爐外精煉加熱方法能源利用效率分析

段宏韜，張紅文

(首鋼工學(xué)院，北京 100144)

0 引言

在爐外精煉過(guò)程中，由于原材料的吸熱和鋼包的自然散熱，鋼水溫度會(huì)降低。為了補(bǔ)償這些溫度損失而提高初煉爐的出鋼溫度會(huì)帶來(lái)鋼水質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的惡化，因此必須在精煉過(guò)程中對(duì)鋼水進(jìn)行加熱。常用的加熱方法包括燃料燃燒加熱、電弧加熱和化學(xué)加熱等方法，其中化學(xué)加熱最常用的是鋁氧化加熱。

能源利用效率高意味著節(jié)能減排，不僅帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有良好的社會(huì)效益。加熱過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過(guò)程，因此能源利用的情況應(yīng)當(dāng)是評(píng)價(jià)不同加熱方法的重要指標(biāo)。但迄今為止，描述爐外精煉加熱過(guò)程能源利用情況的主要參數(shù)是熱效率，即加熱過(guò)程中鋼水吸收的熱量與產(chǎn)生的熱量之比。而熱效率是能源的終端利用效率，僅僅是反映了能源的部分效率，沒(méi)有考慮能源轉(zhuǎn)換中的能量損失，因此熱效率不能全面反應(yīng)能源的利用效率。本文在考慮能源轉(zhuǎn)換加工效率的基礎(chǔ)上，分析了燃料燃燒加熱、電弧加熱、鋁氧化加熱三種主要加熱方法的能源利用情況。

1 不同加熱方法的能源利用效率

一般認(rèn)為，能源利用效率由能源加工轉(zhuǎn)換效率和終端利用效率組成。用下式表示:

式中 ξ——加熱方法的能源利用效率/［%］;

ηc——能源加工轉(zhuǎn)換效率/［%］;

ηt——熱效率，即能源的終端利用效率/［%］。

根據(jù)國(guó)家能源統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［1］，能源加工轉(zhuǎn)換效率是指能源加工轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)出量與投入量的比率，即能源加工轉(zhuǎn)換的產(chǎn)出率。

1.1 燃料燃燒加熱

燃料燃燒加熱一般采用礦物燃料，如液化天然氣等，屬于一次能源，未進(jìn)行能源加工轉(zhuǎn)換，因此ηc=1。燃料燃燒加熱能源利用效率可表示為

其中下標(biāo)“燃”表示燃料燃燒加熱。

1.2 電弧加熱

我國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)的能源加工轉(zhuǎn)換效率在逐步提高，2009年平均供電煤耗341 g/kWh，折合的能源加工轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到36%左右［2］。燃料燃燒加熱能源利用效率可表示為

其中下標(biāo)“電”表示電弧加熱。

1.3 鋁氧化加熱

在鋼的冶煉中，如果鋁的加入是為了氧化發(fā)熱，則鋁實(shí)際上是一種燃料，可以用式(1)計(jì)算鋁燃燒加熱的能源利用效率。

純鋁是用電解法生產(chǎn)出來(lái)的。從能源轉(zhuǎn)化的角度看，鋁的生產(chǎn)過(guò)程是能源的兩次轉(zhuǎn)換過(guò)程，第一次由煤炭轉(zhuǎn)換成電力，第二次由電力轉(zhuǎn)換成鋁。

因此鋁生產(chǎn)過(guò)程的能源加工轉(zhuǎn)換效率為兩次轉(zhuǎn)換利用效率的乘積，即

其中ηc1、ηc2分別是煤轉(zhuǎn)化成電能和電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的加工轉(zhuǎn)換效率。ηc1=36%。ηc2由下式計(jì)算

式中 Q——每噸鋁氧化理論發(fā)熱量［3］/kJ·t－1，

Q=30932×103kJ·t－1;

e——生產(chǎn)1噸鋁消耗的能量/kJ·t－1;

2010年我國(guó)電解鋁的綜合交流電耗為13 979 kWh/t［4］，ηc2=61.5%。因此鋁的能量加工轉(zhuǎn)化效率為:ηc=61.5%×36%=22.1%。

其中下標(biāo)“鋁”表示鋁氧化加熱。

q——每 kWh電的理論發(fā)熱量/kJ· (kWh)－1，q=3600 kJ/kWh;

w——生產(chǎn)1噸鋁的電能消耗/kWh·t－1。

2 燃料加熱、電弧加熱和鋁氧化加熱的能源利用效率分析

熱效率不僅與加熱方法、加熱工藝設(shè)備有關(guān)，還與鋼包精煉的工藝設(shè)備有關(guān)。一般燃料燃燒的熱效率在20%～50%之間;電弧加熱的熱效率在30%～45%，最高可達(dá)60%以上;鋁氧化加熱的熱效率約為60%［3］，最高可以達(dá)到93%［5］。

圖1 燃料加熱、電弧加熱和鋁氧化加熱的熱效率與能源利用效率之間的關(guān)系Fig.1 The relation of heating efficiency and energy efficiency in heating of fuel combustion，electric arc and oxidizing Aluminum processes

根據(jù)式(2)、式(3)和式(7)，計(jì)算出燃料加熱、電弧加熱和鋁氧化加熱的熱效率與能源利用效率之間的關(guān)系如圖1所示。可以看出，能源利用最好的是燃料燃燒加熱，其能源利用效率是其他兩種方法的1.5～2倍。電弧加熱與鋁氧化加熱的能源利用效率基本相當(dāng)，當(dāng)鋁氧化加熱熱效率為60%時(shí)，其能源利用效率為13.4%，與電弧加熱熱效率為37.5%時(shí)的能源利用效率相當(dāng)。總體上電弧加熱與鋁氧化加熱的能源利用效率最高不超過(guò)25%，是效率較低的加熱方式。

由式(3)和式(7)，當(dāng)電弧加熱和鋁氧化加熱的能源利用效率相等時(shí)，有如下關(guān)系

根據(jù)式(8)，可以得出相同能源利用效率時(shí)電弧加熱與鋁氧化加熱熱效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步比較兩種加熱方式的能源利用情況，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 相同能源利用效率時(shí)電弧加熱與鋁氧化加熱熱效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 The corresponding relation of heating efficiency at same energy efficiency in heating of electric arc and oxidizing Aluminum processes

在當(dāng)前的電解鋁綜合交流電耗水平下，如果電弧加熱熱效率達(dá)不到45%，只要鋁氧化加熱的熱效率在65%以上，其總的能源利用效率就大于電弧加熱的能源利用效率，這在一般的精煉過(guò)程中基本都能夠達(dá)到，鋁氧化加熱的能源利用效率高于電弧加熱。如果電弧加熱的熱效率達(dá)到60%以上，則鋁氧化加熱的熱效率在97%以上，其總的能源利用率才能大于電弧加熱的能源利用率，這在一般的精煉過(guò)程中難以達(dá)到，此時(shí)電弧加熱的能源利用效率高于鋁氧化加熱的能源利用效率。需要指出的是，綜合交流電耗只是電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中綜合能耗的一部分，約占83%［6］。作為電解鋁生產(chǎn)原料的氧化鋁生產(chǎn)以及電解過(guò)程中的氟化鹽、電極消耗都會(huì)產(chǎn)生能源消耗，因此總體上鋁氧化加熱法的能源利用效率比電弧加熱的能源利用效率稍低。

隨著電解鋁工業(yè)落后產(chǎn)能的淘汰和技術(shù)的進(jìn)步，綜合交流電耗逐年較低。從2007年到2010年，綜合交流電耗從14 488 kWh/t［7］降低到13 979 kWh/t，降低了610 kWh/t。如果綜合交流電耗能夠進(jìn)一步降低到13 200 kWh/t，則只要鋁氧化加熱的熱效率在92%以上，其總的能源利用效率就與60%的電弧加熱熱效率相當(dāng)，鋁氧化加熱會(huì)越來(lái)越接近電弧加熱的能源利用效率，如圖2所示。

從以上的分析可知，能源利用效率最高的是燃料加熱，電弧加熱的能源利用效率稍高于鋁氧化加熱的能源利用效率。因此，要盡可能利用燃料燃燒加熱來(lái)補(bǔ)償爐外精煉中的熱損失。電弧加熱和鋁氧化加熱具有加熱速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以作為調(diào)整溫度的補(bǔ)充手段。其中鋁氧化加熱雖然能源利用效率稍低于電弧加熱，但使用比較靈活，不會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)荷，且與脫碳升溫設(shè)備通用，應(yīng)優(yōu)先選用。

3 結(jié)論

(1)用能源利用效率衡量不同加熱方法的能源利用情況，進(jìn)而優(yōu)化加熱方法，對(duì)于節(jié)能減排有重要意義。

(2)能源利用最好的是燃料燃燒加熱，其能源利用效率是其他兩種方法的1.5～2倍。總體上電弧加熱與鋁氧化加熱的能源利用效率最高不超過(guò)25%，是效率較低的加熱方式。

(3)電弧加熱的能源利用效率稍高于鋁氧化加熱的能源利用效率。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，應(yīng)盡可能利用燃料燃燒加熱補(bǔ)償溫度損失，將鋁氧化加熱作為調(diào)整溫度的補(bǔ)充手段。

［1］國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2010［M］.北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2011:280.

［2］周一工.中國(guó)燃煤發(fā)電節(jié)能技術(shù)的發(fā)展及前景［J］.中外能源，2011(7):91－95.

［3］趙沛.爐外精煉及鐵水預(yù)處理使用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:321.

［4］單淑秀.我國(guó)電解鋁工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.輕金屬，2011(8):3－8.

［5］趙偉.精煉工序鋼水溫度控制研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2003.

［6］李潤(rùn)東.鋁電解生產(chǎn)能耗計(jì)算機(jī)分析［J］.輕金屬，1995(8):26－30.

［7］陳祺，關(guān)慧勤，周?chē)?guó)勝，等.我國(guó)電解鋁工業(yè)“高空加速”、“產(chǎn)能風(fēng)廓”現(xiàn)象剖析(續(xù))［J］.資源再生，2008(10): 20－23.