钢铁企业系统节能及其研究进展.

热能与环境工程研究所1钢铁企业系统节能及其研究进展东北大学热能与环境工程研究所蔡九菊2012年5月22日江西新余热能与环境工程研究所一、引言二、节能历程解析三、系统节能与科学用能四、能耗指标及评价五、结论目录2热能与环境工程研究所3当今人类与资源、环境之间的矛盾不断激发，可谓危机四伏（次贷危机、金融危机、能源危机、环境危机）。世人普遍困惑的是人类的生存和发展问题，转变生产、生活和生存方式，谋求“可持续发展”已成为时代的主题。“可持续发展”的提出，与其说是一种新的发展模式，不如说是判定了人类现存发展模式的不可持续性。在美国次贷危机爆发之前，全世界都在推崇美国的经济结构，特别是经济发展相对落后的国家和地区。不难想象，如果没有美国的次贷危机？如果没有美国总统奥巴马提出的“再工业化”？有谁会反思：现存发展模式的不可持续性！一、引言热能与环境工程研究所4中国正处在工业化、城市化进程的高速发展期，中国钢铁工业的高速发展得益于历时30年的改革开放和节能减排，目前与世界先进产钢国的最大差距，不是规模、技术和装备，而是资源能源消耗与废物排放的平均水平尚未满足可持续发展的要求。一、引言中国是“钢铁大国不是强国”之说，不符合中国实际。中国钢铁是多层次、多水平共存的产业：有大有小，有强有弱（先进与落后、领先与淘汰共存），有清洁有污染；节能（减量化）是钢铁企业节约资源、改善环境、降低成本的可控因素，是未来中国钢铁“又好又快”发展的重要保障。热能与环境工程研究所二、中国钢铁工业节能历程解析自1980年以来，中国钢铁工业节能已走过31个年头，钢铁生产及节能降耗取得了举世瞩目的辉煌成就。5吨钢综合能耗从1980年2.040降到2000年1.180tce/t，下降率为42.16%（2000年以后统计对象改为大中型钢铁企业，不再统计全行业的能耗数据）；大中型钢铁企业的吨钢综合能耗从1980年1.646下降到2005年的0.741tce/t，下降率为54.98%；吨钢可比能耗从1980年1.285下降到2005年0.714tce/t，下降率为44.44%。2.1吨钢能耗的变化热能与环境工程研究所61980～2010年间中国钢铁工业吨钢能耗的变化注：从2006年起，外购电的折标系数由“等价值”改用“当量值”。热能与环境工程研究所730年间大中型钢铁企业吨钢可比能耗的变化（电的折标煤系数为0.404）热能与环境工程研究所2.2钢铁工业的节能进程8在20世纪70年代“石油危机”爆发之前，节能在那时候的中国还是一个较陌生的概念。进入80年代，节能在我国钢铁企业率先展开，如今已蔚然成风。（1）1978—1980年，节能起步阶段调查重点和地方骨干企业的能源消耗，宣传节能意义，组建节能队伍，通过“扫浮财”，堵塞跑冒滴漏，抓能源管理，扭转了以往钢铁企业不考核能源消耗、不统计能源数据的历史。1980年大中型企业的吨钢可比能耗为1.285（全行业的综合能耗2.040）tce/t钢。（2）1981—1990年，单体设备、单体设备、生产工序阶段，节能由钢铁生产扩展到铁矿山、铁合金、碳素制品、耐火材料等。制订了15种冶金炉窑的“热平衡测试计算办法”和19种“工序节能规定”，开展节能晋等升级、推广节能技术、节能培训等活动。大中型企业吨钢可比能耗由1.285降到1.017（行业的综合能耗为1.560）tce，10年下降268kgce，占30年总节能量的45%。热能与环境工程研究所9（3）1991—2000年，以物质流优化为主的系统节能阶段节能的着眼点从注重单体设备节能和工序节能转向企业的整体节能，既节约能源又节约非能源，通过平炉改转炉、模铸改连铸、多火成材改为一火成材等一系列生产结构调整和“以连铸为中心”的工艺流程优化，使钢铁制造流程逐渐趋于连续化、紧凑化、减量化。以物质流优化为主的系统节能，缩短了大中型企业与发达国家的差距，吨钢可比能耗由1.017降到0.781（综合能耗1.180）tce，10年间共下降236kgce，占30年总节能量的40%。（4）2001—2010年，以能量流优化为主的系统节能阶段强化钢铁企业的“能源转换功能”，开发推广CDQ、TRT、转炉煤气干法除尘、余热余能回收发电、煤调湿、蓄热燃烧、热装热送、脱湿鼓风等关键共性技术，研究能量流网络优化技术，建立了企业能源管理中心。大中型企业的吨钢可比能耗由0.781降到0.690tce，10年间能耗共下降91kgce，占30年总节能量的15%。热能与环境工程研究所10式中：e1，e2……en—各道生产工序的工序能耗，kgce/t实物产量；p1，p2……pn—各道工序的钢比系数，t/t。钢比系数=统计期内各生产工序的实物产量统计期内的钢产量吨钢能耗（E）=P1e1+P2e2+……+Pnen统计期内的合格钢坯产量p1e1+p2e2+……+pnen----------公斤标煤/吨钢=2.3吨钢能耗及其节能量解析吨钢能耗的定义式：企业总能耗除以合格钢产量热能与环境工程研究所吨钢能耗解析式——所属各生产工序的工序能耗(e)与钢比系数(p)乘积之和：吨钢能耗的解析式iiiepE111影响吨钢能耗的直接因素有两类：各工序的钢比系数，如烧结矿钢比、球团矿钢比、焦钢比、铁钢比、连铸坯钢比、材钢比等。它将吨钢能耗和企业的生产结构联系起来。各工序的工序能耗，燃料+动力消耗及其载能量。11热能与环境工程研究所12吨钢节能量(△E)的解析式——讨论直接、间接节能的贡献率iiiiiiiieepppe式中，两组括弧内的差值分别代表统计期始（上角标′）末（上角标″）某工序的钢比系数和工序能耗的改变量。等式右侧的第一项是因钢比系数变化（即生产结构调整）获得的节能量，称为间接节能量，它将生产结构的节能定量化了。第二项是因各工序能耗变化（即各生产工序节能）获得的节能量，称为直接节能量。iiiiiiepepE热能与环境工程研究所13项目“六五”1981~1985“七五”1986~1990“八五”1991~1995“九五”1996~2000“十五”2001~2005“十一五”2006~201030吨钢节能量吨钢可比能耗变化比例％-179.0-89.0-37.0-199.0-67.0-24.0-595.030.0814.966.2233.4511.264.03100.0其中因工序能耗变化比例％-124.3-56.5-20.4-107.7-38.3-10.0-357.269.4463.4855.1454.1257.1641.6760%因钢比系数变化比例％-54.7-32.5-16.6-91.3-28.7-14.0-237.830.5636.5244.8645.8842.8458.3340%1980～2010年吨钢可比能耗的变化及其节能量比较（电折标系数统一为0.404）kgce/t钢热能与环境工程研究所1401020304050607080六五七五八五九五十五十一直接、间接节能比例，%节能进程直接节能间接节能30年间直接节能、间接节能的贡献率及其变化1980～2010年，30年吨钢可比能耗共下降595公斤标准煤，间直接节357公斤，直接节能的贡献率平均为60%；间接节能238公斤，间接节能的贡献率平均为40%。间接节能40%直接节能60%热能与环境工程研究所吨钢能耗下降曲线每隔15年出现一次周期性变化，图中前后两条能耗下降曲线的形状相似、趋势相同，均呈现为“滑梯式”下落规律。2.4吨钢能耗曲线的下降规律1500.20.40.60.811.21.41.61.82197519801985199019952000200520102015年份吨钢可比能耗，tce/t钢大中型钢铁企业吨钢可比能耗（tce/t钢）2.96%2.05%1.78%4.34%0.45%0.68%单体设备节能生产工序节能企业系统节能—结构调整初期企业系统节能—结构调整中期六五七五八五九五十五十一五十二五（1）（2）（3）热能与环境工程研究所16科学技术进步及其生命周期决定的：在一项新的节能技术的推动下，最初的五年，能耗曲线下落较快，年均节能率较大；中间的五年，能耗曲线下落变缓，年均节能率减小；最后的五年，曲线变得更为平缓。例如，“六五”期间，因为当时各工序的基础能耗较高，所以单体设备节能技术的实施效果明显，年均节能率达到2.96%；进入“七五”时期，继续降低工序能耗的节能效果变差了，年均节能率减小到2.05%，到了“八五”时期年节能率就更低了，只有0.45%。“九五”期间，在系统节能技术的推动下，通过生产结构调整和工艺流程优化等措施，使得吨钢能耗出现第二次较大幅度的下降，年均节能率上升到4.34%；到了“十五”时期，年均节能率回落到1.78%；进入“十一五”，年均节能率只有0.68%（电折标系数均取等价值）。热能与环境工程研究所17下一个15年（2011～2025），我国钢铁企业的节能难度将越来越大，节能空间也将越来越小，吨钢能耗下降曲线能否出现第三次较大幅度的下落，完全取决于新一轮节能理论、节能技术和管理手段的支撑。六五七五八五九五十五十一五十二五2.96%2.05%0.45%4.34%1.78%0.68%十五年十五年下一个十五年2011～2025？15年吨钢能耗下降305公斤标煤15年吨钢能耗下降290公斤标煤下一个15年下降多少？热能与环境工程研究所18所谓系统节能，即在充分考虑外部环境的前提下，研究图中五个不同层次上的节能问题，以及它们之间的关系，实现整体的、全面的节能。“系统节能”行业联合企业生产车间（厂）单体设备设备部件“设备节能”系统节能的五个层次三、系统节能与科学用能上个世纪80年代初，陆钟武院士将冶金工业节能划分为“五个层次”，主张用系统工程的原理和方法研究冶金工业较高层次的节能问题。提出了“载能体”、“直接能耗”、“间接能耗”、“产品能耗”、“产品能值”等一系列概念（如今已是耳熟能详的专业术语），创立了“系统节能的理论和方法”。热能与环境工程研究所19基本概念：产品能耗冶金、化工、建材等工业，都是以天然资源为原料的制造工业。从天然资源到最终产品要经过多道生产工艺。每道工序的产品都是下一道工序的原料。产品能耗是“完全能耗”的概念，不可能追溯到资源的尽头。所以，在计算产品能耗时必须首先界定核算范围，如生产工序（工序能耗）、企业（吨钢能耗）。节能，说到底就是降低产品生产过程的能源总量！天然资源（矿物＋空气＋水）产品能耗概念图[产品能耗]=直接能耗+间接能耗热能与环境工程研究所203.1系统节能和科学用能，是“十二五”乃至更长时期钢铁企业节能的指导方针系统节能是将能源用少，科学用能是把能源用好——取之有度“节”为上，用其合理“好”当先。科学用能包括科学配置能源、科学使用能源、科学管理能源，将节能做到极致，把浪费降到零。已故能源科学家吴仲华提出科学用能的16个字：“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”。“节能潜力寓于不平衡之中”。生产过程中出现的热量不平衡、机械、化学、压力、浓度等不平衡现象，都是节能潜力存在的标志。如高炉顶压（压力不平衡-TRT），焦炭显热（温度不平衡-CDQ），转炉烟气(化学不平衡-回收转炉气），鼓风水份（浓度不平衡-鼓风脱湿）。科学用能——旨在发现那些不易被发现的非平衡问题。例如：热能与环境工程研究所21（1）输入给装置（终端设备）的能量总是大于产品生产所需求的能量，即在能源系统的输入-输出端存在能量“数量”不平衡。——降低设备输入端的多余能量、回收输出端的剩余能量、优化装置的设计与运行，是科学使用能源的工作基础。凡热工设备为了获取较高生产率，总是在过剩的能量趋动、作用下工作，所以必有剩余的能量输出。①能耗与产量呈非线性函数关系，单位产品能耗随产量变化存在最小值，对应的产量区间称“经济产量”或“经济区”。②对于输出端的剩余能量，要及时、合理、足量地回收利用。目前，钢铁厂多数热工设备都偏离“经济区”运行，要么“大马拉小车”要么“小马拉大车”，作业率低，产品能