劉寶山1 賈鳳泳2 劉常鵬3 李衛東3 張天賦3
（1.鞍鋼集團眾元產業發展有限公司， 2.鞍鋼集團信息產業有限公司，3.鞍鋼股份有限公司技術中心）
摘 要:面對日益緊張的鋼鐵企業能源問題，文章從某鋼鐵企業的能源構成入手，分析鋼鐵企業的主要耗能介質及能源損失構成，并針對各種能源的損失提供相對應的節能技術手段,實現鋼鐵企業的能源近零排放。
關鍵詞:能源構成；節能技術；能源損失
鋼鐵工業在帶動我國經濟發展的同時，作為高能源強度行業也加劇了全球性的能源危機和生態環境惡化，是我國能源消費最大的部門之一[1]。新形勢下，降本增效、節能減排逐漸成為鋼鐵企業應對危機、轉型發展的必然選擇，而提高能源系統的運行水平將發揮關鍵作用。能源成本、能源利用效率水平已經成為影響我國大部分鋼鐵企業盈利水平和可持續發展能力的關鍵因素，能源系統的高效運行已經成為先進鋼鐵企業核心競爭力的標志[2]。
鋼鐵企業能耗取決于主生產系統、能源轉換系統的能耗特點以及兩者之間的作用關系[3]。作為主要能源介質，煤炭主要以煉焦煤、噴吹煤和燃料煤的方式輸入到鋼鐵制造流程中。伴隨著復雜的物理化學變化，煤炭被轉化為焦炭、煤氣的化學能及熱量、壓力等物理能。煤炭的使用、轉化及二次能源回收再利用過程比較復雜，并且在相互之間、工序之間存在交叉復雜的關系，構成一個比較復雜的大型能量系統。研究企業節能的前提就是要弄清楚能源構成及損失結構，找出相應的技術措施，實現單體設備、工藝路線、操作工藝上的節能。
1鋼鐵企業工藝流程
某鋼鐵企業為板材生產基地，屬長流程工藝，主要包括焦化、燒結、煉鐵、煉鋼和熱軋等生產工序。主要外購能源為煤粉、焦炭、新水和電，二次能源介質為高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、混合煤氣、蒸汽、氧氣、氮氣、氫氣、壓縮空氣、其他惰性氣體及一部分自發電等。外供能源為部分焦爐煤氣。
2能源介質構成分析
通過將所有使用的能源介質進行折標煤分析，研究該鋼鐵企業的各種能源介質的使用占比、能源轉化效率及各生產工序的能源損失，利用能源量、損失量、轉化效率將各種能源介質排序，抓大放小，制定各種節能措施。
2.1全部能源介質結構及占比
該鋼鐵企業的二次能源介質結構見表1。
高爐煤氣所占能源介質的份額最大，為42%, 焦爐煤氣次之占27%, 電力消耗為16%, 蒸汽及轉爐煤氣消耗為6%, 其余能源介質消耗較小均未超過3%。
從能效介質所占比重來看，鋼鐵企業重點分析的目標能效介質為高爐煤氣、焦爐煤氣、電力、轉爐煤氣及蒸汽，需要對能源介質的使用效率、損失占比及工藝消耗進行系統分析，找出相對應的節能方式及工藝路線。
2.2重點能源介質解析
分析重點能源介質在工序中重點設備的分布情況，確定重點工序及重點設備的研究范圍。
2. 2.1工序的煤氣消耗分析
高爐煤氣主要用于焦爐燃燒、CCPP發電、高爐熱風爐自用、燃氣鍋爐及混合煤氣燃燒。其中焦爐用高爐煤氣最多約占全部消耗的30%以上，CCPP次之占總體消耗的25%, 單個高爐的熱風爐煤氣消耗為17% ,燃氣發電鍋爐消耗占5% ,其他用作混合煤氣燃燒。
焦爐煤氣用戶非常多，主要用于CCPP發電(17%)、煉鋼白灰窯生產(17%) 、混合煤氣燃燒(17%) 、焦爐燃燒(14%) 、燃氣鍋爐及球團(8%、9%) 、燒結機(3%), 其他混合料場、連鑄切割、鋼包烘烤、中間包烘烤及熱處理加熱爐的消耗非常少。
轉爐煤氣用于混合煤氣在加熱爐及鋼包烘烤中的消耗，其中轉爐、1580生產線加熱和5. 5m 寬厚板加熱的轉爐煤氣消耗分別為0.11 kgce/t、0. 61 kgce/1 和 1. 27 kgce/t。
2. 2.2工序的電力消耗分析
所有設備都涉及電力系統的應用,高爐鼓風(0. 46kgce/t )、燒結(0. 77kgce/t )、軋鋼(0. 99kgce/t)和轉爐(0. 47kgce/t)系統所占比率較大,合計在60%以上,其他設備相對較低。
電力系統可分為工藝電、生產電及生活電。工藝電是將電能轉化成為熱能、機械能和風能等，包括軋鋼系統的軋機、燒結系統的主抽風機及環冷鼓風機、除塵風機、工藝熱處理電爐等, 其特點是電能消耗由工藝參數決定，可通過工藝參數的變化及工序之間的耦合來實現工藝電的節能。生產電針對物料的移動、提升以及相關介質的加壓等，主要包括吊車運行、上下料輻道運行、提升泵站運行等等，節能方式主要在于強化工作效率，降低空載、空轉問題，并對大型運行設備使用變頻技術。生活電主要為照明、洗浴等生活用電，強化管理、實現綠色照明等是節電的主要措施。
2. 2.3工序的蒸汽消耗分析
生產用汽主要集中在轉爐、干熄焦及化工工序，回收所占比率較大合計在80%以上，其他工序均為生活用汽，見表2。
2.3工序中重點能效設備分析
通過以上分析可以發現，鋼鐵流程不同能源介質主要消耗的重點設備是：焦爐、高爐、熱風爐、燒結機、白灰窯、轉爐和加熱爐，分析各種能耗設備的能源介質消耗及損失，對于鋼鐵企業的節能具有實際意義。
2.3.1焦爐能效分析
焦爐是能源消耗的設備，同時也是鋼鐵企業重要的能源轉化設備，通過焦爐將煤高溫干憎為焦炭，同時產生焦爐煤氣作為鋼鐵企業最重要的二次能源。焦爐能耗介質包括高爐氣、焦爐氣、電力、蒸汽和工業用水，見表3。其中煤氣消耗占95%以上，因此將焦爐作為焦化工序的重點能耗設備。CDQ雖然耗能量較小，但產生蒸汽及電能，且參數與焦爐的出焦溫度等參數相關,因此需要作為重點能效設備考慮。
焦爐的能源損失見表4,主要集中在燃燒廢氣和循環水物理熱（焦爐荒煤氣物理熱），對該部分低溫余熱資源目前回收方法較多，焦爐荒煤氣余熱利用技術及低溫余熱水供暖、制冷技術均可以有效回收利用。
2. 3.2燒結能源結構
燒結系統的能源消耗主要是固體燃料、焦爐煤氣及電，見表5。其中固體燃料及氣體燃料提供熱量，而電力系統主要為工藝用電。電耗增加與系統漏風率直接相關，合理控制燒結臺車的抽風壓力，減小臺車之間的縫隙，改善環冷機環縫密封方式，可減少主抽風機及環冷鼓風機的電耗。
燒結的熱損失主要是煙氣帶走熱量和環冷散熱，其占比分別為67%和33%。煙氣帶出熱量分為兩塊，燒結煙氣及環冷煙氣。燒結機不同位置的煙氣含硫量不同，高硫區一般在13號風箱及20號風箱之間，而該區域的溫度在100 ~300℃之間，完全滿足脫硫系統的溫度要求，可進行分區脫硫。而20號之后的風箱溫度在300℃以上，可以加入環冷1段及2段煙氣一起用于余熱鍋爐發電系統。環冷機3段、4段煙氣 溫度達到150 ~ 300℃ 5段的溫度小于150℃可循環至4段，3段、4段的煙氣直接進行熱風燒結及熱風點火，降低燒結機的煤氣消耗及固體燃料消耗。
2. 3.3煉鐵能源結構
高爐系統能源消耗主要是固體燃料及煤氣,詳見表6,其中固體燃料占80%以上，煤氣消耗為10%左右。
高爐的能源損失見表7。鐵水的物理熱及化學熱損失最多，這部分能源帶入煉鋼系統為負能煉鋼創造條件。高爐渣余熱次之，INBA法處理高爐渣余熱沒能充分回收利用，大部分余熱變成飽和蒸汽無法回收，作為世界性難題在各個國家均有研究，但實際應用較少。高爐循環冷卻壁的冷卻水損失和熱風爐煙氣余熱損失均有可利用的空間，可以實現解凍或供暖等需求。
2. 3.4煉鋼能源結構
煉鋼系統主要耗能子工序是白灰窯爐及煉鋼轉爐，其他諸如鑄機及精煉爐的能耗主要體現在電力系統及水系統（另作分析）。轉爐能源介質消耗見表8。
轉爐的能耗主要體現在氧氣、電和蒸汽的消耗，約占70%以上。白灰窯的消耗為焦爐煤氣、 電力和工業新水，其中焦爐煤氣占97%。轉爐能源的損失包括轉爐渣物理熱、爐氣物理熱、爐體散熱和煙塵物理熱，其占比分別為44%、29%、22%和5%。最大部分為轉爐渣余熱，由于粘度、溫度及游離CaO、MgO脫除等限制，沒有高效利用。
連鑄能源損失包括鋼液的潛熱損失和鋼坯顯熱損失，分別為70%和30%, 可以說是整個鋼鐵工序最大的損失。為強化冷卻，這部分熱量大都轉化至低溫冷卻水，很難有效利用。鋼坯顯熱損失較大，可以通過提高加熱工序熱裝溫度及熱裝率的方式，最大限度地利用該部分能量。
2. 3.5熱軋能源結構
熱軋系統能耗主要包括兩部分：一是加熱爐的能耗，占整個熱軋工序的4/5,加熱爐主要消耗混合煤氣；二是軋機，主要消耗電能。
軋鋼加熱爐消耗的能源介質主要是焦爐氣、轉爐氣、高爐氣、電力和水等，其中煤氣約占總體能源的96%以上，其他水電等能源介質消耗較低。
加熱工序的熱量損失包括坯料熱損失、煙氣損失和蒸汽帶出熱三部分，分別為64%、24% 和12%。坯料的物理熱損失全部轉化到冷卻水循環系統，是鋼鐵工序最大的能源損失項?，F有利用納米流體技術進行循環污水中的熱量回收, 實現軋材的部分余熱利用。降低煙氣熱損失的技術主要有三種：(1)采用換熱器技術，將空氣預熱到450℃左右，煤氣預熱到300P,以直接熱回收的方式回用到加熱爐內，降低加熱爐的燃耗；(2)采用蓄熱式技術進行余熱回收，利用煙氣余熱預熱空、煤氣，降低燃耗，熱效率可高達70%以上，但因其設備維護量大，耗材量增加，檢修點多，易造成“節能不節錢”的問題, 尤其在大型鋼鐵企業中應用效果較差；(3)采用余熱鍋爐技術，將煙氣余熱轉化為蒸汽進行發電，余熱回收不對加熱爐的工藝操作造成任何影響，配合換熱器技術實現余熱的最大限度回收, 但投資較大，同時由于能源的二次轉化造成能源使用效率降低。
3結語
鋼鐵企業主要的用能介質是煤、焦炭、煤氣、電及蒸汽,主要的用能設備有焦爐、燒結機、高爐、熱風爐、轉爐、加熱爐。主要的能源損失是高爐渣、轉爐渣的余熱，連鑄坯的顯熱及潛熱,加熱后鑄坯的顯熱以及大量的煙氣熱損失。
鋼鐵企業的節能重點應放在這些設備的提效降耗及能源介質的合理利用上，能源梯級利用、就近回用、減少轉化是鋼鐵企業能源利用的準 則，最終實現鋼鐵企業的能源近零排放。
參考文獻
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[2] 溫燕明等.鋼鐵流程能源轉換功能價值深度開發研究[J].工程研究一跨學科視野中的工程，2017, (9)： 29-39.
[3] 陳 光等.寶鋼能源優化模型的研究[J].冶金能源，2003, 22 (1)： 6-9.
