鋼鐵制造流程實現(xiàn)能源高效轉換和能量流網絡化的必要性分析

1、鋼鐵制造流程實現(xiàn)能源高效轉換和 能量流網絡優(yōu)化集成的必要性分析摘要：關鍵詞：鋼鐵能源 高效轉化 物能級配能量流網絡集成優(yōu)化經過改革開放30年的艱苦努力，中國鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，強有力地支撐了我國國民經濟建設和發(fā)展。無論在裝備技術、工藝技術，還是管理技術；無論在產品、質量還是成本、環(huán)境等方面，都已成為在國際鋼鐵界具有舉足輕重地位的鋼鐵大國。中國冶金專家在科學發(fā)展觀的指導下，以全新的視角給出了鋼鐵流程物理本質的定義，以流程工程的特征重新設定了鋼鐵流程的功能定位和功能拓展，為中國鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展指明了方向。鋼鐵企業(yè)在歷史新階段，要減少環(huán)境污染和資源消耗，降低生產成本，拓展工藝功能

2、、產品功能和提高產品質量，必須對全流程相關裝備和工序功能進行解析優(yōu)化和協(xié)同優(yōu)化開發(fā)，以裝備技術、工藝技術、管理技術創(chuàng)新，實施集成物質流、能量流和信息流轉換的全方位價值開發(fā)，追求能量流的系統(tǒng)高效集成，并實現(xiàn)全流程優(yōu)化及自動化智能控制體系建設和運行，從而實現(xiàn)對可持續(xù)發(fā)展社會的“多樣性支持”，已成為鋼鐵企業(yè)的時代命題。一、鋼鐵企業(yè)能耗狀況分析過去的幾年既是中國鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展也是節(jié)能降耗工作取得長足進展的重要時期，鋼鐵企業(yè)通過生產流程的工藝結構調整，淘汰落后工藝，優(yōu)化用能結構及節(jié)能新技術的開發(fā)應用，并通過采取能源的“梯級利用、高效轉化”等措施，實現(xiàn)了能源消耗大幅下降。噸鋼綜合能耗已經由2000年的9

3、20kgce降低到2008年的630kgce，國內一些先進的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)已達到或接近世界先進水平。圖1：我國鋼鐵行業(yè)噸鋼綜合能耗變化趨勢（注：噸鋼綜合能耗中電力折算系數(shù)為2005年以前為0.404kgce，2005年以后調整為0.1229kgce）從能源轉化功能的角度，系統(tǒng)分析鋼鐵流程中的碳素流代謝過程，能源利用的潛力依然很大：冶金生產過程中消耗的有效能量僅占28.3，而轉化為余熱余能的占71.7，達到14.34 GJ/t鋼材，折合490kgce /t鋼材。圖2：鋼鐵聯(lián)合企業(yè)碳素流代謝過程過去，國內鋼鐵企業(yè)關注工序能耗的下降，特別是一、二類載能體單耗的下降，也關注了過程余熱余能的回收利用。

4、但在余熱余能的高效轉化、高效利用方面關注度不夠。據對國內20家有代表性的鋼鐵企業(yè)余熱余能資源回收利用情況的調查顯示：2005年這些企業(yè)余熱資源平均回收率為25.8，其中產品顯熱回收率為50.04，煙氣顯熱回收率為14.92，冷卻水的顯熱回收率只有1.90，各種渣的顯熱回收率僅為1.59。而國外先進國家對余熱余能資源（包括副產煤氣）的回收率已達到90以上，如日本新日鐵達到了92。 影響節(jié)能的主要因素：（1）長期以來，我們一直關注鋼鐵流程的產品形成技術的開發(fā)和主流程的資源保證及管理，而較忽視產品形成過程中能質轉化價值及技術的開發(fā)和管理，忽視能質轉化及傳遞、使用過程的耦合匹配，恰恰是這些能質轉化技術

5、直接涉及資源、能源的高效利用和轉化，因而造成過程運行成本高、效率低、污染重，其實質是資源、能源的流失。（2）鋼鐵流程各生產工序基本上都是余熱余能的閾值工序，在工序無熱“阱”，工序回收的余熱余能效率低，且數(shù)量不足。（3）鋼鐵企業(yè)余熱余能資源載體多樣、分布分散、衰變快、不可儲存、穩(wěn)定性差、數(shù)量和質量差別大，集中回收利用難度大。（4）鋼鐵企業(yè)傳統(tǒng)的余熱余能回收方式忽視回收能的質量，以熱風、熱水、蒸汽等工質形式，回收效率低，且受能量品質低、衰變快、不穩(wěn)定、用戶不匹配等因素影響，能源利用效率很低，甚至造成回收后又放散的無效狀態(tài)。（5）鋼鐵企業(yè)以鋼鐵產品生產為主的工藝，能量指標體系設置裕度大，指標優(yōu)化技術

6、落后，能量輸送、轉化、使用時耗損大，缺少集成優(yōu)化智能控制手段。（6）余熱余能回收利用的理論研究滯后，能源高效利用高效轉化的關鍵裝備技術、工藝技術和管理技術依賴進口，缺乏集成創(chuàng)新?；厥諢崮苜H值嚴重、能效低，甚至還有大量高、中、低品位余熱余能尚沒有形成有價值回收利用的手段。（7）鋼鐵企業(yè)是化石能源煤的清潔氣化工藝，其焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣均是優(yōu)質化工合成原料資源，其合成功能的開發(fā)，可大大降低化學工業(yè)氣體合成的成本，鋼鐵工業(yè)也可為社會的可持續(xù)發(fā)展提供新價值和資源。二、實現(xiàn)鋼鐵流程能源高效轉換和能量流網絡集成優(yōu)化的思考和探索冶金科技進步史，是一部節(jié)能減排史、資源和能源高效利用史、資源能源的價值開

7、發(fā)史。 實踐證明，能源高效轉化、能源流高效集成優(yōu)化，依然是鋼鐵產業(yè)進步的核心推動力。 隨著冶金系統(tǒng)節(jié)能管理模式的推進及工藝介面節(jié)能裝備技術（如：CDQ、TRT、CMC、CCPP、燒結發(fā)電等）的快速開發(fā)、推廣和普及，我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能已經由：局部、個體、感性節(jié)能，走向整體、系統(tǒng)、理性節(jié)能的新階段。有別于前一階段相對顯性的單體設備投資拉動節(jié)能，下一步深挖工藝過程隱性的潛力、系統(tǒng)的優(yōu)化、能量流網絡化的集成及關鍵難題的自主開發(fā)，更具有挑戰(zhàn)性，需要我們進行深層次的思考，在理論上、技術上、方法上進行創(chuàng)新和突破。（一）注重流程工藝功能潛力，追求流程工業(yè)能質轉換全價開發(fā)殷瑞鈺院士指出了鋼鐵制造流程的物理本質：物

8、質流（主要是鐵素流）在能量流（主要是碳素流）的驅動下，按設定的“程序”，沿著特定的“流程網絡”作動態(tài)有序運行，是鐵素物質流和碳素能量流在全流程范圍內形態(tài)演變的持續(xù)表征。這就需要我們以鐵素物質流同樣的重要程度深層次研究能量流問題，從能質高效轉換，全價開發(fā)的角度，追求冶金流程更多為可持續(xù)社會發(fā)展的支撐資源和服務。使冶金流程創(chuàng)造更多的價值，提高冶金工業(yè)競爭力。使冶金流程資源得到更充分的利用，為冶金工業(yè)提高清潔度，更好地融入環(huán)境友好型社會。 例如：煉鋼工藝，在能質轉化中我們注鐵素流的價值潛力開發(fā)。從平爐到轉爐、從模鑄到連鑄、又增加鐵水脫硫、脫磷鐵水予處理、鋼水精煉等技術，這些都有效地提了成材率和鋼材質

9、量。近年來我們開始注意煉鋼工藝的能量價值開發(fā)，由不回收轉爐煤氣到回收轉爐煤氣（降煤工序能耗23kgcl/t）、回收煙罩汽化冷卻蒸汽發(fā)電（降煤工序能耗3。3kgcl/t）、由濕法除塵到干法除塵、若開發(fā)出干法除塵并回收煤氣表熱發(fā)電則可再降低工序能耗5。6kgcl/t，可實現(xiàn)轉爐工序本質的負能煉鋼。若回收煉鋼轉爐煤氣用于化工合。則會獲得更高價值。轉爐工序能質轉化價值的開發(fā)，我們僅僅是開始。 我們設想了年產1000萬噸鋼并配套年產500萬噸焦的規(guī)模鋼鐵企業(yè)副產煤氣的高效利用方案。鋼廠能源優(yōu)化多聯(lián)產方案一（圖3）：利用焦爐煤氣提H2，轉爐煤氣提CO、CO2，合成精甲醇64.4萬噸/年，投資約12.88億

10、元，為煤氣化路線1/31/2，生產成本下降3040，年產值16.1億元；尾氣與高爐煤氣混合發(fā)電270MW，年產值13.6億元。圖3：鋼廠氣態(tài)能源優(yōu)化多聯(lián)產方案一鋼廠能源優(yōu)化多聯(lián)產方案二（圖4）：利用焦爐煤氣、轉爐煤氣可生產商品甲醇63.47萬噸/年、H2 1萬m3/h、乙二醇20萬噸/年、醋酸產品20萬噸/年，投資42億元，年產值39.6億元；引入清華爐生產清潔燃氣，與尾氣、高爐煤氣實施燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，并實施余熱余能分布式發(fā)電，可實現(xiàn)用電自給及外送。 圖4：鋼廠氣態(tài)能源優(yōu)化多聯(lián)產方案二以上兩種方案國內己有成熟技術，利用焦爐煤氣、轉爐煤氣作為化工合成的主要原料進行煤氣資源的升值利用，實現(xiàn)價

11、值最大化；高爐煤氣用于工藝過程加熱，用于焦爐、熱風爐、軋鋼加熱爐、鋼包及鐵包烘烤等加熱工序，為了系統(tǒng)煤氣的穩(wěn)定優(yōu)化和煤氣質量、數(shù)量的調劑，可通過清華爐等先進工藝進行煤的高效氣化進行補充，從而實現(xiàn)煤氣資源的高效平衡利用。清華爐是具有我國自主知識產權的高效、清潔氣流床，煤氣化技術。碳轉化率達98、有效氣體成份（co+H2）大于83%、渣含碳4%以下。原料煤譜廣、生產煤氣成本較低。能質轉換價值的開發(fā)將帶來冶金工藝及裝備的創(chuàng)新，為資源、能源的高效利用開拓了有效創(chuàng)新空間。為冶金企業(yè)提高競爭力開辟了新的途徑。（二）注重能質轉換效率，追求物能級配、余熱余能高效轉化能源轉換的途徑不同、工藝裝備不同，其能量效率

12、、能質效率差別巨大，需要統(tǒng)籌考慮熱量平衡、火用效率和能級匹配，實現(xiàn)能源利用的耦合匹配和高效轉化?，F(xiàn)實中存在大量不合理用能的情況，不能做到高質高用、低質低用；梯級利用、能級匹配。如某鋼鐵企業(yè)使用蒸汽狀況：年生產及余熱回收、消耗蒸汽500余萬噸，折合55萬噸標準煤，其平均日負荷410520t/h。用使用工質最高1。35mpa、0.8-1.35mpa僅占22；0.5-0.8mpa占37；0.3-0.5mpa占28；小于0.3mpa還有13?？梢娔茉崔D化效率低、使用效率低、優(yōu)化提高能效的潛力巨大。從蒸汽管網1.4MPa到用戶通過減壓降至0.5MPa，火用 損失達12.8以上，可見損失之大。幾年來在能源

13、轉化方面開發(fā)的以下技術，可有效提高能源轉換效率：（1）高壓高溫自循環(huán)全冷凝干熄焦發(fā)電技術：與常規(guī)中溫、中壓干熄焦發(fā)電技術相比，每噸蒸汽發(fā)電量提高18，總效率提高13.25。不同壓力、溫度條件下蒸汽的做功能力見圖5。圖5：不同溫度、壓力條件下蒸汽的做功能力趨勢借鑒利用目前已經成熟的高溫高壓干熄焦工藝技術路線，開發(fā)回收燒結礦、高爐渣、鋼渣的熱量的新技術，可實現(xiàn)余熱高效回收發(fā)電，測算的發(fā)電量如下：燒結礦發(fā)電70kWh/噸礦，是目前的3.5倍；高爐渣發(fā)電70kWh/噸鐵；轉爐渣發(fā)電17.5kWh/噸鋼。（2）燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術：具有較高吸熱溫度的燃氣輪機循環(huán)與具有較低平均放熱溫度的蒸汽輪機循環(huán)結

14、合起來，熱能效率高達5060，大大超過常規(guī)的火力發(fā)電機組（見圖6），實現(xiàn)鋼鐵廠副產煤氣高效發(fā)電。圖6：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和蒸汽循環(huán)發(fā)電效率的變化趨勢（3）焦化工序采用熱導油替代蒸汽技術：同樣熱量需求用蒸汽（煤氣）與用熱導油（煤氣）的煤氣消耗約17：1。按年產120萬噸規(guī)模的焦化廠計算，年可創(chuàng)效益7253萬元，減少廢水 46.8萬噸 。（4）利用夾點網絡優(yōu)化設計的煤焦油加工技術：以焓分析和 火用 分析為工具，并采用能源夾點網絡技術（圖7），優(yōu)化能流網絡（圖8），實現(xiàn)系統(tǒng)能量高效利用，煤氣消耗可降低30，產品收得率提高20。 圖7：夾點網絡原理圖 圖8：多餾分加工煤焦油初餾過程的換熱網絡計算（5）煉焦煤

15、的氣流調濕分級一體化工藝技術采用對流傳熱比傳導、輻射傳熱系數(shù)高幾十至幾百倍，使低品位焦化煙氣余熱使用成為可能，300t/h的處理生產線可節(jié)約煤氣7.01億m3/年，減少廢水7.9萬m3/年 ，提高焦炭質量。并且為高效利用低品質能源提供了技術手段。氣流干燥技術為鋼鐵企業(yè)大量低溫余熱的回收利用找到了一條新的途徑，利用該項技術可實現(xiàn)高爐水渣的干燥、噴吹煤的干燥、球團配料的干燥，都可產生顯著的節(jié)能減排效果。（6）優(yōu)化余熱余能利用方式，建設分布式電站，實現(xiàn)用電自給對余熱余能的利用，主要有兩種方式，一是熱利用，二是動力利用。對于熱利用，已經得到了較好的開發(fā)，但由于鋼鐵流程中熱量總體過剩，并且熱利用的途徑已

16、非常有限，因此只能考慮動力利用，若將其轉化為電能，則可擴大其利用途徑。余熱余能中，煤氣具有較高的 火用 值，可作為發(fā)電的理想燃料；可采用ccpp自發(fā)電或與電力部分合作追求規(guī)模發(fā)電效益。除煤氣以外，其他余熱資源溫度超過700的占71.8%，具有較高的火用 值，因此這部分余熱資源從質量上來講，具有發(fā)電的可行性。改變將余熱余能低效回收轉化為低品質蒸汽、熱水等低火用值工質，不易集中高效和匹配耦合使用的回收方式，通過建設分布式電站，將不同種類余熱余能轉化為統(tǒng)一形式的高能級的電能，就近回收，就近輸送，就近使用，余熱余能轉化效率高、輸送效率高、使用效率高。余熱余能發(fā)電應追求效益規(guī)模。 表1 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)余熱

17、余能資源回收發(fā)電計算發(fā)電方式計算標準發(fā)電量/億度干法TRT發(fā)電噸鐵發(fā)電45kWh4.05高溫高壓CDQ發(fā)電噸焦發(fā)電160kWh5.44燒結礦發(fā)電噸礦發(fā)電20 kWh2.06轉爐煙道余熱蒸汽回收發(fā)電按噸鋼回收蒸汽90kg，發(fā)電12kWh1.20燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電500MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組29.20合計41.95經測算，按照目前已經成熟的工藝技術水平，年產1000萬噸規(guī)模鋼鐵企業(yè)余熱余能回收發(fā)電量可達到41.95億kWh（表1）。若進一步挖掘鋼鐵企業(yè)余熱余能發(fā)電的潛力，通過新工藝技術的開發(fā)應用，可以回收利用球團、燒結礦、焦爐荒煤氣、冶金渣、低溫煙氣等的余熱進行發(fā)電，則建設鋼電聯(lián)產企業(yè)，實

18、現(xiàn)用電完全自給甚至外供將會成為現(xiàn)實。 （三）優(yōu)化能量流結構，追求工藝過程系統(tǒng)能效，實現(xiàn)能量流網絡集成優(yōu)化由于歷史的、技術的、管理的等原因，能源流過程效率低下，指標裕度大，能量品種、數(shù)量和用戶難以高效匹配、耦合，使節(jié)能潛力長期得不到挖掘。以現(xiàn)代信息化技術優(yōu)化能量流網絡與能源管理體系的構建，將推動能量流的高效轉化及科學管理，會帶來冶金流程重構和工藝技術、管理技術的革命性創(chuàng)新。（1）能源管理控制中心：搭建能量流網絡管控平臺，集成仿真、計量、信息化、自動化控制技術，以優(yōu)化系統(tǒng)、強調集成和智能化為手段，實現(xiàn)水、電、煤氣等能源介質在線監(jiān)控、適時數(shù)據生成、動態(tài)優(yōu)化、全過程集中統(tǒng)一管理。能源管理控制中心與企業(yè)

19、節(jié)能進程的關系見圖9，能源管控中心網絡拓撲圖見圖0。能源管理控制中心與常規(guī)的能源管理手段相比較，創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下方面：從靜態(tài)優(yōu)化到動態(tài)優(yōu)化、在線即時優(yōu)化；從過程局部優(yōu)化到系統(tǒng)集成優(yōu)化；從人工操作優(yōu)化到智能軟件在線優(yōu)化；從單項優(yōu)化到跨品種、區(qū)域轉化優(yōu)化；從局部目標優(yōu)化到綜合總體目標優(yōu)化；從開環(huán)優(yōu)化到閉環(huán)智能優(yōu)化。主要能夠解決裝備裕值高、工藝指標余量大、能源轉換效率低的問題，實現(xiàn)能源優(yōu)化管理可視化、能量流過程智能管理及集成優(yōu)化、能量流耦合匹配最佳化高效利用。圖9能源管理控制中心與節(jié)能進程間關系圖10能源管控中心網絡拓撲圖（2）能源管理體系：:現(xiàn)在的三體系關注了鐵素流，它是形成產品的主體，也是企

20、業(yè)實現(xiàn)社會價值的載體，而未關注能源流這個工藝過程的動力因素，恰恰這一因素又是直接影響產品形成的成本、資源、環(huán)境及安全。沒有能源體系的管理體系結構是不全面的，沒有抓住冶金企業(yè)管理的本質要素，說明冶金管理體系需要能源體系來完善。能源管理需要文件化體系來規(guī)范、需要先進的方法論來指導、需要先進的理念來推動。能源體系的建立，將加速提升系統(tǒng)能效及對物能級配的有效調整。以能源管理體系及能源管理控制中心為載體，實現(xiàn)鋼鐵制造流程能源流網絡化高效集成運行。鋼鐵制造流程能源網絡化高效集成運行是冶金流程在管理和技術上的一次革命，是其運行質量的一次飛躍。以能源體系文件化運行和能源中心為載體，提高能源流網絡目標優(yōu)化的符合性、可靠性、及時性、有效性。實現(xiàn)能源介質優(yōu)化節(jié)能、工藝創(chuàng)新節(jié)能、能源結構優(yōu)化節(jié)能、管理優(yōu)化節(jié)能的最