1、1,钢铁企业能源节约与指标管理,东 北 大 学 热能与环境工程研究所 蔡九菊 2012年7月12日 江苏省镇江,一、中国钢铁工业节能30年 二、企业节能方向与途径 三、能耗指标及管理 四、结论,目 录,2,3,中国正处在工业化、城市化进程的高速发展期，钢铁工业的持续高速增长得益于改革开放和节能减排。自1980年起，我国钢铁工业厉行节能30年，创造了举世瞩目的生产能力，也创造了与时俱进的生产模式，节能降耗减排取得了举世瞩目的丰硕成果。 吨钢能耗大幅度下降：,一、中国钢铁工业节能30年,全行业的吨钢综合能耗（19802000年）2.0401.180 大中型钢铁企业的吨钢综合能耗（19802005年
2、）1.6460.741 大中型钢铁企业的吨钢可比能耗（19802005年）1.2850.714,4,1.1 19802010年间中国钢铁工业吨钢能耗的变化,注：从2006年起，外购电的折标系数由“等价值”改用“当量值”。,1.2 中国钢铁工业的节能进程三个10年,5,在20世纪70年代“石油危机”爆发之前，节能在那年代的中国还是一个陌生的概念。进入80年代，节能在我国钢铁企业首先开展，如今已蔚然成风。现在，对能源的重视程度高于历史上任何时期，无论怎样估价都不过高。19781980年，节能起步阶段通过“扫浮财”，堵塞跑冒滴漏，抓能源管理，结束了以往钢铁企业不考核能源消耗、不统计能源数据的历史。
3、第一10年：19811990年，单体设备、工序节能阶段制订了15种冶金炉窑的“热平衡测试计算办法”和19种“工序节能规定”，开展节能晋等升级、推广节能技术、节能培训等活动。大中型企业吨钢可比能耗，10年下降268kgce，占30年总节能量的45%。,6,第二10年：1991-2000年，以物质流优化为主的系统节能阶段节能的着眼点从注重单体设备节能和工序节能转向企业的整体节能，既节约能源又节约非能源，通过平炉改转炉、模铸改连铸、多火成材改为一火成材等一系列生产结构调整和“以连铸为中心”的工艺流程优化，使钢铁制造流程逐渐趋于连续化、紧凑化、减量化。大型钢铁企业的吨钢可比能耗，10年间共下降236k
4、gce，占30年总节能量的40%。,第三10年：2001-2010年，以能量流优化为主的系统节能阶段强化钢铁企业的“能源转换功能”，开发推广CDQ、TRT、转炉煤气干法除尘、余热余能回收发电、煤调湿、蓄热燃烧、热装热送、脱湿鼓风等关键共性技术，研究能量流网络优化技术，建立了企业能源管理中心。大中型企业的吨钢可比能耗，10年间能耗共下降91kgce，占30年总节能量的15%。,7,式中：e1，e2 en 各道生产工序的工序能耗，kgce/t实物产量；p1，p2 pn 各道工序的钢比系数，t/t。,1.3 吨钢节能量的变化,吨钢能耗的定义式：企业总能耗除以合格钢产量,吨钢能耗的解析式所属各生产工序
5、的工序能耗(e)与钢比系数(p)乘积之和：,由e-p分析法得出，影响吨钢能耗的直接因素有两大类：各工序的钢比系数，如烧结矿钢比、球团矿钢比、焦钢比、铁钢比、连铸坯钢比、材钢比等。 它将吨钢能耗和企业的生产结构联系起来。各工序的工序能耗，燃料+动力消耗及其载能量。,8,9,式中，两组括弧内的差值分别代表统计期始（上角标）末（上角标）某工序的钢比系数和工序能耗的改变量。 等式右侧的第一项是因钢比系数变化（即生产结构调整）获得的节能量，称为间接节能量，它将生产结构的节能定量化了。 第二项是因各工序能耗变化（即各生产工序节能）获得的节能量，称为直接节能量。,吨钢能耗的变化,10,19802010年吨钢
6、可比能耗的变化及其节能量比较 （电折标系数统一为0.404）,kgce/t钢,11,30年间直接节能、间接节能的贡献率及其变化,19802010年，30年吨钢可比能耗共下降595公斤标准煤， 间直接节357公斤，直接节能的贡献率平均为60%； 间接节能238公斤，间接节能的贡献率平均为40%。,间接节能 40%,直接节能 60%,吨钢能耗下降曲线每隔15年出现一次周期性变化，图中前后两条能耗下降曲线的形状相似、趋势相同，均呈现为“滑梯式”下落规律。,1.4 吨钢能耗曲线的下降规律两个15年,12,13,下一个15年（20112025），我国钢铁企业的节能难度将越来越大，节能空间也将越来越小，吨
7、钢能耗下降曲线能否出现第三次较大幅度的下落，完全取决于新一轮节能理论、节能技术和管理手段的支撑。,十五年,十五年,下一个十五年,20112025 ？,15年吨钢能耗下降 305 公斤标煤,51%,49%,14,所谓系统节能，即在充分考虑外部环境的前提下，研究图中五个不同层次上的节能问题，以及它们之间的关系，实现整体的、全面的节能。,系统节能的五个层次,二、钢铁企业的节能方向与途径,上个世纪80年代初，陆钟武院士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。提出了“载能体”、“直接能耗”、“间接能耗”、“产品能耗”、“产品能值”等一系列概念（如今已是
8、耳熟能详的专业术语），创立了“系统节能的理论和方法”。,2.1 节能方向,（1）降低各生产工序原料、溶剂料、零部件和耐火材料等非能源物质的单耗及其载能量。各生产工序一定要重视本工序的原料消耗，尤其是主要原料烧结矿、铁水、废钢的消耗，这是节能工作的基础。 （2）降低各生产环节燃料、电力、氧气、蒸汽和工业水等能源动力的单耗及其载能量，这是节能工作的重要方向。 （3）回收生产过程中散失的各种余热、余能和废弃物等。,15,依据载能体的概念和 e-p 分析结果，钢铁企业的节能方向有三：,16,节能必须以热力学第一、第二两大定律为基础，用科学用能和系统节能应对未来的能源挑战,长期以来，钢铁工业节能是在热力
9、学第一定律的指导下进行的，注重能量的“数量”，不太注重能量的“品质”和“价值”。能源只有数量的评价指标（吨钢能耗、工序能耗），没有品质的评价标准，更缺少合理的价格定位。,现有的理论、分析、评价和调控方法不足以满足未来钢铁企业节能的需要。一定要从能源的“数量”和“质量”两方面分析、评价企业用能的合理性，挖掘节能潜力，开发节能新技术。尤其在研究余热资源的回收利用时，不仅要看热量的“数量”损失，还要看热量的“质量”是否遭到贬值。,17,以往用“静态”、“平衡”的观点和方法，计划、管理、调控二次能源的生产与使用是不科学的。节能，必须用“动态”、“非平衡”的观点和方法。,为了生产每吨钢，不仅要研究各道工
10、序的能源消耗（工序能耗，吨钢能耗e - p分析法），还要研究对各种能源介质的消耗，即分门别类地研究能源介质的生产、转换、储存、分配、使用、缓冲、放散等问题（吨钢能耗的 c - g 分析法）,18,建立基于热力学第一、第二两大定律，充分发挥钢铁联合企业在能源高效转换和有效利用方面的企业优势，重点研究余热余能的产生、回收、利用问题及其相互关系，着力开发适合我国国情和企业特点的关键共性技术。把生产过程的富余能量要及时有效、因地制宜、最大限度地用在工艺过程本身。,（1）19781980年，节能起步阶段 （2）19801990年，单体设备和工序节能阶段 （3）19902000年，以物质流优化为主的系统节
11、能阶段 （4）20002010年，以能量流优化为主的系统节能阶段 （5）20112025年，以物质流和能量流协同运行为主的系统节能阶段。,2.2 余热余能的高效回收与利用未来钢铁企业节能的研究命题之一,（1）烧结矿生产及其余热资源的回收与利用寻求物质流与能量流的协同 运行,回收利用钢铁生产过程产生的余热余能资源，烧结工序最具代表性。我国烧结工序能耗比国外先进指标高出20以上，主要原因是烧结工序余热资源的回收与利用水平低。烧结余热资源包括烧结过程的废气显热和产品显热，分别占烧结工序总热量收入的20和45%。据报道，烧结工序的燃料消耗约44kgce/t，余热资源的回收利用量多达14kgce/t，与
12、每吨烧结矿的电力消耗量大体相当。烧结矿环冷机原本是为冷却烧结矿设计的（纯物质流的产品冷却装置），现在要回收烧结过程的余热（纯能量流的余热回收装置），两者不能兼得，说明原设计存在先天不足。,19,20,正因为现有的环冷机是为冷却烧结矿服务的，所以风量大、料层薄、冷却快、漏风等弊端不可避免！无法满足高效换热和取热的要求。为了达到既要冷却烧结矿又要回收余热的双重目的，对环冷机的结构设计与热工操作务必进行彻底改造（不是小打小闹）。否则，不会取得满意的节能效果！,受干熄焦技术的启发，凡赤热的烧结矿、球团矿，都有可能像干熄焦那样用散料床气固强化热交换的方式进行强化换热。即用CDQ式散料床气固热交换装置，取
13、代现有的烧结矿环冷机。在冷却烧结矿的同时，最大限度回收烧结矿显热（已获国家发明专利，ZL20091018738.1），实现物质流冷却工艺与能量流回收利用的相互统一与协同运行 。,CDQ式烧结矿余热回收技术,CDQ式烧结矿余热回收装置,21,CDQ式烧结矿余热回收半工业实验装置,22,竖罐式（CDQ式）烧结矿余热回收利用系统示意图,23,竖式回收与卧式回收的节能效果对比 以328m2烧结机为例,以1000万吨级钢厂为例，采用竖罐式方法， 1000万吨铁*1.5吨烧结矿/吨铁*35 kWh/吨烧结矿 = 5.25亿 kWh， 是这个厂干熄焦发电总量的1.5倍， 1000万吨铁*0.35吨焦炭/吨铁
14、*100 kWh/吨焦炭= 3.5亿 kWh。,24,“一罐到底”技术，是指取消传统的“混铁炉”和“鱼雷罐车”装置，直接采用“铁水罐”运输铁水，将铁水的承接、运输、缓冲储存、铁水预处理、转炉兑铁、容器快速周转、铁水保温等功能集为一体；取消了炼钢车间倒罐坑、减少一次铁水的倒罐作业，具有缩短工艺流程、紧凑总图布置、降低能耗、减少铁损、减少烟尘排放等多重优势，是今后新建钢铁厂高炉-转炉界面模式的发展方向。,（2）高炉-转炉区段的“一罐到底”界面模式实现高炉与转炉区段的热衔接、铁素物质流与能量流的协同运行,蓄热式火焰炉技术,是对传统蓄热室结构设计、火焰炉热工操作，燃烧废气显热回收方式的重大变革。它突破
15、了几百年来人们对燃烧的传统认识。高温蓄热燃烧技术具有大幅度节能(30以上)和超低浓度NOX排放(3055ppm)的双重优越性，最适合连铸坯热装热送。 但对某些品种钢，热装热送时常出现钢坯表面缺陷。这些表面缺陷是以晶间裂纹形式出现的，与奥氏体晶界析出有关，在600900时析出速度最大。 解决这些品钢种连铸坯的热装热送问题，实现固态铁素物质流与能量流的协同运行，可获得巨大的节能效益。,25,（3）连铸轧钢区段的界面模式连铸坯热装热送与蓄热式火焰炉的协同运行,26,（4）低温余热资源的经济回收与高效利用给低温余热资源派上最合适的用场,依据热力学第一、第二两大定律，回收利用余热资源的总原则：根据余热资
16、源的数量、品质（温度）和用户需求，按质回收、温度对口、梯级利用。 直接利用余热最为经济。依附于产品（铁水、钢坯）的显热，最好不经转换地直接输送到下一道工序，相邻工序间实现热衔接。用烟气显热预热空气和煤气，预热或干燥物等； 富余能源向外转供，向城市供暖、供冷、蒸汽、热水、煤气、氧气，与城市或其他工业联手实施“共同火力”发电，将剩余能源再资源化生产二甲醚、乙二醇等； 对余热资源进行热回收或动力回收。,27,我国重点钢铁企业余热余能资源量及其回收利用情况（ 不含高炉、焦炉煤气，铁钢比取1.0，2005年数据统计）,给低温余热找到用户、派上用场： 在企业内部：干燥物料、加热助燃空气和锅炉给水；供暖、制
17、冷；热泵、海水淡化、煤调湿、高炉鼓风脱湿、煤气脱水等。 在城市范围：供暖、供冷，生产甲醇、乙二醇，供应蒸汽、热水、煤气、氧气。,2.3 余热余能的回收与利用技术举例从例1例9,28,29,三、能耗指标及管理,节能必须以科学、合理评价方法和标准为指导。客观、真实、准确的能源统计方法和数据，是指导钢铁企业节能工作的主要依据，是科学评价节能降耗工作的重要手段。现行的能耗统计方法、评价标准和指标体系，已不完全适应钢铁企业节能和能源管理的需要。,3.1 关于能耗指标,30年来我国钢铁工业吨钢能耗从2040降到700公斤标准煤，吨钢综合能耗、吨钢可比能耗、工序能耗组成的能耗指标体系及其评价方法“功不可没”
18、。随着节能降耗的不断深入和吨钢能耗指标的逐渐降低，以中间产品（钢）为计算基准的指标体系必须修正和完善。,30,“能”在各个领域中常以不同的方式被定义。每一种定义都有其适用的场合，若不能正确地理解，容易产生概念上的混乱。 “能”的使用价值在于它能够促成“变化”。 如提起重物、生产产品、供热、制冷等。 “能”是促成物理和化学变化的推动力，即做功的能力。燃料的做功能力取决于它的发热量， 蒸汽的推动力是它的压力和温度， 1度电的推动力是3600kJ，即1229kgce/kWh。,31,自2006年起，我国钢铁企业有关电耗的统计方法采用两套折算系数，即电热的当量值和等价值，多数企业使用一套数据两种算法。
19、由此引发了假数真算、能耗转移或转嫁，出现能源失衡、指标失信、管理失利等现象。,（1）关于电当量值和等价值的思考？,“等价值”单位能源产品在其生产过程中所累计消耗的能量（即“物化”了的能量）。例如， 电的等价值0.404 kgce/kWh； “当量值”单位能源产品在使用时具有的能量（即“活”的能量）。例如， 电的当量值0.1229 kgce/kWh 1kWh860kcal/kWh3600kJ/kWh0.1229 kgce/kWh 它们只是能量形式的不同罢了，在能量数量上都是相当的。,32,实际上，将0.1229的折算系数应用于各工业系统终端用电的能耗统计已是不争的事实。这种统计方法将电力工业与其
20、他工业分开，各自都有本行业的能源消耗。能源统计变得更合理、更简捷，钢铁工业何乐不为？为什么非要把钢铁工业能耗和电力工业绑在一起呢？钢铁工业要因势利导、将计就计。今后钢铁生产过程耗电，无论是外购电还是自产电，凡终端耗电都统一使用“电热当量值”，废除“等价值”。 一些企业采用“双轨制”的能耗统计现状，不能继续下去了！为了避免能源出现不平衡问题，在核算能源平衡时增设“自发电”工序并给出“自发电”的工序能耗。这好比在钢铁企业的“能源平衡表”中设置“焦化工序”那样。高炉炼铁工序所消耗的焦炭，计入的是焦炭的“当量值”（焦炭的发热量），而不是焦炭的“等价值”。,33,问题：核算工序能耗不应包含所耗能源在其加
21、工转换过程中所消耗的那部分能量，把企业的主流程生产工序和能源转换工序绑架在一起是错误的。 纠正：工序能耗是生产工序范围内生产单位产品直接消耗的能量，只需计入所耗燃料和动力的“当量值”，不应计入它们在转换过程所消耗的能量。如，燃料的当量值是发热值、电力的当量值是0.1229kgce/kWh，蒸汽的当量值是不同压力和温度下的热焓值等。氧气的当量值是它的纯度，99.9%还是25%？,（2）对工序能耗的重新定义,【工序能耗】=,【所耗燃料动力的载能量】 - 【回收外供能量】,【生产工序的实物产量】,34,从“能”的使用价值而言，某工序能耗只需计入直接能耗，不应计入该工序范围之外的间接能耗。按此定义：工
22、序能耗只与该工序所耗燃料、动力的多少有关，与燃料、动力的品质有关，而与其生产、加工、改制过程中所耗的能量无关。,如此规定的好处： 在工序能耗的算式中取消了能源的“折标系数” 摆脱了所耗能源的转换效率对生产工序能耗的影响 工序能耗成为本生产工序范围内的可控因素 在同类工序之间（生产工序、能源转换工序）实现真正“可比”。,35,（3）对现存能耗指标的修正,钢铁工业的能耗指标， 从中间产品（钢）扩展到终端产品（材） 从吨钢能耗到吨材能耗 从钢比系数到材比系数 是钢铁企业生产结构、工艺流程、产品加工、能耗水平、能源管理等日趋完善的必然结果。未来钢铁工业的能耗指标体系，由工序能耗（能源转换工序和产品生产
23、工序）、吨钢能耗（中间产品能耗）、吨材能耗（终端产品能值）等指标组成。终端产品的划分要依据能源管理手段和能耗统计数据的完备程度而定，按大宗钢材分类，宜粗不宜细。,36,工序能耗服务于钢铁企业内部各工序的能耗统计和能源管理，是比较同类生产工序（能源转换工序和产品生产工序）能耗水平高低的重要标志。工序能耗作为比较指标，是指某工序生产单位产品直接消耗的能源量，只计入各工序所耗燃料和动力的“当量值”，不计工序范围外的间接能耗。统计时，无论是外购电还是自产电，凡终端用户耗电一律使用“当量值”。为避免能源不平衡，增设自发电、热力、制氧等能源转换工序，同时核算这些工序的工序能耗。,吨钢能耗继续沿用原有定义及
24、其计算方法（即总能耗除以钢产量），服务于钢铁企业、钢铁工业的能源统计与能源管理，用于统计钢铁企业、行业的能源消耗量。钢铁工业吨钢能耗，是评价行业能耗水平的重要指标；钢铁企业吨钢能耗，是表征企业能耗变化的统计指标，不再作为企业之间评判能耗高低的可比指标。,37,吨材能耗吨材能耗是指生产单位钢材产品企业为其配套生产所累计消耗的能源量，包括所耗物质流的载能量和所耗能量流的载能量，数值上等于各生产工序和能源转换工序的材比系数与其工序能耗乘积之和。吨材能耗是评价大宗钢材产品能耗水平的重要指标，在同类大宗钢材产品之间具有可比性。,38,某钢铁企业吨钢能耗三种统计算法的比较（2010）,39,3.2 吨钢理
25、论能耗,研究冶金工艺过程的理论能耗，探究产品能耗的理论值，旨在明确节能潜力、使编制能源规划和节能目标有据可依，避免不切实际的能源数据和能耗指标的盲目出台。 吨钢理论能耗不计能量耗散高炉-转炉工艺流程所需要的反应热（均用当量值折算），为5种能量之和：,钢,40,以1吨钢为计算基准，对高炉转炉流程而言，我国大中型钢铁联合企业的供给能源通常是700 kgce/t钢（电力为0.1229系数），其中理论能耗300kgce/t，供给的过剩能量400 kgce/t。粗略计算，目前吨钢实际能耗590 kgce/t，其中回收余热余能110 kgce/t ，即,- 110 = 590 或300+70+220=59
26、0,回收量 110,41,吨钢最小能耗考虑“不可避免热损失”冶金过程所需要的最小能量。以高炉转炉流程为例，若电折算系数为0.1229kgce/kWh，则吨钢最小能耗为（在供给能源一定情况下是余热余能回收率的函数）：,300 + 70 + 330 *（1-65%） = 370 + 330 *35% = 370 + 115 = 485 kgce/t钢,【吨钢最小能耗】=【理论能耗】+【过程耗散】+【余热余能排放】=【理论能耗】+【过程耗散】+【余热余能 *（1-回收率）】300 70 330 65%,3.3 吨钢最小能耗,42,未来大中型钢铁企业的吨钢最小能耗 300+70+115=485 kgc
27、e/t钢 （电折算系数0.1229kgce/kWh）,700-215=485,回收量 215,43,（高炉-转炉流程钢铁联合企业，电折算系数0.1229）,目前钢铁企业吨钢能耗的实际水平（见中环）：300+70+220=590,未来的节能潜力 （没考虑环保的增能因素）： 590-485=105 kgce/t,3.4 未来钢铁企业的节能潜力,四、结 论,（1）未来15年，我国钢铁工业的吨钢能耗能否出现第三次较大幅度的降落，取决于新一轮节能理论和技术的支撑，科学用能和系统节能是“十二五”乃至更长时期我国钢铁工业节能降耗的指导方针。 （2）节能潜力寓于不平衡之中，挖掘节能潜力需要从科学的配置能源、使用能源和管理能源三方面入手。 （3）必须用“动态”的“非平衡”的观点和方法，依据能源的数量、品质以及用户需求，综合研究能源的生产、分配、使用、回收、再利用问题及其相互关系，做到“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”。 （4）依据“能”的使用价值，构建新一轮能耗指标及其评价方法，企业和工序所耗动力统一使用“当量值”折算，废除“等价值”，改造现有“能源平衡表”，重新定义“工序能耗”，吨钢能耗不再作为企业间的可比指标。可比指标是工序能耗和终端产品能耗。,44,敬请批评指正！,Thank you for your attention!,45,
