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第42卷 第2期 2 0 0 7年2月 钢铁 Iron and Steel Vol. 42 , No. 2 February 2007 钢铁冶金流程节能空间研究 郭汉杰, 尹志明 北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083 摘 要分两方面对钢铁企业全流程节能空间进行了研究。一方面把冶金全流程按照冶金功能进行了划分,分析 了各工序能耗目前的能源消耗状况;计算了钢铁业正在推广的6项节能新技术包括CDQ技术、TRT技术、 高炉喷 煤技术、 球团矿技术、 转炉负能炼钢技术、 连铸坯热装热送和直接轧制技术的节能效果。计算表明,如果这6项技 术全部实施,冶金过程吨钢标煤能耗将下降132. 27 kg/ t ;对钢铁全流程中目前还未引起重视的低温余热回收及其 对钢铁全流程的能耗降低进行了计算评估,计算表明,如果这些低温余热全部回收,中国钢铁业吨钢能耗折合标 煤将下降33. 55 kg/ t。 关键词吨钢能耗;节能;余热利用 中图分类号 TP18 文献标识码 A 文章编号 04492749X20070220077205 Range of Recovery of Exhaust Heat in Metallurgical Enterprises GUO Han2jie , YIN Zhi2ming School of Metallurgical and Ecological Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China Abstract The energy saving of all metallurgical process was studied from two aspect. First , the all process of metal2 lurgical enterprise was divided into three departs according to operating functions. The energy consumption of every process was analyzed , and the energy saving of six new technologies CDQ , TRT , etc applied to metallurgical process was calculated. The results show that the energy consumption of per ton steel would be reduced 132. 27 kg/ t if six new technologies are put to use in metallurgical enterprises. In the other hand , it was analyzed about the range of recovery and utilization of exhaust residual heat in metallurgical enterprises , and introduced the utilization way of various exhaust gas residual heat and the principle used for utilizing residual heat. The quantity of the lower temper2 ature remaining heat was calculated in the steel process. The energy consumption per ton steel would be reduced 33155 kg/ t , if these lower temperature remaining heat are all reused in steel produced process. Key words energy consumption per ton steel ; energy saving; recover to utilize 作者简介郭汉杰19572 , 男,博士,副教授; E2mail ghj0502 ; 修订日期 2006207209 2005年,我国钢铁重点企业的吨钢可比能耗与 国际先进水平比较高9 ,约59 kg/ t。有人估计, 就目前世界水平而言,我国的重点钢铁企业吨钢可 比能耗比世界先进水平高15 [1 ,2]。必须把冶金企 业可能的节能空间进行正确的评估和计算,给企业 提供节能的目标和方向。 首先把钢铁冶金全流程根据能源消耗和冶金功 能划分为三个工序,即炼铁工序包括烧结、 球团、 焦 化和炼铁、 炼钢工序、 轧钢工序。然后从管理、 结构 和技术三个方面对炼铁、 炼钢和轧钢三个工序能源 状况和节能进行计算。 1 冶金流程中与能源有关的工序功能 划分 1. 1 管理的功能 管理是企业的灵魂,钢铁企业对能源的管理应 该重视以下两个方面 1企业应该设立能源管理中心,该中心要对 企业用能进行监测、 控制、 调整、 故障分析、 能源平 衡,做到在线管理,而非用能后,能源浪费了再作分 析。 2建立系统能源的观点,打破 “炼铁2炼钢2轧 钢” 各工序之间的界限,站在更高的层次上科学、 合 理地对整个流程进行分析研究的基础上,确定系统 全局运行工艺最优而能耗最小的工艺方案。 1. 2 结构的功能 1. 2. 1 炼铁工序 1增加高炉原料球团的比例。因为球团的工 序能耗是42 kg/ t ,而先进的烧结工序能耗60. 55 kg/ t ,这就是说,1 t球团矿代替1 t烧结矿可以节约 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 钢 铁第42卷 18 kg/ t左右;另一方面,球团的品位比烧结矿高,这可 以使焦比降低,产量提高,吨铁渣量减少,喷煤增加。 一般品位增加1 ,入炉焦比可以降低1.5 ,产量提高 2.5 ,吨铁渣量减少30 kg ,喷煤增加15 kg/ t。 2高炉喷煤技术,该技术是钢铁工业发展三 大技术路线之一。焦化工序能耗是142 kg/ t ,喷吹 1 t煤可以减少0. 8 t的焦,还可以减少炼焦消耗的 100 kg/ t ;另外煤的价格是焦的价格一半左右,煤代 焦又可给企业带来很大的经济效益。 1. 2. 2 炼钢工序 1连铸坯的热送、 热装和直接轧制可以节能 35 ; 2短流程的电炉工艺。由于没有烧结、 球团、 焦化和高炉生产工序,电炉2005年的工序能耗 201. 02 kg/ t的工序能耗比同期转炉工序能耗烧 结64. 83 kg/ t ,焦化142. 21 kg/ t ,炼铁456. 79 kg/ t ,转炉36. 34 kg/ t700. 17 kg/ t低500 kg/ t ,所 以在废钢资源充足的情况下,发展短流程的电炉炼 钢可以大大节约能源。 1. 3 技术的功能 1. 3. 1 炼铁工序 炼铁工序能耗占转炉炼钢总流程的88 左右, 而在该工序中,单独高炉炼铁占转炉钢总流程的 58 ,所以就技术的角度而言,钢铁冶金节能应该重 点放在炼铁工序,特别是高炉工序,目前主要发展的 技术有 1精料技术。该技术的核心可以用 “高、 稳、 熟、 均、 小、 少、 好” 七个字来描述。 高 入炉矿含铁品位高;原燃料强度高;烧结 矿碱度高; 稳 原燃料物理性能和化学性能稳定; 熟 多用熟料; 均 粒度均匀; 小 粒度偏小; 少 含有害杂质少; 好 冶金性能好。 2提高热风温度。一般而言,热风温度每提 高100℃,可使焦比降低35 kg/ t。我国目前热风温 度比国际先进水平低100～150℃。 3干法熄焦CDQ技术。可回收焦化工序 35 左右的能量,约68 kg/ t。 4高炉炉顶压差发电TRT技术。高炉鼓风 能耗占炼铁工序能耗的10 ～15 ,采用TRT ,可 回收高炉鼓风动能的30 ,吨铁发电量约30 kWh。若再采用干法除尘技术,可提高发电能力 30 左右;而煤气温度提高,发电透平机出力可提高 3 左右,综合起来,TRT加干法除尘最高吨铁发电 量可达54 kWh。 1. 3. 2 炼钢工序 1转炉负能炼钢技术。转炉炼钢时,如果转 炉煤气中φCO 30 ,φ O 2 2 ,即可进行转 炉煤气回收。当转炉煤气回收大于100 m3/ t ,蒸汽 回收大于60 kg/ t ,并使回收的转炉煤气和蒸汽得到 充分的利用,就可以实现负能炼钢,相当于至少节能 36. 34 kg/ t。 2铁水预处理技术。该技术的特点在于 1 解放高炉生产能力。高炉工序可以几乎不 考虑产品的硫、 磷含量,高炉的脱硫、 磷负担减轻,可 降低炉渣碱度,减少渣量,减少碱金属危害,有利于 冶炼低硅铁,节约能耗; 2 铁水的硫含量可以降低到超低量,有利于转 炉冶炼优质钢和合金钢; 3 保证炼钢吃精料,降低转炉炼钢成本。 1. 3. 3 轧钢工序 公认的节能技术是蓄热式燃烧技术,该技术的 优势在于可以用低热值、 低价的高炉煤气代替焦炉 煤气或重油。但在没有高炉煤气的企业,这项技术 的优势备受争议,争论的焦点是在实施这种技术时 多增加的鼓风机和引风机运行时消耗的电能和该系 统的维护费用与节约的能量相差不多。 总而言之,目前正在推广实行的技术可以使中 国冶金过程能耗达到或接近国际先进水平。 2 低温余热回收节能计算 根据文献提供的数据,笔者提出两个原则[3] 原则1 废气2蒸汽2电原则10000 m3的300～ 400℃ 的低温烟气经过余热锅炉,可以产生1 t的过 热蒸汽,发电200 kWh。 原则2 电2标煤原则1 kWh电相等于0. 39 kg标煤。 根据以上原则,分别计算钢铁冶金各个工序中 回收低温余热可以节约的能源折合成标煤。 2. 1 炼铁工序 2. 1. 1 烧结 烧结过程消耗的能量是60 kg/ t左右,但从表1 克虏伯公司烧结的热平衡计算可知[4],烧结矿冷气 机废气余热占了总热支出的32. 6 ,烧结矿的废气 余热1518 ,两项之和几乎占了全部烧结矿热量的 87 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期郭汉杰等钢铁冶金流程节能空间研究 表1 克虏伯公司烧结过程热平衡计算 Table 1 Heat balance of sinter process in ThyssenKrupp 热收入百分比/ 热支出百分比/ 焦粉燃烧热79.6烧结矿冷却机废气余热32. 6 燃气燃烧热8. 8烧结机废气余热15. 8 高炉灰燃烧热6. 8石灰石分解热12. 5 其他燃烧4. 8吸附水蒸发热12. 4 结晶水分解热6. 1 冷烧结矿余热5. 9 其他热损失14. 7 100合计100 50 ,如果把这两项的热量回收,至少可以回收20 kg/ t。目前中国冶金企业对烧结矿的余热回收几乎 没有全面展开,马钢刚刚投产的2300 m2的烧结 矿余热发电,给中国冶金企业开了个好头。 若该工序分别回收带式冷却机的低温废气余热 和烧结机废气的余热,计算回收回来的余热发电。 先说国际先进水平,日本企业在这方面是处于 领先地位的,下面分别举两个例子。 1冷却机余热回收。分开路流程和闭路流 程。 开路流程即余热锅炉废气约150～200℃排 入大气不再利用。该流程热能不能充分利用,且含 尘热废气的排放造成环境污染。该流程的特点是设 备简单,易于实施。 闭路流程即余热锅炉产生的废气返回作冷却机 的冷却介质循环使用。该流程热能可以充分利用, 且含尘热废气不直接排放。该流程在日本已经得到 普遍使用。图1是住友和歌山4号机冷却机废气余 热回收流程280 m2。回收废气温度是370℃,产 生蒸汽量为18 t/ h0. 784 MPa ,174. 5℃。而神户 制钢加古川280 m2鼓风环冷产汽量达到49. 8～ 72. 9 t/ h0. 842 MPa ,245℃ [4] 。 2烧结机烟气余热利用。该技术在国外开发 较晚,回收方法单一,均产生蒸汽。但就方法上也分 开路回收和闭路回收两种[5]。 日本新日铁大分厂2号600 m2烧结机回收了 25～30号风箱的余热,烟气的平均温度336℃,烟 气量5558 m3/ min ,可以产生0. 98 MPa、213℃ 蒸汽 27～33 t/ h ,折合单位烧结矿回收蒸汽43 kg。 中国钢铁业烧结机余热回收方面比较先进的是 马鞍山钢铁公司,以下是笔者采集到的马钢的数 据[3] 2台300 m2烧结机,1号机,利用系数1. 36 ,二 号机利用系数1. 30 ,每天生产烧结矿20000 t ,利用 1 烧结机; 2 冷却机; 3 锅炉; 4 循环风机代排气 机 ; 5 脱气器; 6 汽鼓; 7 除尘器 图1 住友和歌山4号机冷却机废气余热回收流程 Fig. 1 Recovery of exhaust heat in No. 4 cooler, Wakay2 ama , Sumitomo Corporate 带式冷却机产生的300～400℃ 的废气,经过余热锅 炉产过热蒸汽76 t/ h。按照蒸汽发电原则计算 76 t/ h24 h/ 20000 t 0. 0912 每吨蒸汽发200 kWh的电,0. 0912200 18. 24 kWh/ t 若烧结矿的品位按57 计算,折合成每生产1 t钢所发的电为 18. 24/ 0. 57 32 kWh/ t 按照电2标煤原则1 kWh电相等于0. 39 kg 标煤,相当于吨钢回收的标煤 320. 39 12. 48 kg/ t。 2. 1. 2 高炉炼铁 以笔者从承德钢铁公司采集到的6座高炉数据 为例,对高炉热风炉烟道产生低温废气的能量进行 计算,表2是其基本数据。 表2 承德钢铁公司6座高炉基本数据 Table 2 Basic operation parameters of six blast furnaces in Chengde Iron and Steel Corporation 炉容/ m3 烟道温度/ ℃ 烟气量/ m 3 h- 1 单位炉容 烟气量/ m 3 m- 3 利用系数/ t m- 3 d- 1 吨铁烟气 量/ m3 290150～420467741613.11248 300150～420564511883.51287 380150～444645161703.21278 450150～340725801613.01288 1260150～3501612901282.21397 2500150～3502750001102.01325 平均2741304 97 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 钢 铁第42卷 根据废气2蒸汽2电原则及电2标煤原则,假设平 均废气温度为300℃,则1304 m3的废气可以发电 1304/ 10000200 26 kWh 则相当于260. 39 10 kg/ t。 炼铁工序两项合计为12. 48 10 22. 48 kg/ t 2. 2 转炉工序 转炉工序目前推广的新技术有,强化铁水预处 理、 提高钢水炉外精炼比,提高废钢回收量和利用 率,推广溅渣护炉技术,提高炉衬寿命,提高金属收 得率,开发钢渣显热回收技术,提高制氧机控制水 平,减少放散率。到2010年,全国大中型钢铁联合 企业转炉工序能耗每吨钢要降到15 kg标准煤, 2020年,争取实现转炉工序负能炼钢。 但转炉炼钢目前存在的问题有二,先从设备的 结构说起。 1转炉烟气首先经过汽化冷却,一般吨钢产 生蒸汽60 kg。 而这一部分蒸汽,在大多数情况下是发散的,不 仅浪费了蒸汽能源,而且浪费了水源,在蒸汽发散的 同时,由于噪音大,还对环境产生噪音污染。这部分 蒸汽是饱和蒸汽,目前已经解决了饱和蒸汽发电的 技术,一般每7～8 kg的饱和蒸汽可发电1 kWh , 则吨钢产生的蒸汽所发的电折合成标煤 60/ 80. 39 2. 9 kg/ t 2经过汽化冷却烟道后的烟气温度为800～ 1000℃,进入蒸发冷却器,目前这部分的余热还没 有利用。如果利用的话,可以计算如下,以30 t转 炉为例 一般30 t转炉平均炉气量为10800 m3/ h ,折合 每吨钢120 m3,按照废气2蒸汽2电原则,10000 m3 的300～400℃ 的低温烟气经过余热锅炉,可以产生 1 t的过热蒸汽,发电200 kWh。由于废气温度达 到800～1000℃,计算时乘以3的系数[3],则此高 温转炉废气可发电 120/ 100003200 7. 2 kWh/ t 相当于标煤7. 20. 39 2. 81 kg/ t 转炉余热回收两项合计为2. 9 2. 81 5. 71 kg/ t 2. 3 加热炉工序 加热炉工序目前没有利用的余热有两部分,一 是那些没有经过蓄热式改造,只在废气烟道加换热 器,此时废气温度还有400～500℃;二是加热炉轨 道采用汽化冷却后产生的蒸汽。下面分别进行计 算 1一般而言,对于国内普遍的100 t/ h的加热 炉,若烧焦炉煤气,烟气量一般为37500 m3,折合到 吨钢为375 m3,这些废气折合成标煤为 375/ 100002000. 39 2. 925 kg/ t 2加热炉轨道汽化冷却产生的蒸汽,一般而 言,对于国内普遍的100 t/ h的加热炉,汽化冷却产 生的蒸汽量为5 t左右,平均吨钢0. 05 t ,若按照饱 和蒸汽8 kg发1 kWh电,折合成标煤 50/ 80. 39 2. 43 kg/ t 以上两项合计2. 925 2. 43 5. 36 kg/ t 综合以上各项,可以得到,如果把各个工序的低 温余热节约的能量加起来,吨钢可以降低标煤的总 数量为22. 48 5. 71 5. 36 33. 55 kg/ t。 3 冶金流程新技术带来的能耗降低的 计算 如果同时采用干熄焦技术、TRT技术、 高炉喷 煤技术、 球团技术、 转炉负能炼钢技术、 连铸坯的热 送、 热装和直接轧制这6项新技术,冶金流程吨钢标 煤能耗如下。 1干熄焦技术可回收焦化工序35 左右的 能量,约68 kg/ t。若国内钢铁企业冶炼吨铁的焦炭 消耗是300 kg ,使用干熄焦技术,对生产1 t钢降低 的标煤为 680. 300 20. 4 kg/ t 2 TRT技术。该技术的使用可回收高炉鼓 风动能的30 ,采用TRT技术发电,生产吨铁发电 量约30 kWh/ t。若TRT加干法除尘最高吨铁发 电量可达54 kWh ,根据原则2 ,折合吨钢能耗标 煤降低相等于 540. 39 21. 06 kg/ t 3高炉喷煤技术。因为焦化工序能耗是142 kg/ t ,喷吹1 t煤可以减少高炉炼铁使用0. 8 t的 焦,还可以减少炼焦工序消耗的标煤100 kg/ t ;如果 按照中国钢铁业一般的喷煤量180 kg/ t计算,由喷 煤而产生的吨钢标煤的减少量为 0. 1800. 8100 14. 4 kg/ t 4球团矿技术。球团的工序能耗是42 kg/ t , 而先进的烧结工序能耗60. 55 kg/ t ,这就是说,1 t 球团矿代替1 t烧结矿可以节约18 kg/ t左右;按照 球团的加入比例30 计算,不计球团比烧结矿的品 位高的差别,以球团矿的品位60 计算,1 t铁需要 1. 67 t的球团矿,对吨钢的标煤减少的贡献为 1830 1. 67 9. 02 kg/ t 08 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期郭汉杰等钢铁冶金流程节能空间研究 5转炉负能炼钢技术。当转炉煤气回收大于 100 m3/ t ,蒸汽回收大于60 kg/ t ,并使回收的转炉 煤气和蒸汽得到充分的利用,就可以实现负能炼钢, 相当于至少节能36. 34 kg/ t。 6连铸坯的热送、 热装和直接轧制技术。可 以节能35 ,以2005年国内重点企业轧钢的工序 能耗88. 82 kg/ t计算,若全部实现连铸坯的热送、 热装和直接轧制,可使吨钢消耗标煤降低 88. 8235 31. 09 kg/ t 如果国内钢铁企业同时采用以上6项技术,可 使吨钢标煤降低 31. 09 36. 34 9. 02 14. 4 21. 06 20. 4 132. 27 kg/ t 笔者还采用2005年中国钢铁协会公布的数据, 中国钢铁企业吨钢综合能耗将为 741. 05 - 132. 27 608. 78 kg/ t 下降的百分数为17. 8 如果考虑低温余热回收的能量,则中国钢铁企 业吨钢综合能耗将为 741. 05 - 132. 27 - 44 564. 78 kg/ t 下降的百分数为23. 78 。 4 结论 1同时采用干熄焦技术、TRT技术、 高炉喷 煤技术、 球团技术、 转炉负能炼钢技术、 连铸坯的热 送、 热装和直接轧制技术,我国的吨钢标煤能耗将下 降132. 27 kg/ t ,同比下降17. 8 。 2如果回收了烧结废气及冷却机的废气、 高 炉热风炉的废气余热、 转炉干式除尘后的烟尘余热 及其饱和蒸汽、 加热炉废气及其气化冷却的蒸汽,吨 钢能耗折合标煤将下降33. 55 kg/ t。 参考文献 [1] 杜 涛.中国钢铁工业能源环境负荷分析及减负对策[J ].中 国冶金, 2006 , 3 39241. DU Tao. Analysis of Energy En2 vironment Load and Reduce Load in China Steel Industry[J ]. China Metallurgy , 2006 , 3 392 41. [2] 张凤起.我国钢铁工业余热资源及利用状况[J ].钢铁, 1990 , 254 61264. ZHANG Feng2qi. 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