一種鋼鐵廠能源利用與轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算方法

王偉業(yè)，吳 剛，劉志超

(首鋼京唐公司能源與環(huán)境部,河北唐山 063210)

1 前言

某沿海鋼鐵廠產(chǎn)品定位為全薄板專業(yè)化生產(chǎn)，它屬于典型的長(zhǎng)流程大型聯(lián)合企業(yè)，從鐵燒焦球到鋼后冷軋深加工及先進(jìn)的公輔系統(tǒng)均配套完善，一期工程于2010年6月底投產(chǎn)。2011年下半年粗鋼產(chǎn)量已達(dá)到70～75萬(wàn)t/月，基本達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量904萬(wàn)t/年。該鋼鐵廠仍沿習(xí)我國(guó)傳統(tǒng)鋼鐵廠能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即以煤炭、電力驅(qū)動(dòng)為主。由于自建2臺(tái)300 MW煤-煤氣混燒熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，鋼廠平均供電能力大于用電水平，具有很高的自供電率，此點(diǎn)不同于一般意義的鋼鐵廠，因而有必要研究全新的能源結(jié)構(gòu)及總的能源利用與轉(zhuǎn)換效率。

2 前三季度能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與分析

2.1 外購(gòu)能源消耗情況

外購(gòu)能源消耗情況見(jiàn)表1。前三季度累計(jì)購(gòu)入能源5161397 t標(biāo)煤，其中煤炭比例最大占99.01%、電力比例次之占0.92%、汽柴油比例最小占0.07%。

2.2 綜合能耗工序基本構(gòu)成

表1 外購(gòu)能源消耗表

綜合能耗式序基本構(gòu)成見(jiàn)表2。

前三季度累計(jì)綜合能源消費(fèi)量4768240 t標(biāo)煤，噸鋼綜合能耗751.6 kgce/t。其中鐵前所占比例最大68.14%；煉鋼實(shí)現(xiàn)全工序負(fù)能煉鋼，工序能耗-2.47 kgce/t；軋材工序占9.15%；套筒窯工序占1.72%；能源加工轉(zhuǎn)換占16.68%；能源虧損占4.17%；其他占0.48%。

2.3 二次能源回收情況

二次能源回收情況見(jiàn)表3。

表2 綜合能耗工序基本構(gòu)成表

表3 二次能源回收情況表

前三季余能回收總量2251716 t標(biāo)煤，噸鋼余能回收量355 kgce/t。其中煤氣所占比例最大82.57%；余熱蒸汽次之占8.24%；煤化工所占比例6.29%；電力回收所占比例2.88%；污水回收所占比例最小0.011%。

3 能源結(jié)構(gòu)分析

3.1 概念描述

以鋼鐵制造和能源作業(yè)兩條主線為引導(dǎo)對(duì)鋼鐵廠用能結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀分析，研究其內(nèi)部能源利用和轉(zhuǎn)換情況。如圖1所示，描述如下：

（1）鋼廠輸入結(jié)構(gòu)：包括煤(洗精煤、噴吹煤及動(dòng)力煤)、電(僅指外購(gòu)電)、其他(汽、柴油等)；其中A1為作用于鋼鐵制造流程，包括洗精煤、噴吹煤、其他(汽、柴油等)；A2為作用于能源作業(yè)流程，包括動(dòng)力煤、外購(gòu)電；關(guān)系式：A=A1+A2。

圖1 鋼鐵廠能源利用與轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖

（2）工序輸出結(jié)構(gòu)(鋼鐵制造流程中所產(chǎn)生能源)：一部分作用于工序本身，記作B1，包括焦炭、焦?fàn)t煤氣(自耗加熱)、高爐煤氣(自耗加熱)、燒結(jié)蒸汽(自產(chǎn)自用)、煉鋼蒸汽(自產(chǎn)自用)、熱軋蒸汽(自產(chǎn)自用)、酚氰廢水；一部分輸入至能源作業(yè)流程，記作B2，包括焦?fàn)t煤氣(外送管網(wǎng))、高爐煤氣(外送管網(wǎng))、轉(zhuǎn)爐煤氣(全部發(fā)生)、焦化蒸汽(外送管網(wǎng))、燒結(jié)蒸汽(外送管網(wǎng))、煉鋼蒸汽(外送管網(wǎng))、熱軋蒸汽(外送管網(wǎng))、干熄焦發(fā)電、TRT發(fā)電、污水處理量；關(guān)系式：B≈B1+B2，其差值分為兩種情況：①差值大于零，表示工序的輸出有富裕，轉(zhuǎn)移至“庫(kù)存”(即緩沖器——諸如氣柜、球罐、儲(chǔ)槽、具體空間等)；②差值小于零，表示工序的輸出不夠生產(chǎn)使用，需要消耗“庫(kù)存”。

（3）能源輸出結(jié)構(gòu)(能源作業(yè)流程制造的能源)：一部分作用于工序耗用，記作C1，包括氧氣、氮?dú)狻鍤狻⒐娘L(fēng)、壓空、氫氣、焦?fàn)t煤氣(不含制氫)、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、低溫采暖水、高溫采暖水、空調(diào)熱水、空調(diào)冷水、工業(yè)水、除鹽水、生活水、污水、回用水、電力、蒸汽；一部分能源作業(yè)自身耗用，記作C2，包括部分類似C1，還有一部分屬于能源輸送的實(shí)物放散和損失，記作C3；關(guān)系式：C=C1+C2+C3。

（4）鋼廠輸出結(jié)構(gòu)：包括鋼鐵制造輸出和能源作業(yè)輸出兩部分，前者記作D1，包括煤焦油、輕苯；后者記作D2，包括空分液體外銷(xiāo)、外銷(xiāo)電量。關(guān)系式：D=D1+D2（備注：嚴(yán)格意義上講還包括企業(yè)轉(zhuǎn)供，即所謂的D3，此處從略）。

（5）鋼廠耗散結(jié)構(gòu)：包括鋼鐵制造耗散(E1)和能源作業(yè)耗散(E2)兩部分,關(guān)系式：E=E1+E2。此兩部分暫無(wú)法量化統(tǒng)計(jì)，如冷卻塔與大氣的換熱、鐵水運(yùn)至煉鋼的溫降、加熱爐壁面的散熱、排煙損失、爐渣灰飛可燃物及含碳量、蒸汽的減溫減壓損失、高爐水渣的余熱、鋼渣的顯熱等等。但我們追求的方向是此部分的比例越低越好（備注：E2和C3不完全相同，E2是熱力學(xué)第二定律描述的不可避免的冷端損失，C3是可調(diào)節(jié)的，與生產(chǎn)運(yùn)行有關(guān)，如煤氣放散）。

3.2 數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

（1）鋼廠輸入結(jié)構(gòu)

由上述概念描述易知，1～9月鋼鐵廠購(gòu)入能源A=5161397 t標(biāo)煤，其中用于鋼鐵制造A1=4426230 t標(biāo)煤，用于能源作業(yè)A2=735167 t標(biāo)煤，二者比例分別為85.76%、14.24%。

（2）工序輸出結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表4～表6）

表4 工序輸出(B)

表5 工序自用(B1)

表6 工序凈輸出(B2)

由表4～表6可知，1～9月工序輸出B=4800212 t標(biāo)煤，工序自耗B1=3143586 t標(biāo)煤，工序凈輸出B2=1527073 t標(biāo)煤，庫(kù)存差ΔB=B-B1-B2=129553 t標(biāo)煤。三者占工序輸出的比例分別為65.49%、31.81%、2.7%。

（3）能源輸出結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表7～表9）

表7 鋼鐵制造耗用(C1)

表8 能源作業(yè)耗用(C2)

表9 能源介質(zhì)放損(C3)

由表7～表9可知，1～9月能源輸出C=2140527 t標(biāo)煤，其中工序利用C1=1087574 t標(biāo)煤，能源耗用C2=854172 t標(biāo)煤，能源介質(zhì)放損C3=198781 t標(biāo)煤，三者占能源輸出的比例分別為50.81%、39.9%、9.29%。各部分按能源專業(yè)系統(tǒng)劃分，其中鋼鐵制造耗用(C1)：煤氣比例占64.36%、電力比例占18.28%、氣體(氧氮?dú)濉⒐娘L(fēng)、壓空、氫氣)比例占14.26%、熱力(蒸汽、采暖水、空調(diào)水)比例占2.97%、水體(工業(yè)水、除鹽水、生活水、回用水)比例占0.11%；能源作業(yè)耗用(C2)：煤氣占59.83%、電力占24.42%、氣體占14.26%、熱力占0.08%、水體占0.07%；能源介質(zhì)放損(C3)：煤氣占64.54%、電力占24.34%、氣體占7.36%、熱力占3.73%、水體占0.03%。

（4）鋼廠輸出結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表10、表11）

表10 鋼鐵制造外銷(xiāo)(D1)

表11 能源作業(yè)外銷(xiāo)(D2)

由表10、表11可知，鋼廠輸出D=162348萬(wàn)t標(biāo)煤，其中鋼鐵制造外銷(xiāo)D1=141708 t標(biāo)煤，能源作業(yè)外銷(xiāo)D2=20639 t標(biāo)煤，二者占鋼廠輸出比例分別為87.29%、12.71%。

3.2.2 能源轉(zhuǎn)換與利用效率評(píng)價(jià)

能源效率通常反映的是有效能源產(chǎn)出量與能源投入量的比值。但通常不可能用一個(gè)指標(biāo)把能源效率各方面的信息完全覆蓋(這既有知識(shí)水平的原因，也有數(shù)據(jù)可獲得性的原因)[1]。本文提出四種能源效率計(jì)算方法，即鋼鐵制造的凈能源利用率、能源作業(yè)的凈能源轉(zhuǎn)換率、鋼鐵制造的總能源利用率、能源作業(yè)的總能源轉(zhuǎn)換率，計(jì)算如下：

（1）鋼鐵制造的凈能源利用率

（2）能源作業(yè)的凈能源轉(zhuǎn)換率

（3）鋼鐵制造的總能源利用率

（4）能源作業(yè)的總能源轉(zhuǎn)換率

4 結(jié)語(yǔ)

利用傳統(tǒng)鋼鐵廠的基礎(chǔ)能耗分析，以鋼鐵制造和能源作業(yè)兩條主線為引導(dǎo)，延伸剖析該鋼鐵廠高自供電率下的能源結(jié)構(gòu)，并提出了能源利用與轉(zhuǎn)換效率的具體量化計(jì)算方法。該“四率”在同行業(yè)之間暫無(wú)可比性，但對(duì)該鋼鐵廠自身而言，不同時(shí)期數(shù)值的高低可以評(píng)價(jià)能源利用和能源轉(zhuǎn)換水平的高低。值得注意的是，并不是能源利用率和能源轉(zhuǎn)換率越高越好，按優(yōu)先級(jí)應(yīng)遵循的以下三點(diǎn)原則：（1）全面權(quán)衡、綜合效益第一；（2）按質(zhì)利用、防止浪費(fèi)；（3）技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠。例如3.0 MPa氣氧通過(guò)減壓閥組降至1.0 MPa氣氧，存在壓力差(能級(jí))，但是目前沒(méi)有回收此部分壓能的實(shí)例，主要是受安全和經(jīng)濟(jì)的雙重制約。

[1]魏一鳴，廖化.能源效率的七類測(cè)度指標(biāo)及其測(cè)度方法[J].中國(guó)軟科學(xué)，2010，（1）：128-137.