鋼鐵制造流程系統節能與能效提升

關鍵詞：鋼鐵制造流程；系統節能；能效；物質流；能量流

0 前言

資源、能源和環境污染問題已成為制約世界鋼鐵業，尤其是中國鋼鐵行業可持續發展的重要問題，引起了國內外重點關注。2020年，中國粗鋼產量達到10.65億t，占世界粗鋼產量的56.76%。中國鋼鐵行業繁榮發展的同時也帶來了資源和能源消耗量大、CO2排放高、環境污染嚴重等問題。鋼鐵行業的能源消耗約占全國能源消耗總量的13%，用水量占全國工業總用水量的14%左右，碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是碳排放量最高的制造業行業，節能減排任務艱巨。特別是在“能耗總量和強度‘雙控’”、“超低排放”、“碳達峰”和“碳中和”等多重目標約束下，鋼鐵行業如何實現低碳轉型和可持續發展成為當下的重要任務。

眾所周知，提高生產過程能效，節約能源是降低生產成本和碳排放的重要措施。針對系統節能研究，Ronghwa W等提出研究鋼鐵企業能源問題應當采用系統分析方法把各個設備、生產工序及各個工廠的能源生產和使用聯系起來，分析整個系統的能源消耗。Elbling P指出，研究鋼鐵企業能源問題應借助于能源系統模型，實現能源的最優分配。Larsson M等建立了系統集成模型，分析了瑞典SSAB鋼鐵企業能源使用和對環境的影響。中國鋼鐵制造流程的節能經歷了從20世紀80年代的單體設備節能及相應的系統節能、90年代的工序取代和流程結構優化的系統節能，到進入21世紀以來的深化系統節能的發展階段，即充分發揮鋼鐵制造流程的能源轉換功能，推動能量流網絡建設，達到更高層次的系統節能。

本文圍繞系統節能理論與方法、冶金流程工程學理論，從多個層次、多個角度分析了鋼鐵制造流程系統節能的進展和發展方向，并給出在系統節能理論指導下企業能效提升的途徑，旨在為新形勢下企業開展系統節能、減排工作提供理論依據和分析工具，同時為中國鋼鐵工業綠色化、智能化發展提供新思路、新方向。

1 中國鋼鐵工業節能減排現狀

中國鋼鐵工業經過多年發展，在生產結構調整、工藝裝備大型化、節能減排技術普及應用等方面開展了大量卓有成效的工作，節能取得較大進步。

1.1 中國鋼鐵工業鋼產量變化

中國鋼鐵工業粗鋼產量從1996年首次突破1億t后，已連續25年穩居世界第一，2020年更是達到10.65億t，占世界粗鋼產量的56.76%（圖1）。由圖1可知，中國鋼鐵產量主要來自高爐-轉爐流程，比例約占90%，而電爐鋼比例遠低于日本、美國等國家，具有較大的增長空間。

1.2 中國鋼鐵工業節能進程

隨著鋼產量的快速增長，鋼鐵工業的能耗總量也隨之增長，2018年中國鋼鐵工業能耗占全國能耗的比例約為13%（圖2）。但與鋼產量增長速度相比，鋼鐵工業總能耗增長率呈下降趨勢，如2018年中國粗鋼產量是2000年的7.2倍，而能耗增長率僅為3.8倍，說明節能工作得到了重視，但與世界先進相比，還有一定差距。

1990-2020年中國鋼鐵工業噸鋼綜合能耗的變化如圖3所示。全行業噸鋼綜合能耗從1990年的1.560 t降到2000年的1.180t（截止到2000年，不再統計整個行業的噸鋼能耗，只統計行業內重點大中型企業），下降率為24.36%。重點大中型鋼鐵企業噸鋼綜合能耗從1990年的1.274 t下降到2005年的0.741 t，下降率為41.84%，因為折標煤系數變化的影響，致使2005年前后的噸鋼能耗指標不可比。其中，重點大中型鋼鐵企業噸鋼綜合能耗從2006年的0.645 t下降到2020年的0.545 t，下降率為15.50%。2001-2020年重點大中型鋼鐵企業主要生產工序的工序能耗變化見表1，由表1可見，重點大中型鋼鐵企業的燒結、球團、焦化、高爐、轉爐、電爐、軋鋼等工序的工序能耗均有不同程度的下降。說明隨著鋼鐵工業生產結構調整、節能減排技術普及應用和能源管理水平的提高，大中型鋼鐵企業重點工序的工序能耗及噸鋼綜合能耗均取得顯著成效，節能減排工作取得了較大進步。

2 系統節能研究進展及發展方向

系統節能是以系統的觀點研究節能問題，從而達到所研究對象的整體節能，是鋼鐵企業經濟運行的重要內容和切入點[19]，也是企業生產經營決策的重要輔助工具，更是滿足低碳、綠色、智能和可持續發展等新要求的重要手段。

2.1 系統節能的由來及內涵

系統節能理論的發展可追溯到20世紀60年代中期，格林果夫等提出研究爐子節能要與其前后設備聯系起來考慮才能取得綜合的最佳效果，稱之為“爐子泛函理論”；70年代中期，Kellogg提出了計算產品燃料當量的累加法，這些研究為系統節能理論的形成奠定了良好基礎。20世紀80年代，東北大學陸鐘武院士及其同事提出了一系列概念和方法，建立了系統節能理論和技術體系，極大地推動了中國鋼鐵工業系統節能工作的發展。早在1981年，陸鐘武院士率先提出載能體概念，認為凡是在制備過程中消耗了能量的物體，以及本身能產生能量的物體，都是載能體。基于“載能體”和“系統”概念，提出系統節能思想和方法，即開展節能工作不僅要節約能源，還要節約非能源；既要考慮單體設備的節能，又要考慮整體系統的節能。圍繞鋼鐵生產過程，提出節能的5個層次，即設備零部件、單體設備、生產車間（工序）、聯合企業和冶金工業，而系統節能重點研究生產車間、聯合企業和冶金工業的能源利用問題。同時考慮不同對象間的關聯以及和資源、環境的關系，從而實現更高層次的節能。

2.2 系統節能的研究進展

實踐表明，掌握系統節能的基本概念、基本理論和基本方法，是搞好節能工作的關鍵。系統節能的方法有定性和定量兩種研究方法。定性地研究問題時，只要在熟悉生產工藝的基礎上，運用載能體和系統的觀點，就能確定具體的節能途徑和措施。定量地研究問題時，除了掌握定性的研究方法外，還必須掌握運籌學、計量經濟學、系統工程和數學規劃等方面的知識。近年來，隨著計算機技術的發展，能源模型化研究越來越得到重視和發展。所建立的優化模型也從簡單的線性規劃模型、整數規劃模型向更復雜的混合建模發展。

2.2.1 噸鋼能耗及其影響因素分析

1991年，陸鐘武院士提出了噸鋼能耗的e-p分析法，將影響鋼鐵工業能耗的因素總結為各生產工序的鋼比系數和工序能耗兩大類，成為冶金工業系統節能的長期指導方針。鋼鐵企業的噸鋼綜合能耗是指企業在統計期內消耗的能源總量除以同期內合格的鋼產量，其計算式可表達為所屬各生產工序的工序能耗與鋼比系數乘積的代數和，即，e-p分析法

E=Σiei×Ρi（1）

式中：E為噸鋼綜合能耗，kgce/t；ei為各生產工序的工序能耗，kgce/t；pi為各生產工序的實物產量與鋼產量之比，又稱為鋼比系數，t/t。

基于式（1），蔡九菊教授將工序能耗變換為工序生產單位產品所直接消耗的能源量與余熱余能回收利用量的差，來分析企業直接節能和余熱余能回收的影響。陳光教授進一步指出：工序能耗受到原料質量、燃料質量、產量、產品性能和設備狀態等5個方面影響，從“三流一態”理論角度總結了鋼鐵企業在運行階段能耗影響的12個方面，并給出了節能途徑。眾多學者采用噸鋼能耗分析法，分析了中國鋼鐵工業“六五”以來噸鋼能耗變化量和影響因素，指導了中國鋼鐵工業節能減排工作。

2.2.2 基準物流圖與動態物質流分析法

針對鋼鐵生產流程物質流錯綜復雜的特點，陸鐘武院士及其團隊深入地分析了物質流走向和結構與能耗的關系，創造性地提出了鋼鐵生產的“基準物流圖”（圖4）、“基準噸材能耗”和“基準噸鋼能耗”等概念，建立了分析鋼鐵生產流程各股物質流變化對能耗影響的基本方法，系統節能理論得到了進一步完善。

根據工業系統中產品產量隨時間變化的特點及工業產品從生產、報廢到回收再利用的全生命周期過程，陸鐘武院士于2000年提出了具有“時間概念”的物質流分析法。在深入研究國外普遍采用的物質流分析方法（MFA）基礎上，于2006年又提出了物質流分析的跟蹤觀察法（圖5），極大地豐富了系統節能理論與方法的知識體系。

2.2.3 物質流與能量流相互關系及協同作用

鋼鐵制造流程是一類開放的、非穩態、非平衡、不可逆、具有耗散特征的復雜大系統，其實質上是物質、能量的流動過程，各種物料沿著產品生命周期的軌跡流動，形成物質流；各種能源沿著轉換、使用、回收、排放的路徑流動，形成能量流。在鋼鐵制造流程中，物質流是制造流程中被加工的主體，能量流是推動制造加工過程的驅動力，物質流和能量流既獨立又相互聯系、彼此制約。鋼鐵企業的物質流、能量流貫穿于鋼鐵生產過程和能源轉換過程的始終，兩者相互作用，共同決定著企業的物耗、能耗、碳排放和環境負荷。鋼鐵生產流程的準連續性/連續性，實質上是物質流在能量流的驅動和作用下，通過制造流程中不同層次的“流程網絡”結構以及結構的功能，使物質流、能量流按特定的運行程序協調地向時間軸上耦合。認識物質流與能量流相互關系及協同作用是做好系統節能的基礎。

將復雜的鋼鐵制造流程抽象為物質流、能量流流動以及物質流-能量流的協同作用過程，也便于發揮現代鋼鐵聯合企業的產品制造功能、能源轉換功能及其廢棄物的消納處理等3大功能，有利于進一步挖掘節能、降耗、減排的潛力并尋求新的節能突破口。

2.2.4 余熱余能高效回收利用與能效評價

高效回收利用余熱資源是鋼鐵工業系統節能的主攻方向，文獻給出了余熱回收的基本原理、評價指標，并重點分析了典型余熱資源的回收與利用。基于此，蔡九菊教授等開發了燒結過程余熱資源的豎罐式回收裝置與利用方法等余熱余能回收利用技術。近年來，隨著節能減排工作的重視，一批先進的余熱余能技術得到研發和應用，有力地促進了系統節能的發展。

鋼鐵制造流程的系統能效是指某一生產系統投入單位能源所能生產的產品量，可以從強化物質流、能量流和排放流的協同、加強余熱余能利用、構建能源管控中心等方面提升系統能效。為了深入分析余熱余能技術帶來的節能、減排和經濟性影響，張琦等采用熱力學第一定律、第二定律建立了能效分析方法和余熱余能分析模型，計算了不同余熱余能技術帶來的效果、流程的?損失和?效率等，挖掘了鋼鐵工業節能減排潛力。

2.2.5 鋼鐵流程能量流多尺度建模與分析

殷瑞鈺院士在《冶金流程工程學》中指出：鋼鐵制造流程動態運行過程的物理本質、結構和整體行為，提出“流”和“能量流網絡”等概念和理論，并指明流程優化和重構的方向。鋼鐵制造流程是由多個設備、工序、多種能源介質相互交錯的一個復雜系統，將鋼鐵生產過程與能源系統進行耦合，不僅能滿足生產安全、高效，又達到最低能源消耗和排放，是當前企業追求的目標，如圖6所示。

在分析企業能量流運行和建模過程中，應采用耗散結構理論，系統識別煤氣、氧氣、蒸汽、電力等能量流的運行規律，科學地調控能源生產與使用過程中的“非平衡”問題。同時，建立多種能源（如煤氣、蒸汽、電力等）耦合優化模型能有效解決不同能源介質間的關聯特性，從而獲得最優分配方案，有助于減少煤氣放散、蒸汽排空等浪費，提高鋼鐵企業能源使用效率，降低對環境污染（圖7）。

2.3 系統節能的未來發展方向

新形勢下，鋼鐵生產流程面臨節能環保、低碳、綠色、智能和可持續發展等新要求，傳統節能模式下可挖掘的節能空間越來越小，需要通過系統節能的深入研究，推進鋼鐵制造流程物質流、能量流深度融合和能源精益化管理，實現企業深層次節能減排、降本增效。

2.3.1 鋼鐵生產流程工序與界面協同匹配

生產車間（廠）是聯合企業這個系統中的子系統。研究某個生產車間（廠），實際上就是研究全流程中的某個生產工序。系統節能技術重點關注生產工序之間的協調配合、平行作業設備群的生產負荷分配與優化運行以及生產過程的操作指標、工藝參數及各參數之間的相互關系等，這些研究點是全流程系統節能的基礎，也是重要組成部分。

隨著鋼鐵生產連續化、緊湊化發展，主要生產工序之間的銜接、匹配發生了較大變化，如何優化調控工序之間的界面，如煉鐵-煉鋼界面、煉鋼-連鑄界面和連鑄-熱軋界面等（圖8），是實現鋼鐵制造流程的穩定、協調、連續和緊湊運行，進而實現流程結構整體優化的重要措施。“界面”技術是在單元工序功能優化、作業程序優化和流程網絡優化等基礎上開發出來的工序之間關系的協同優化技術，也是系統節能在工序和工序銜接過程中必須要考慮的關鍵環節，加強鋼鐵生產流程工序與界面協同匹配，為企業系統節能減排奠定良好基礎。

2.3.2 加強物質流能量流協同耦合，實現企業綠色智能升級

優化鋼鐵制造流程物質流、能量流協同耦合關系，構建全面反映企業實際生產流程的物質流、能量流及其耦合模型（圖9），合理調配能源供需關系，提升鋼鐵制造流程綜合能效水平，降低污染物排放，逐步實現從工序節能到系統節能的真正轉變。同時，挖掘物質流、能量流網絡動態運行特性，加強“信息化和工業化”兩化深度融合，實現能源系統的精細化管理，提升能源管控系統的智能化水平。

通過物質流、能量流、信息流的協同耦合，逐步形成以系統高效運行為基礎，以系統節能為目標，協同推進物質流與能量流網絡的動態調控，實現能源系統智能化管控，推動鋼鐵制造流程實現綠色化、智能化轉型升級（圖10）。

2.3.3 構建生態鏈接體系，實現全行業低碳綠色發展

陸鐘武院士在《工業生態學》中指出，要把工業系統同其周圍的環境協調起來，而不是把它看成孤立于環境之外的獨立系統。要求人們盡可能優化物質的整個循環系統，從原料到制成的材料、零部件、產品直到最后的廢棄物，各個環節都要盡可能優化。鋼鐵行業作為能源密集型行業，其低碳、綠色發展是實現國家碳達峰、碳中和目標以及建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的重要生產部門之一，構建鋼鐵、化工、建材、電力等行業的工業生態鏈接系統，是實現工業部門低碳、綠色、可持續發展的關鍵突破口。

積極推動鋼鐵上下游工序與相關行業的循環經濟發展模式，制定碳中和技術路線圖（圖11），實現高效、清潔、低碳、循環綠色發展。同時，隨著可再生能源廉價制氫的發展，構建以氫冶金為核心的鋼鐵、化工、電力等聯產系統，通過“以氫固碳”實現鋼鐵、化工、電力生產大規模減少CO2排放，早日實現國家碳達峰、碳中和目標。

3 系統節能理論指導下的鋼鐵企業能效提升

3.1 系統剖析生產能效及其影響因素，挖掘節能減排潛力

從設備、工序、流程到系統全面剖析能效及其影響因素，重點加強生產工藝設備、流程改造與優化、余熱余能回收與利用技術推廣，實現單體設備節能；在系統節能理論指導下，強化能源轉換過程、開展能量流網絡優化，提升工序及“界面”間的協調匹配，實現能源精細化管理，挖掘企業節能減排潛力，全面提高系統能效。

3.2 協同耦合物質流與能量流，實現能源高效轉換與利用

鋼鐵企業生產過程實質上是物質、能量以及相應信息的流動/轉換過程，構建具有時間概念的物質流、能量流及其耦合模型，開發“界面”技術，合理調配能源需求與供應，是實現物質流與能量流協同耦合的有效途徑。鋼鐵實際生產過程中，能量流和物質流時分時合、時冷時熱，均在不斷地發生著耗散，因此需要合理地協同優化物質流與能量流才能實現耗散最小、能效最大。用“非平衡”的觀點和方法研究能源介質的運行管理，做到按質用能、溫度對口、梯級利用，科學調控能源生產與使用過程，從而實現能源高效轉換與系統節能。

3.3 構建能源精益化運行體系，加快綠色化、智能化協同發展

挖掘物質流、能量流網絡動態特性，以系統高效運行為基礎，以系統節能為目標，構建“三流一態”為核心的能源精益化運行體系，發揮智慧化能源管控系統的功能，實現整體效益最大化。同時，加快鋼鐵行業流程結構優化和低碳、綠色技術研發，以清潔生產為基礎，全面實現鋼鐵產品制造、能源轉換、廢棄物處理-消納和再資源化等功能，實現鋼鐵工業綠色化、智能化協同發展。

4 結論

（1）系統節能理論與方法在中國鋼鐵工業節能減排過程中發揮了重要作用。系統節能是更高層次上的節能，該方法指出節能不僅要節約能源，而且要節約非能源；既要考慮單體設備的節能，又要考慮整體系統的節能。

（2）掌握系統節能的基本概念、基本理論和基本方法，是搞好節能工作的關鍵。本文從系統節能的內涵、研究進展和未來發展方向闡述了其發展過程和實施效果，并給出企業如何在該理論指導下開展系統節能和提升系統能效的途徑。

（3）在冶金流程工程學與系統節能理論深度融合下，將對以鋼鐵工業為代表的流程工業節能減排工作推進有重要指導意義，對實現鋼鐵工業綠色化、智能化協同發展有重要的參考價值。

本文摘自《鋼鐵》2021年第8期