鋼鐵企業能量流分析方法研究

楊 蕓，郭 敏

(中冶賽迪工程技術股份有限公司 咨詢事業本部，重慶401122)

中國的鋼鐵產能在飛速擴張過程中，大部分鋼鐵企業邊發展邊建設，存在重技術設備、輕流程關聯的觀念，企業全流程內設備配置、工藝技術與流程和系統匹配性不高，設備利用率、能源利用水平等均有不同程度的優化空間。在鋼鐵產能過剩的大背景下，鋼鐵企業需要從內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降低運營成本的一個重要手段，也是國家倡導綠色制造的大勢所趨。

現代鋼鐵生產流程是將含鐵原料經過一系列物理、化學變化從天然資源轉變到鋼鐵產品及其副產品，殷瑞鈺院士提出了鋼鐵企業的“流”的概念[1]，在鋼鐵企業生產過程中，鐵素物質流是被加工的主體，能源介質(如煤炭、焦炭、煤氣、電力、蒸汽等)則作為驅動力、化學反應介質或熱介質按照工藝要求對物質進行加工、處理，使其發生位移、化學和物理轉換、形變和相變等變化。各種能源經過一系列加工、轉換、改質環節得到能源產品，各種能源產品沿著轉換、使用、排放的路徑流動，形成了能量流。

中國的鋼鐵企業在過去的建設過程中，更多地是關注技術設備，對鋼鐵生產的流程關聯重視不足。隨著“流”的概念被越來越多的人所接受，如何從系統層面節能降本已成為鋼鐵從業者更關心的問題。

1 當前鋼鐵能源利用分析方法局限性

當前鋼鐵企業的管理模式主要是按生產工藝分單元進行管理，在全廠能源管理層面通常設有能源部負責全廠能源調度，但主要的能源利用分析還是分散在如原料廠、燒結廠、球團廠、石灰廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠等二級生產單元或車間中，雖然現在不少企業已經開始實行鐵前、鋼后的大部制管理，但這種分類主要是為解決工序生產間的協調配合問題，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性的流程問題。

鋼鐵企業經常開展與自己類似企業的對標，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品能耗和噸鋼綜合能耗、噸鋼可比能耗為主，輔以自發電率、噸鋼耗新水、噸鋼耗電、年耗煤量、煤氣放散率、鐵水運輸設備周轉率、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意義，但在實際操作中，由于工序配置、設備選型、計量管理模式、統計范圍的不同，對標工作存在較大的不確定性，企業不易通過這種對標快速幫助自身查找挖潛空間。

對于鋼鐵生產節能降本的分析，應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性分析。

2 工序消耗能定義

鋼鐵生產的能源計量以生產工藝單元為界，可以分為五股能量流：輸入能量Qin、產品輸出能量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，但可以根據鋼廠現有的檢測手段被計算，而Q′則沒有常規的計量或計算辦法，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

對于鋼鐵存量產能，在鋼鐵企業各工序工藝、設備已經確定不變的情況下，假設其Qj保持不變，從提高能源利用效率出發，在保障工序產品產量和質量的前提下，節能降本的方向應為減少損失能量Q′、增加回收能量Qback、將輸出能量Qout盡可能多的轉變為Qback(或下一工序的Qin)。其具體內容包括：

(1)各工序輸入的物質中所含的能；

(2)各工序輸出的物質中所含的能；

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

(4)各工序產品相變或物理形變所需的能量以及生產過程中各類損失的能量由于不可計量，統一計入該工序的消耗能。

物質所含能：鋼鐵工藝流程各工序在生產過程中均伴隨著能源的轉換、物質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、產品及副產品中所含的機械能和化學能等。

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

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

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、球團、石灰、煉鐵、煉鋼、軋鋼等長流程常規工藝單元。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)。第三是能源轉換層面，如自發電廠、鍋爐房、余熱回收、制氧、制氫、鼓風、空壓站、水處理、固廢處理等設施。

所有能量數據均按折標準煤系數折算為標準煤量。

能量流計算涉及鋼鐵生產眾多工序，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 輸入物質中所含的能

高爐煉鐵工序是焦炭、含鐵礦石(塊礦、燒結礦、球團礦)和熔劑(石灰石、白云石)在高爐內連續生產液態生鐵的工藝方法，其輸入物質中所含的能包括：

(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、鼓風等耗能工質折算的能；

(4)焦炭、燒結礦顯熱所含的能(如有)。

3.1.2 輸出物質中所含的能

煉鐵工序的主產品為高溫熱鐵水，副產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電(TRT)回收的電能所含的能。

3.1.3 化學反應熱

高爐煉鐵工序熱平衡計算熱支出中反應熱包括碳氧化熱、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在煉鋼工序則為放熱反應，計入輸出至煉鋼工序的能。

3.1.4 工序能源利用計算分析

根據前文的定義，某800萬t規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%。其能源轉換效率為1-η=38.65%。

4 某鋼廠能量流分析案例

某800萬t產能規模鋼廠，根據其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桑基圖如圖1所示。

圖1 某鋼廠能量流桑基圖

4.1 各工序消耗能計算

4.1.1 主體生產工序消耗能

各工序消耗能及消耗能率計算結果見表3。

表3 各工序能量消耗計算

注：本表中各工序的噸產品消耗能源量數據與常規的工序能耗數據是兩種不同的統計口徑。

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 能源轉換工序消耗能

主要能源轉換工序消耗能及消耗能率見表4。

表4 能源轉換工序消耗能計算

4.2 各工序消耗能分析

工序消耗能率數據是輸入該工序的能量在該工序被消耗的百分比，數據越大代表能源的回收利用越不充分，節能降本潛力空間的尋找首先就應關注消耗能率百分比較高的工序。但節能不是唯一的目的，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，在采取合理的節能措施后通常會獲得更大的降本效益。根據四象限分析法則，輸入能量總量大，消耗能率高的工序如煉鐵、電廠將作為最優先關注的對象，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暫不予以關注。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據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和該企業所處的能源成本環境。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能投資和能源本身的浪費。

5 結 語

鋼鐵企業能量流分析方法，將鋼鐵流程生產過程中各生產工序、界面、能源轉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、工序產品輸出能量流分別進行量化計算，依托國內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果，且真實地反應了各工序能源的實際轉換和消耗情況，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依據，為企業節能降耗提供解決方向。對于咨詢評估單位，可根據年平均或月平均檢測數據計算后進行快速的初步預判，根據不同能量流占輸入能源的比率數據分析企業存在的節能空間，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。對于生產企業自身，可以做到按日分析，還可結合當日鋼鐵生產的產量、鋼種情況，逐漸形成企業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能源數據進行預判，使能源調度更加合理高效。