 kg/(kW·h)，統(tǒng)一采用當(dāng)量系數(shù)0.1229 kg/(kW·h)。隨后，2008年6月1日實施的“綜合能耗計算通則”(G B/T2589—2008)中規(guī)定電力折標(biāo)既可用等價值，也可用當(dāng)量值折標(biāo)，電力的等價值按當(dāng)年火電發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算。而此前該標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2589—1990)規(guī)定：任一規(guī)定的體系實際消耗的二次能源及耗能工質(zhì)均按相應(yīng)的能源等價值折算為一次能源。正是由于以上調(diào)整，涉及到劃定重點用能單位、劃定節(jié)能評估審查項目能耗等級、制定節(jié)能技改項目獎勵措施和節(jié)能量指標(biāo)的考核等一系列問題，使電力折標(biāo)統(tǒng)計時出現(xiàn)混亂[5]。

世界主要產(chǎn)鋼國家鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu)見表1。從表中可看出在各國鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu)中，我國的電力使用比例最高。因此我國對于電力折標(biāo)煤系數(shù)嚴(yán)重地影響了我國鋼鐵工業(yè)總用能水平的考核。這種下降實質(zhì)上是調(diào)整電力折標(biāo)煤系數(shù)所造成的影響，出現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的不可比，也使得我國鋼鐵工業(yè)與國外失去了可比性[6]。

鋼鐵企業(yè)中，電力的來源不外乎兩種，外購和自產(chǎn)。自產(chǎn)電力包括分散在各工序系統(tǒng)中的余能發(fā)電技術(shù)如干熄焦發(fā)電等，還包括一些大型鋼鐵企業(yè)擁有的自備發(fā)電廠。電力折標(biāo)可以根據(jù)不同企業(yè)的具體情況計算電力的等價折標(biāo)。

表1 鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu) %

鋼鐵流程中焦化環(huán)節(jié)的處理

當(dāng)今世界高爐的煉鐵產(chǎn)量一直占92%以上，在較長一段時間內(nèi)，消耗大量焦炭的高爐煉鐵工藝仍然是主要流程。大高爐對原燃料的質(zhì)量要求高于中小高爐，高噴煤比操作的高爐對焦炭質(zhì)量的要求更高[7]。

目前外購焦炭的鋼鐵企業(yè)根據(jù)國家統(tǒng)一規(guī)定在能耗統(tǒng)計中只采用焦炭的當(dāng)量值，也就是說直接省略了焦化工序的能耗，比自建焦化工序鋼鐵流程的噸鋼能耗低的多。而大型鋼鐵企業(yè)的自建焦化工序無論采用何種節(jié)能減排技術(shù)，在噸鋼可比能耗的計算中，也要加入焦化工序的能耗。也就是說，自建焦化工序無論怎樣節(jié)能生產(chǎn)其噸鋼能耗的計算都要比外購焦炭的企業(yè)多出一塊焦化的轉(zhuǎn)換耗能，這顯然是很不合理的。

因此，為了不同鋼鐵企業(yè)噸鋼能耗的合理比較，本文提出焦炭等價折標(biāo)。即：鋼鐵企業(yè)擁有煉焦工序的，焦碳按工序能耗折標(biāo)，焦化工序的副產(chǎn)品依照《綜合能耗計算通則》規(guī)定按當(dāng)量折標(biāo)，帶入煉鐵等各項鐵素流工序系統(tǒng)計算，如式(1)所示。外購焦炭的鋼鐵企業(yè)，按獨立焦化廠統(tǒng)一折標(biāo)，或者按所購獨立焦化廠生產(chǎn)能耗折標(biāo)。

焦炭等價折標(biāo)=焦炭當(dāng)量折標(biāo)+焦炭轉(zhuǎn)換耗能 (1)

這也就是為什么要提出鋼鐵流程四級結(jié)構(gòu)劃分法的原因之一。焦炭工序劃分出鐵素主流程，進(jìn)行等價折標(biāo)。即能使整個鐵素流流跡完整。體現(xiàn)了焦化工序是能源轉(zhuǎn)換過程的本質(zhì)。采用焦炭等價折標(biāo)，一方面促進(jìn)自建焦化工序的鋼鐵企業(yè)積極采用節(jié)能減排技術(shù)，努力降低自產(chǎn)焦炭折標(biāo)系數(shù)。另一方面促進(jìn)外購焦炭的鋼鐵企業(yè)購買更節(jié)能的焦化產(chǎn)品，進(jìn)而促進(jìn)獨立焦化廠改變傳統(tǒng)觀念，以用戶為主，生產(chǎn)高爐需要的高品質(zhì)的焦炭。同時完善環(huán)保措施，成為環(huán)境友好型、社會友好型企業(yè)。

值得一提的是國外鋼鐵企業(yè)是不包括耐火、鐵合金、炭素、焦化等專業(yè)的企業(yè)。造成我國鋼鐵企業(yè)能源利用水平和國外企業(yè)沒有可對比性的原因之一就是統(tǒng)計范圍的不一樣。本文提出的焦化工序處理方法在縮小國內(nèi)外能耗可比差距方面有一定的參考借鑒作用。

鋼鐵企業(yè)能耗評價

鋼鐵企業(yè)消耗能源主要包括：直接使用的燃料、動力；作為產(chǎn)品生產(chǎn)原料使用的能源；使用耗能工質(zhì)所相當(dāng)?shù)哪茉聪腫3]。能源的總消耗量的計算是對以上不同的能源求和。規(guī)定的耗能體系在一段時間內(nèi)實際消耗的各種能源實物量，分別折算為一次能源后的總和稱為綜合能耗。

鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序在統(tǒng)計期內(nèi)的綜合能耗是根據(jù)該工序的能源消耗和耗能工質(zhì)消耗的統(tǒng)計量，折算成一次能源量后進(jìn)行計算的。當(dāng)工序有外供二次能源時，則按規(guī)定的折算系數(shù)折算成一次能源后，從能耗中扣除相應(yīng)的量。即

式中， Egx為工序能耗，噸標(biāo)煤；egxi為工序?qū)種能源(耗能工質(zhì))的消耗量，實物單位；ρi為折標(biāo)系數(shù)，噸標(biāo)煤/實物單位； Ewg為工序外供二次能源(耗能工質(zhì))折算成一次能源的數(shù)量，噸標(biāo)煤。

企業(yè)的各種能源損耗不分?jǐn)偟焦ば蚰芎闹?，均取?dāng)量折標(biāo)。但在本文系統(tǒng)中，電力生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)的損失已通過等價折標(biāo)系數(shù)分?jǐn)偟胶哪懿块T。工序能耗只對主要生產(chǎn)系統(tǒng)的各生產(chǎn)工序而言，因此，各工序能耗之和等于主要生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合能耗。 工序單位能耗為工序能耗與該工序生產(chǎn)的合格產(chǎn)品量之比，可反映該工序的能耗水平。

鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品和副產(chǎn)品種類繁多，但一般以噸鋼綜合能耗作為能耗指標(biāo)。噸鋼綜合能耗為企業(yè)在統(tǒng)計期內(nèi)每噸鋼消耗的自耗能源量：

這個指標(biāo)簡單明了，容易計算，具有宏觀的統(tǒng)計意義，但可比性差。噸鋼綜合能耗的高低并不能說明節(jié)能工作的水平，而要作具體分析。不同企業(yè)之間以及同一企業(yè)的不同統(tǒng)計期的噸鋼綜合能耗都會出現(xiàn)不可比的現(xiàn)象，這是因為噸鋼綜合能耗直接和鋼產(chǎn)量成反比，例如煉鋼爐通過擴(kuò)容改造，鋼產(chǎn)量提高了，噸鋼綜合能耗馬上就降低。噸鋼綜合能耗又和企業(yè)自耗能源量成正比，這就和企業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品加工深度，主要耗料消耗情況，生產(chǎn)以外的其他能源消耗量等有密切關(guān)系[8]。

因而進(jìn)一步定義了可比單位綜合能耗?？梢栽谕袠I(yè)中進(jìn)行能耗比較，這是按統(tǒng)一規(guī)定的方法計算出來的單位綜合能耗量。

冶金系統(tǒng)為使指標(biāo)具有比性，盡可能消除不可比因素，具體計算可比能耗時，規(guī)定以生產(chǎn)一噸合格鋼作為基準(zhǔn)，只考慮以下工序：燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、鐵錠、初軋、軋鋼、企業(yè)能源中心、廠區(qū)運輸?shù)确謹(jǐn)傇诿繃嶄撋系哪芎牧恐?，焦炭和電力按等價折標(biāo)系數(shù)帶入計算，即：

式中，ekb為噸鋼可比能耗，噸標(biāo)煤/噸鋼；ezu為主要生產(chǎn)工序能耗，噸標(biāo)煤/噸鋼；eA，eB，eC為燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵單位能耗，噸標(biāo)煤/噸產(chǎn)品；a，b為燒結(jié)、球團(tuán)工序系統(tǒng)的鐵比系數(shù)，噸產(chǎn)品/噸鐵；c為鐵鋼比，噸鋼對鐵的消耗系數(shù)(噸鐵/噸鋼)；eF為煉鋼工序單位能耗，噸標(biāo)煤/噸鋼；eF1,eF2,eF3為轉(zhuǎn)爐、電爐、連鑄工序單位能耗，噸標(biāo)煤/噸鋼； f1，f2為轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼所占的比例；f3為連鑄比；eG為初軋工序單位能耗，噸標(biāo)煤/噸產(chǎn)品；g為初軋成坯率；n為初軋錠所占比例；eH為軋材工序單位能耗，噸標(biāo)煤/噸產(chǎn)品；h為企業(yè)綜合成材率；efu為輔助工序能耗，噸標(biāo)煤/噸鋼；Ey為運輸耗能量，噸標(biāo)煤；Er為能源中心耗能量，噸標(biāo)煤；MG為企業(yè)鋼產(chǎn)量，噸；es為噸鋼能源虧損，噸標(biāo)煤/噸鋼；Es為企業(yè)能源虧損量，噸標(biāo)煤。

噸鋼可比能耗在一定程度上彌補了噸鋼綜合能耗的不足。在不同的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)之間，在同一鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的不同統(tǒng)計期之間均有一定的可比性。一般而言，噸鋼可比能耗指標(biāo)低的，節(jié)能工作相對做得好些。另一方面這一指標(biāo)的可比性也是相對的，例如，電爐鋼比例大的企業(yè)，由于它的原料是廢鋼，不增加煉鐵系統(tǒng)的能耗，企業(yè)噸鋼可比能耗要低得多；軋制深加工程度深的企業(yè)，可比能耗會增加[9]。

結(jié)束語

本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對鋼鐵流程的物質(zhì)能量流的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確立鋼鐵流程的分析方法和模型，建立了鋼鐵長流程物質(zhì)能量流的四級結(jié)構(gòu)劃分法。該結(jié)構(gòu)使流程中物質(zhì)流與能量流相對獨立。在此基礎(chǔ)上提出了流程中能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能耗計算方法，進(jìn)一步改進(jìn)了鋼鐵流程能耗評價計算，使企業(yè)間可比綜合能耗和工序能耗的計算更加科學(xué)。

[1] 中國金屬學(xué)會．2001— 2005年中國鋼鐵工業(yè)科技進(jìn)步報告[R]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

[2] 殷瑞鈺．關(guān)于新一代鋼鐵制造流程的命題．上海金屬，2006，28(4)：1-5．

[3] 湯學(xué)忠．熱能轉(zhuǎn)化與利用．北京：北 京冶金工業(yè)出版社，2002．

[4] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)綜合能耗計算通則，2008：1-5.

[5] 官義高．關(guān)于電力折標(biāo)問題的探討. 中國能源，2009，31(6)：34-36．

[6] 王維興．科學(xué) 評價中國鋼鐵工業(yè)能耗現(xiàn)狀與國內(nèi)外對標(biāo)．四川冶金，2009，31(4)：1-6．

[7] 陳景榮，易寶群，鄭文華．我國獨 立焦化廠的發(fā)展戰(zhàn)略. 燃料與化工，2011，42(2)：1-3．

[8] 揚華峰，姜維軍．企業(yè)節(jié)能減排效果綜合評價指標(biāo)體系研究. 工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2008，27(10)：55-58．

[9] 葛敦镕，劉建芬．關(guān)于杭鋼噸鋼能耗指標(biāo)的剖析和探討．浙江冶金，2003，5(2)：32-36．