刘宝山¹  贾凤泳²  刘常鹏³  李卫东³  张天赋³

（1.鞍钢集团众元产业发展有限公司， 2.鞍钢集团信息产业有限公司，3.鞍钢股份有限公司技术中心）

摘 要:面对日益紧张的钢铁企业能源问题，文章从某钢铁企业的能源构成入手，分析钢铁企业的主要耗能介质及能源损失构成，并针对各种能源的损失提供相对应的节能技术手段,实现钢铁企业的能源近零排放。

关键词:能源构成；节能技术；能源损失

钢铁工业在带动我国经济发展的同时，作为高能源强度行业也加剧了全球性的能源危机和生态环境恶化，是我国能源消费最大的部门之一^[1]。新形势下，降本增效、节能减排逐渐成为钢铁企业应对危机、转型发展的必然选择，而提高能源系统的运行水平将发挥关键作用。能源成本、能源利用效率水平已经成为影响我国大部分钢铁企业盈利水平和可持续发展能力的关键因素，能源系统的高效运行已经成为先进钢铁企业核心竞争力的标志^[2]。

钢铁企业能耗取决于主生产系统、能源转换系统的能耗特点以及两者之间的作用关系^[3]。作为主要能源介质，煤炭主要以炼焦煤、喷吹煤和燃料煤的方式输入到钢铁制造流程中。伴随着复杂的物理化学变化，煤炭被转化为焦炭、煤气的化学能及热量、压力等物理能。煤炭的使用、转化及二次能源回收再利用过程比较复杂，并且在相互之间、工序之间存在交叉复杂的关系，构成一个比较复杂的大型能量系统。研究企业节能的前提就是要弄清楚能源构成及损失结构，找出相应的技术措施，实现单体设备、工艺路线、操作工艺上的节能。

1钢铁企业工艺流程

某钢铁企业为板材生产基地，属长流程工艺，主要包括焦化、烧结、炼铁、炼钢和热轧等生产工序。主要外购能源为煤粉、焦炭、新水和电，二次能源介质为高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气、蒸汽、氧气、氮气、氢气、压缩空气、其他惰性气体及一部分自发电等。外供能源为部分焦炉煤气。

2能源介质构成分析

通过将所有使用的能源介质进行折标煤分析，研究该钢铁企业的各种能源介质的使用占比、能源转化效率及各生产工序的能源损失，利用能源量、损失量、转化效率将各种能源介质排序，抓大放小，制定各种节能措施。

2.1全部能源介质结构及占比

该钢铁企业的二次能源介质结构见表1。

高炉煤气所占能源介质的份额最大，为42%, 焦炉煤气次之占27%, 电力消耗为16%, 蒸汽及转炉煤气消耗为6%, 其余能源介质消耗较小均未超过3%。

从能效介质所占比重来看，钢铁企业重点分析的目标能效介质为高炉煤气、焦炉煤气、电力、转炉煤气及蒸汽，需要对能源介质的使用效率、损失占比及工艺消耗进行系统分析，找出相对应的节能方式及工艺路线。

2.2重点能源介质解析

分析重点能源介质在工序中重点设备的分布情况，确定重点工序及重点设备的研究范围。

2. 2.1工序的煤气消耗分析

高炉煤气主要用于焦炉燃烧、CCPP发电、高炉热风炉自用、燃气锅炉及混合煤气燃烧。其中焦炉用高炉煤气最多约占全部消耗的30%以上，CCPP次之占总体消耗的25%, 单个高炉的热风炉煤气消耗为17% ,燃气发电锅炉消耗占5% ,其他用作混合煤气燃烧。

焦炉煤气用户非常多，主要用于CCPP发电(17%)、炼钢白灰窑生产(17%) 、混合煤气燃烧(17%) 、焦炉燃烧(14%) 、燃气锅炉及球团(8%、9%) 、烧结机(3%), 其他混合料场、连铸切割、钢包烘烤、中间包烘烤及热处理加热炉的消耗非常少。

转炉煤气用于混合煤气在加热炉及钢包烘烤中的消耗，其中转炉、1580生产线加热和5. 5m 宽厚板加热的转炉煤气消耗分别为0.11 kgce/t、0. 61 kgce/1 和 1. 27 kgce/t。 

2. 2.2工序的电力消耗分析

所有设备都涉及电力系统的应用,高炉鼓风(0. 46kgce/t )、烧结(0. 77kgce/t )、轧钢(0. 99kgce/t)和转炉(0. 47kgce/t)系统所占比率较大,合计在60%以上,其他设备相对较低。

电力系统可分为工艺电、生产电及生活电。工艺电是将电能转化成为热能、机械能和风能等，包括轧钢系统的轧机、烧结系统的主抽风机及环冷鼓风机、除尘风机、工艺热处理电炉等, 其特点是电能消耗由工艺参数决定，可通过工艺参数的变化及工序之间的耦合来实现工艺电的节能。生产电针对物料的移动、提升以及相关介质的加压等，主要包括吊车运行、上下料辐道运行、提升泵站运行等等，节能方式主要在于强化工作效率，降低空载、空转问题，并对大型运行设备使用变频技术。生活电主要为照明、洗浴等生活用电，强化管理、实现绿色照明等是节电的主要措施。

2. 2.3工序的蒸汽消耗分析

生产用汽主要集中在转炉、干熄焦及化工工序，回收所占比率较大合计在80%以上，其他工序均为生活用汽，见表2。

2.3工序中重点能效设备分析

通过以上分析可以发现，钢铁流程不同能源介质主要消耗的重点设备是：焦炉、高炉、热风炉、烧结机、白灰窑、转炉和加热炉，分析各种能耗设备的能源介质消耗及损失，对于钢铁企业的节能具有实际意义。

2.3.1焦炉能效分析

焦炉是能源消耗的设备，同时也是钢铁企业重要的能源转化设备，通过焦炉将煤高温干憎为焦炭，同时产生焦炉煤气作为钢铁企业最重要的二次能源。焦炉能耗介质包括高炉气、焦炉气、电力、蒸汽和工业用水，见表3。其中煤气消耗占95%以上，因此将焦炉作为焦化工序的重点能耗设备。CDQ虽然耗能量较小，但产生蒸汽及电能，且参数与焦炉的出焦温度等参数相关,因此需要作为重点能效设备考虑。

焦炉的能源损失见表4,主要集中在燃烧废气和循环水物理热（焦炉荒煤气物理热），对该部分低温余热资源目前回收方法较多，焦炉荒煤气余热利用技术及低温余热水供暖、制冷技术均可以有效回收利用。

2. 3.2烧结能源结构

烧结系统的能源消耗主要是固体燃料、焦炉煤气及电，见表5。其中固体燃料及气体燃料提供热量，而电力系统主要为工艺用电。电耗增加与系统漏风率直接相关，合理控制烧结台车的抽风压力，减小台车之间的缝隙，改善环冷机环缝密封方式，可减少主抽风机及环冷鼓风机的电耗。

烧结的热损失主要是烟气带走热量和环冷散热，其占比分别为67%和33%。烟气带出热量分为两块，烧结烟气及环冷烟气。烧结机不同位置的烟气含硫量不同，高硫区一般在13号风箱及20号风箱之间，而该区域的温度在100 ~300℃之间，完全满足脱硫系统的温度要求，可进行分区脱硫。而20号之后的风箱温度在300℃以上，可以加入环冷1段及2段烟气一起用于余热锅炉发电系统。环冷机3段、4段烟气 温度达到150 ~ 300℃ 5段的温度小于150℃可循环至4段，3段、4段的烟气直接进行热风烧结及热风点火，降低烧结机的煤气消耗及固体燃料消耗。

2. 3.3炼铁能源结构

高炉系统能源消耗主要是固体燃料及煤气,详见表6,其中固体燃料占80%以上，煤气消耗为10%左右。

高炉的能源损失见表7。铁水的物理热及化学热损失最多，这部分能源带入炼钢系统为负能炼钢创造条件。高炉渣余热次之，INBA法处理高炉渣余热没能充分回收利用，大部分余热变成饱和蒸汽无法回收，作为世界性难题在各个国家均有研究，但实际应用较少。高炉循环冷却壁的冷却水损失和热风炉烟气余热损失均有可利用的空间，可以实现解冻或供暖等需求。

2. 3.4炼钢能源结构

炼钢系统主要耗能子工序是白灰窑炉及炼钢转炉，其他诸如铸机及精炼炉的能耗主要体现在电力系统及水系统（另作分析）。转炉能源介质消耗见表8。

转炉的能耗主要体现在氧气、电和蒸汽的消耗，约占70%以上。白灰窑的消耗为焦炉煤气、 电力和工业新水，其中焦炉煤气占97%。转炉能源的损失包括转炉渣物理热、炉气物理热、炉体散热和烟尘物理热，其占比分别为44%、29%、22%和5%。最大部分为转炉渣余热，由于粘度、温度及游离CaO、MgO脱除等限制，没有高效利用。

连铸能源损失包括钢液的潜热损失和钢坯显热损失，分别为70%和30%, 可以说是整个钢铁工序最大的损失。为强化冷却，这部分热量大都转化至低温冷却水，很难有效利用。钢坯显热损失较大，可以通过提高加热工序热装温度及热装率的方式，最大限度地利用该部分能量。

2. 3.5热轧能源结构

热轧系统能耗主要包括两部分：一是加热炉的能耗，占整个热轧工序的4/5,加热炉主要消耗混合煤气；二是轧机，主要消耗电能。

轧钢加热炉消耗的能源介质主要是焦炉气、转炉气、高炉气、电力和水等，其中煤气约占总体能源的96%以上，其他水电等能源介质消耗较低。

加热工序的热量损失包括坯料热损失、烟气损失和蒸汽带出热三部分，分别为64%、24% 和12%。坯料的物理热损失全部转化到冷却水循环系统，是钢铁工序最大的能源损失项。现有利用纳米流体技术进行循环污水中的热量回收, 实现轧材的部分余热利用。降低烟气热损失的技术主要有三种：(1)采用换热器技术，将空气预热到450℃左右，煤气预热到300P,以直接热回收的方式回用到加热炉内，降低加热炉的燃耗；(2)采用蓄热式技术进行余热回收，利用烟气余热预热空、煤气，降低燃耗，热效率可高达70%以上，但因其设备维护量大，耗材量增加，检修点多，易造成“节能不节钱”的问题, 尤其在大型钢铁企业中应用效果较差；(3)采用余热锅炉技术，将烟气余热转化为蒸汽进行发电，余热回收不对加热炉的工艺操作造成任何影响，配合换热器技术实现余热的最大限度回收, 但投资较大，同时由于能源的二次转化造成能源使用效率降低。

3结语

钢铁企业主要的用能介质是煤、焦炭、煤气、电及蒸汽,主要的用能设备有焦炉、烧结机、高炉、热风炉、转炉、加热炉。主要的能源损失是高炉渣、转炉渣的余热，连铸坯的显热及潜热,加热后铸坯的显热以及大量的烟气热损失。

钢铁企业的节能重点应放在这些设备的提效降耗及能源介质的合理利用上，能源梯级利用、就近回用、减少转化是钢铁企业能源利用的准 则，最终实现钢铁企业的能源近零排放。

参考文献

[1 ] Yi • Ming Wei, Hua Liao, Ying Fan. An empirical analysis of energy efficiency in ChinaS iron and steel sector [J]. Energy 32 , 2007 : 2262 -2270.

[2] 温燕明等.钢铁流程能源转换功能价值深度开发研究[J].工程研究一跨学科视野中的工程，2017, (9)： 29-39.

[3] 陈 光等.宝钢能源优化模型的研究[J].冶金能源，2003, 22 (1)： 6-9.