鋼鐵企業(yè)能量流分析方法研究

楊 蕓，郭 敏

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 咨詢事業(yè)本部，重慶401122)

中國的鋼鐵產(chǎn)能在飛速擴張過程中，大部分鋼鐵企業(yè)邊發(fā)展邊建設(shè)，存在重技術(shù)設(shè)備、輕流程關(guān)聯(lián)的觀念，企業(yè)全流程內(nèi)設(shè)備配置、工藝技術(shù)與流程和系統(tǒng)匹配性不高，設(shè)備利用率、能源利用水平等均有不同程度的優(yōu)化空間。在鋼鐵產(chǎn)能過剩的大背景下，鋼鐵企業(yè)需要從內(nèi)部挖潛力降成本以增加競爭力。中國的鋼鐵制造以長流程技術(shù)為主，其能源成本約占鋼鐵制造成本的25%～30%，降低能源消耗是企業(yè)降低運營成本的一個重要手段，也是國家倡導(dǎo)綠色制造的大勢所趨。

現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程是將含鐵原料經(jīng)過一系列物理、化學(xué)變化從天然資源轉(zhuǎn)變到鋼鐵產(chǎn)品及其副產(chǎn)品，殷瑞鈺院士提出了鋼鐵企業(yè)的“流”的概念[1]，在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，鐵素物質(zhì)流是被加工的主體，能源介質(zhì)(如煤炭、焦炭、煤氣、電力、蒸汽等)則作為驅(qū)動力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)或熱介質(zhì)按照工藝要求對物質(zhì)進行加工、處理，使其發(fā)生位移、化學(xué)和物理轉(zhuǎn)換、形變和相變等變化。各種能源經(jīng)過一系列加工、轉(zhuǎn)換、改質(zhì)環(huán)節(jié)得到能源產(chǎn)品，各種能源產(chǎn)品沿著轉(zhuǎn)換、使用、排放的路徑流動，形成了能量流。

中國的鋼鐵企業(yè)在過去的建設(shè)過程中，更多地是關(guān)注技術(shù)設(shè)備，對鋼鐵生產(chǎn)的流程關(guān)聯(lián)重視不足。隨著“流”的概念被越來越多的人所接受，如何從系統(tǒng)層面節(jié)能降本已成為鋼鐵從業(yè)者更關(guān)心的問題。

1 當前鋼鐵能源利用分析方法局限性

當前鋼鐵企業(yè)的管理模式主要是按生產(chǎn)工藝分單元進行管理，在全廠能源管理層面通常設(shè)有能源部負責(zé)全廠能源調(diào)度，但主要的能源利用分析還是分散在如原料廠、燒結(jié)廠、球團廠、石灰廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠等二級生產(chǎn)單元或車間中，雖然現(xiàn)在不少企業(yè)已經(jīng)開始實行鐵前、鋼后的大部制管理，但這種分類主要是為解決工序生產(chǎn)間的協(xié)調(diào)配合問題，在能源管理上由于多年采用工序能耗指標分析的慣性，并未能很好地解決系統(tǒng)性的流程問題。

鋼鐵企業(yè)經(jīng)常開展與自己類似企業(yè)的對標，通過對比能源消耗指標間的差距尋找自身改善的方向和目標。當前的能源評價指標主要是以工序單位產(chǎn)品能耗和噸鋼綜合能耗、噸鋼可比能耗為主，輔以自發(fā)電率、噸鋼耗新水、噸鋼耗電、年耗煤量、煤氣放散率、鐵水運輸設(shè)備周轉(zhuǎn)率、鑄坯熱裝熱送率等專項指標進行評價[2]。這些指標有一定的指導(dǎo)意義，但在實際操作中，由于工序配置、設(shè)備選型、計量管理模式、統(tǒng)計范圍的不同，對標工作存在較大的不確定性，企業(yè)不易通過這種對標快速幫助自身查找挖潛空間。

對于鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能降本的分析，應(yīng)該以全廠綜合的視角，從工藝流程、工藝流程界面、能源平衡、能源梯級利用、余熱余能回收利用等方面進行系統(tǒng)性分析。

2 工序消耗能定義

鋼鐵生產(chǎn)的能源計量以生產(chǎn)工藝單元為界，可以分為五股能量流：輸入能量Qin、產(chǎn)品輸出能量Qout、回收能量Qback、損失能量Q′，工序凈能耗Qj。

工序凈能耗Qj=Qin-Qout-Qback-Q′

(1)

式(1)中，Qin和Qback通常能夠被計量，Qout不能簡單的被計量，但可以根據(jù)鋼廠現(xiàn)有的檢測手段被計算，而Q′則沒有常規(guī)的計量或計算辦法，故Qj也無法被簡單計量并用于對標分析，因此可將式(1)變形為

工序消耗能Qh=(Qj+Q′)=Qin-Qout-Qback

(2)

工序消耗能率η=Qh/Qin=(Qj+Q′)/Qin

(3)

工序消耗能和通常使用的工序能耗的區(qū)別在于增加了Qout的計算，Qout的帶入更加真實還原了各工序和界面的能量輸入輸出，工序消耗能率η則反映了輸入能源在本工序被消耗的比率。

3 能量利用計算分析

對于鋼鐵存量產(chǎn)能，在鋼鐵企業(yè)各工序工藝、設(shè)備已經(jīng)確定不變的情況下，假設(shè)其Qj保持不變，從提高能源利用效率出發(fā)，在保障工序產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下，節(jié)能降本的方向應(yīng)為減少損失能量Q′、增加回收能量Qback、將輸出能量Qout盡可能多的轉(zhuǎn)變?yōu)镼back(或下一工序的Qin)。其具體內(nèi)容包括：

(1)各工序輸入的物質(zhì)中所含的能；

(2)各工序輸出的物質(zhì)中所含的能；

(3)各工序熱平衡計算支出部分中的化學(xué)反應(yīng)熱，包括在本工序被消耗或帶入下一工序的能量；

(4)各工序產(chǎn)品相變或物理形變所需的能量以及生產(chǎn)過程中各類損失的能量由于不可計量，統(tǒng)一計入該工序的消耗能。

物質(zhì)所含能：鋼鐵工藝流程各工序在生產(chǎn)過程中均伴隨著能源的轉(zhuǎn)換、物質(zhì)的形變和相變等變化，各工序輸入、輸出的能量包括一次能源、二次能源、耗能工質(zhì)、產(chǎn)品及副產(chǎn)品中所含的機械能和化學(xué)能等。

化學(xué)反應(yīng)熱：鋼鐵生產(chǎn)過程中如燒結(jié)、焦化、石灰、煉鐵、煉鋼等工序均涉及化學(xué)反應(yīng)，本文的化學(xué)反應(yīng)熱是指按照生產(chǎn)實物方式計算熱平衡中熱支出部分中的化學(xué)反應(yīng)熱。

以鋼鐵企業(yè)能源平衡表為依據(jù)，結(jié)合物料平衡和原燃料成分檢測數(shù)據(jù)，開展各工序消耗能、輸出能、回收能的計算分析，從而形成鋼鐵企業(yè)能源評價體系，可在短時間內(nèi)對該企業(yè)能源利用情況進行評估，為能源利用水平提升提供科學(xué)依據(jù)。

能量流分析包括三個層面，第一是主體工藝層面，包括焦化、燒結(jié)、球團、石灰、煉鐵、煉鋼、軋鋼等長流程常規(guī)工藝單元。第二是工藝界面層面，主要包括能量損失較大的鐵鋼界面和鋼軋界面(能量損失較小的如煉鋼-精煉界面也可按此方法計算研究，本文不在此專門討論)。第三是能源轉(zhuǎn)換層面，如自發(fā)電廠、鍋爐房、余熱回收、制氧、制氫、鼓風(fēng)、空壓站、水處理、固廢處理等設(shè)施。

所有能量數(shù)據(jù)均按折標準煤系數(shù)折算為標準煤量。

能量流計算涉及鋼鐵生產(chǎn)眾多工序，本文從三個層面中分別選擇高爐煉鐵、鐵鋼界面、自發(fā)電廠作為案列介紹能量流的計算方法。

3.1 高爐煉鐵

3.1.1 輸入物質(zhì)中所含的能

高爐煉鐵工序是焦炭、含鐵礦石(塊礦、燒結(jié)礦、球團礦)和熔劑(石灰石、白云石)在高爐內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)液態(tài)生鐵的工藝方法，其輸入物質(zhì)中所含的能包括：

(1)焦炭、噴吹煤粉等輸入的一次能源中所含的能；

(2)煤氣、電等輸入的二次能源中所含的能；

(3)氧氣、氮氣、蒸汽、水、壓縮空氣、鼓風(fēng)等耗能工質(zhì)折算的能；

(4)焦炭、燒結(jié)礦顯熱所含的能(如有)。

3.1.2 輸出物質(zhì)中所含的能

煉鐵工序的主產(chǎn)品為高溫?zé)徼F水，副產(chǎn)品包括回收的高爐煤氣和TRT回收的電能。煉鐵工序輸出物質(zhì)所包含的能包括：

(1)高溫鐵水顯熱所含的能；

(2)高爐渣顯熱所含的能；

(3)回收高爐煤氣所含的能；

(4)高爐煤氣余壓透平發(fā)電(TRT)回收的電能所含的能。

3.1.3 化學(xué)反應(yīng)熱

高爐煉鐵工序熱平衡計算熱支出中反應(yīng)熱包括碳氧化熱、CO氧化熱、H2氧化熱、鐵氧化物分解熱、SiO2分解熱、MnO分解熱、磷酸鹽分解熱、脫硫耗熱、V2O5分解耗熱、TiO2分解耗熱、碳酸鹽分解耗熱、滲碳潛熱等，其中SiO2等分解熱和滲碳潛熱在煉鐵工序為吸熱反應(yīng)在煉鋼工序則為放熱反應(yīng)，計入輸出至煉鋼工序的能。

3.1.4 工序能源利用計算分析

根據(jù)前文的定義，某800萬t規(guī)模鋼廠煉鐵工序能量流計算見表1。

表1 某廠高爐煉鐵工序能量流計算

注：該廠鐵水渣無余熱回收設(shè)施，鐵水渣顯熱及進鑄鐵機的鐵水顯熱計入損耗。

從表1可知，煉鐵工序輸入能Qin=446.67萬tce，Qh=214.52萬tce，消耗能率η=48.03%。

3.2 鐵鋼界面

從煉鐵工序出來的熱鐵水運到煉鋼工序，在運輸過程中存在熱量損失，導(dǎo)致鐵水溫度降低，為定量地評價該能量損失，需要對出高爐鐵水及進轉(zhuǎn)爐鐵水的能進行計算，差值即為鐵鋼界面損失能，具體包括：

(1)鐵水溫降熱損失；

(2)進煉鋼鐵水中渣溫降熱損失。

3.3 自備電廠

某800萬t規(guī)模鋼廠自備電廠輸入能源包括煤氣、動力煤、柴油、電力、水、氮氣，輸出能源包括電力和蒸汽，其能量流計算見表2。

表2 某廠自發(fā)電廠能量流計算

從表2可知：

電廠輸入能Qin=142.57萬tce，Qh=87.47萬tce，消耗能率η=61.35%。其能源轉(zhuǎn)換效率為1-η=38.65%。

4 某鋼廠能量流分析案例

某800萬t產(chǎn)能規(guī)模鋼廠，根據(jù)其2017年能源平衡表和金屬平衡表，計算并生成展示能量流動和利用的?；鶊D如圖1所示。

圖1 某鋼廠能量流?；鶊D

4.1 各工序消耗能計算

4.1.1 主體生產(chǎn)工序消耗能

各工序消耗能及消耗能率計算結(jié)果見表3。

表3 各工序能量消耗計算

注：本表中各工序的噸產(chǎn)品消耗能源量數(shù)據(jù)與常規(guī)的工序能耗數(shù)據(jù)是兩種不同的統(tǒng)計口徑。

4.1.2 界面損失

界面損失主要計算了能量損失較大的鐵鋼界面和鋼軋界面，如前文所述，鐵鋼界面的消耗能率η為3.22%。

對于鋼軋界面，該廠鑄坯產(chǎn)量為847萬t/年，鑄坯出鋼溫度為900 ℃，鋼坯所含能量為16.83萬tce/年。連鑄坯供熱軋卷和寬厚板二個熱軋工序，另外供鑄坯量155萬t/年，熱軋卷工序熱裝比43%，入爐溫度為400 ℃，寬厚板工序熱裝比5%，入爐溫度為400 ℃，鋼軋界面總損耗為15.10萬tce/年，折合17.83 kgce/t鋼，消耗能率η為89.72%。

4.1.3 能源轉(zhuǎn)換工序消耗能

主要能源轉(zhuǎn)換工序消耗能及消耗能率見表4。

表4 能源轉(zhuǎn)換工序消耗能計算

4.2 各工序消耗能分析

工序消耗能率數(shù)據(jù)是輸入該工序的能量在該工序被消耗的百分比，數(shù)據(jù)越大代表能源的回收利用越不充分，節(jié)能降本潛力空間的尋找首先就應(yīng)關(guān)注消耗能率百分比較高的工序。但節(jié)能不是唯一的目的，提高能源的利用水平通常意味著需要技改投入，而消耗能量總量越大的工序，在采取合理的節(jié)能措施后通常會獲得更大的降本效益。根據(jù)四象限分析法則，輸入能量總量大，消耗能率高的工序如煉鐵、電廠將作為最優(yōu)先關(guān)注的對象，而輸入能量總量小，消耗能率低的工序如鍋爐房可以最后研究甚至?xí)翰挥枰躁P(guān)注。在對能源高效利用的具體分析過程中，有兩方面需要特別注意，一是不能純粹用簡單的能源計算數(shù)據(jù)來判定該工序的能源利用水平，必須立足于當前可用于該工序的成熟技術(shù)和該企業(yè)所處的能源成本環(huán)境。二是回收利用的能源必須要有合適的用戶，沒有用戶的資源是對節(jié)能投資和能源本身的浪費。

5 結(jié) 語

鋼鐵企業(yè)能量流分析方法，將鋼鐵流程生產(chǎn)過程中各生產(chǎn)工序、界面、能源轉(zhuǎn)換工序的能量按輸入能量流、消耗能量流(工序凈能耗+損失)、回收能量流、工序產(chǎn)品輸出能量流分別進行量化計算，依托國內(nèi)絕大部分鋼廠都已具備的檢測體系，這種計算方法可以快速有效的計算出結(jié)果，且真實地反應(yīng)了各工序能源的實際轉(zhuǎn)換和消耗情況，可為各工序能源的合理、高效利用分析提供可靠的方法和科學(xué)依據(jù)，為企業(yè)節(jié)能降耗提供解決方向。對于咨詢評估單位，可根據(jù)年平均或月平均檢測數(shù)據(jù)計算后進行快速的初步預(yù)判，根據(jù)不同能量流占輸入能源的比率數(shù)據(jù)分析企業(yè)存在的節(jié)能空間，確定方向后再開展細致的查找提升潛力的分析工作，可有效地提高工作效率。對于生產(chǎn)企業(yè)自身，可以做到按日分析，還可結(jié)合當日鋼鐵生產(chǎn)的產(chǎn)量、鋼種情況，逐漸形成企業(yè)各工序能源利用情況的趨勢圖，可有效幫助能源管理人員對企業(yè)能源數(shù)據(jù)進行預(yù)判，使能源調(diào)度更加合理高效。