钢铁行业节能方向和途径幻灯片

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1、钢铁工业/企业的节能方向和途径,对钢铁材料在性能上评价（总分100）,一、钢铁材料的特点,各种材料的回收利用率（%）,铁的循环,问题（中国）： （1） “电炉热” （2） 废钢质量,预测： 钢产量相对稳定后，废钢将逐渐充足，电炉钢比上升,钢铁材料对国民经济的重要性,钢铁是经济发展、社会进步和国家安全最重要的基础材料之一；是国民经济最重要的基础产业之一。是实现新型工业化的必选材料。,2002年我国目前人均钢产量141kg/人年，首次超过世界平均水平(138kg/人年). 但发达国家人均钢产量5001000kg。,过去100年美国的工业化建设总共用了7080亿吨。 再说远点，人类发展经历了石器时代

2、、青铜器时代和铁器时代，铁器的出现是人类现代文明的先驱。 回顾18世纪产业革命，钢铁材料的生产能力是世界各国实现工业化绝对必要的先决条件，是重工业、制造业、农业和社会基础设施建设的重要原材料。世界经济界、科学界一致认为，没有钢铁就没有工业化。在后工业化社会，钢铁材料依然占全部金属材料的90%以上。,二、钢铁工业节能潜力巨大,中国粗钢产量从1996年突破1亿吨开始，已连续十多年稳居世界第一，2008年粗钢产量达到了5亿吨，占世界粗钢产量的38.33；2009年粗钢产量达到5.72亿吨；2012年粗钢产量达到7.17亿吨；2013年上半年累计生产粗钢3.9亿吨。,二、钢铁工业节能潜力巨大,1、冶金

3、企业节能减排取得成效，但潜力依然巨大 1990年到2000年11年间，中国钢产量翻了近一番，钢铁工业总能耗只增加了31；第九、十两个五年计划下降了20以上，国内一些先进的大型钢铁联合企业已达到或接近世界先进水平。 目前，我国钢铁企业吨钢综合能耗与国外先进水平相比，差距在10%以上。 日本钢铁产品中能源成本仅占14%，而中国钢铁产品成本中能源的费用已达30%以上。,2、大中型企业吨钢可比能耗（指标分解）与国外的差距,二、钢铁工业节能潜力巨大,钢铁工业是能源消耗的大户，约占我国总能耗的15%，工业能耗的23%，但只生产了全国14%的GDP；全国万元产值能耗为1.16t标煤，冶金全行业则消耗5.8t

4、标煤 钢铁工业也是高污染工业，我国按行业污染排放量计，占工业污染负荷的10%左右，位居34位。（化工、电力、有色、钢铁）,二、钢铁工业节能潜力巨大,环境资源问题所面临的国际压力，钢铁工业作为高耗能行业，必将是国家重点调整的行业。 怎么调整？ 节能、环保、安全三手段 钢铁企业规范条件 节能是必然选择,21世纪，中国钢铁工业有市场需求，但是： 能不能生产，能不能发展，不仅仅决定于有无需求，有无利润，而在于社会让不让你生产！ 关键是生产产不产生污染？污染治理后是否还对社会和人民生活带来有害影响？ 不与社会相容，钢厂就要关门。公共财政对钢铁的支持将会集中于对社会协调发展的适应。（如首钢）,与社会协调发

5、展钢铁工业的生存许可证,“当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，其可用能（质量）只能降低，不能提高”,热力学第一定律能量守恒定律（无条件）,“当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，总量保持不变”,说明能量在转换时数量上是守恒的,热力学第二定律能量转换定律（有条件）,说明了能量在转换时在质量上是贬值的 能量转换具有的方向性或不可逆性,问题：没有区分不同形式的能量在质量上的差别,（1）关于热力学定律,三、节能原理,（2）能量的分类,第一类可以不受限制地完全转换的能量。 例：电能、机械能、位能(水力)、动能(风力)等功量(以作功方式传递的能量) 高级能，完全有序运动的能量，其数量与质

6、量是统一的。,根据能量转换难易程度，能量可划分为三类：,第二类具有部分转换能力的能量 例：热能、物质内能、焓等热量（以传热方式传递的能量） 中级能，无序的能量可以部分地转变为有序运动的能量。 “热能不可能连续地全部转变为机械能，机械能却可全部转变为热能”。 数量和质量是不统一的。,第三类完全没有转换能力的能量 例：处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的内能和焓，虽然它们具有相当数量的能量，在技术上却无法转变为功。 低级能，是只有数量而无质量的无序能量。,（3）能量中的“ ”与“ ”,（Exergy）环境条件下能够完全地连续地转化为任何一种其它形式的能量，即可用能、可用功。,（Anergy）

7、不能够转变为有用功的那部分能量， 即无效能、无用功。,例如：机械能、电能全是 ， 0；,自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为 ， 0。,节能的本质是减少 损失，节能就是节,任何能量E都由 Ex和 An两部分组成，即： E= Ex+ An,长期以来，我们注重热力学第一定律，注重能量守恒，注重能源平衡。还未充分注意热力学第二定律：注重能量传递的质量。注重能量传递是一个耗散过程、不可逆过程，不是一个简单的能源平衡问题。现实告诉我们要注重能源转化及传递质量，即“火用”效率，在这里质量就是数量。只有注重“火用”的价值利用，才能在工艺过程中实现价值最大化，在能量高效转化中实现节能减排。 长期以来，

8、在能源转化传递中，只注重需求的数量满足及保证，余热余能回收只注重数量回收，忽视了回收能源的质量及能源使用的分配偶合及利用价值，造成能源的损失耗散，因而出现回收能效低、使用能源效率低。 长期以来，我们广泛使用蒸汽做能源载体，传递能源质量差、效率低，并产生大量含酚含氰等废水，污染环境，治理成本高 。,对能源转换设备或过程而言：,热效率指标和单位能耗指标是一致的,对用能设备或生产过程而言：,热效率指标和单位能耗指标是不一致的,b ； b ,b ； b ,热效率高（温差大，钢坯得到的热量份额大） 单位能耗大（温差大，传热 损失大）,冷装料连续加热炉,热装料连续加热炉,热效率低（温差小，钢坯得到的热量份

9、额少） 单位能耗低（温差小，传热 损失少）,例1,三种供暖方式热效率差不多，但火用效率相差很大,供暖煤耗：,小煤炉供暖： 200kg/m2以上,蒸汽锅炉供暖：100kg/m2,热水锅炉供暖：50kg/m2,小煤炉供暖传热温差约800，火用效率很低,蒸汽锅炉供暖传热温差约100 ，火用效率偏高,热水锅炉供暖传热温差约50 ，火用效率较高,煤炉采暖,热水供暖,蒸汽供暖,不同供暖方式的能耗比较,房间,22oC,800oC,火炉,4、燃烧过程火用损失,例题：进入锅炉的气体燃料由H2、CH4、N2和NH3组成，设燃料各组分i的 摩尔热容随温度的变化关系可用,表示。各组分的ai、bi和摩尔分数xi列于下表

10、。,燃气各组分的摩尔热容随温度的变化关系可用,表示。燃气的组分、各组分的摩尔分数,ai、bi、ci、xi列于下表：,空气15,气体燃料200,燃气绝热燃烧温度T=1959K,空气流量为360N.m3/h，燃料流量为100N.m3/h，燃气流量为428N.m3/h,气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表,气体燃料的化学火用,混合气体的比热,气体燃料的物理火用,气体燃料的摩尔火用,气体燃料的总火用,燃气各组分的标准化学火用和温度修正系数见下表,燃气在T0下的摩尔化学火用,混合气体的比热,燃气在绝热燃烧温度下的物理火用,燃气在绝热燃烧温度下的摩尔火用,燃气总火用值,钢铁制造流程由不同性质的

11、过程、不同功能的工序和装置组成，“过程”、“工序”、“装置”之间的连结与作用是非线性的。,从运行过程上看，是一个开放的、远离平衡的、不可逆的复杂过程系统。,从生产工艺上看，是铁煤化工过程，即物质流和能量流的流动以及两者“协同”作用的过程。,3.4 钢铁制造流程的物理本质,物质流,Fe素流是物质流的主要形式，它伴O2而行，是被加工的主体。,能量流,C素流是能量流的主要形式，它伴Fe、伴O2而行，为物质流 的转变提供还原剂和能量。,C素流的变化过程,物质流和能量流的协同作用,4 钢铁企业节能方向和途径 4.2 节能途径,(1)生产流程的优化,通过工艺结构优化使生产流程连续、紧凑和高效化，是节能和改

12、善环境的重要环节。,钢铁工业是典型的流程制造业，其特点是：,流程串联作业,上工序的输出（产品）是下工序的输入（原料）,钢铁厂制造（生产）流程是钢铁企业整体结构优化的核 心，它既影响金属生产过程，也影响排放过程。,工序集成制造,(3) 余热余能的回收利用,钢铁生产以消耗热能为主，所以余能中绝大部分是以热能的形式存在，如:排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、冷却水带走的显热。,判断是否真是余热，决定于后续工艺流程能否继续使用，只有后续工序无法利用的才算为余热。如, 钢坯的显然最好直接输入下道工序（热衔接），作为100的可用能，没有 损失；如果用热交换的方式（钢坯余热锅炉）回收钢坯显热，将造成

13、 贬值。,其次，调查装置本身是否还有节能潜力，降低设备的单位能耗，可减少余热余能的生成量，它比通过余热回收装置回收能量更为经济、有效。炉窑要尽量减少用能过程的 损失，不应把希望寄托在“回收”已经发生的损失上去。已经发生的不可逆损失是绝不可能再回收的！,4.2 节能途径,根据余热资源的数量、品质和企业需求，尽量生产能质高、 值大的物质或能量（余热的能质要升值）。,原则顺序：根据供需情况按质用能、温度对口、热尽其用,生产再生资源,直接热回收,预热空气、煤气(蓄热室技术)、 干燥物料方便、经济,动力回收,燃气蒸汽联合循环发电,H2, CO, 甲醇、CO2,(3) 余热余能的回收利用,4.2 节能途径

14、,(7)推广蓄热式燃烧技术,4.2 节能途径,高温蓄热燃烧技术（HTAC），是上世纪90年代以来国际燃烧领域开发并推广应用的新型燃烧技术。 它突破了几百年来人们对燃烧的传统认识，通过蓄热室极限回收烟气余热并高效预热助燃空气，实现了超高温（1000）和超低氧气浓度（2-5%）条件下的燃烧。 因此，具有大幅度节能和大幅度降低烟气中NOX排放（30-55ppm）的双重优越性。 蓄热燃烧技术给人们的启示： 最早的蓄热式换热器 干熄焦 蓄热式加热炉 高温热风炉- 蓄热式加热炉存在的问题： 供热制度、压力制度、温度制度，炉子结构等,早在1959年，日本的八幡制铁所率先建成了世界第一座能源管理中心。本世纪初

15、日本的住友金属、和歌山制铁所，西德的蒂森冶金厂，韩国的浦项钢铁厂等建立了相当高水平的能源中心。这些钢铁厂的能源中心，不仅是能源信息的在线采集和潮流监测中心，而且也是合理使用能源的决策、调度和控制的指挥中心。,我国EMC建设以20世纪70年代末宝钢一期工程从日本引进了能源中心开始，其他钢铁厂如济钢、湘钢等均建立了相应的能源管理系统。,宝钢能源中心以全厂公用能源管网为对象,直接调度和集中监控全厂各种能源介质的供应和分配 。,4.2 节能途径,(8) 能源中心的建设,从钢铁企业的社会、经济定位来看，未来钢铁厂生产流程应该有三种功能： 钢铁产品制造功能； 能源转换功能； 社会废弃物处理消纳功能。,社会

16、废弃物处理功能,冶金材料制造功能,能源转换 功能,市场竞争力,可持续发展,资源、能源可供性,钢铁制造流程,冶金材料生产功能： 新一代生产流程的构建 新一代钢厂模式的确立 新一代钢铁材料的开发,能源转换功能： 生产清洁能源，如低硫煤气、富氢煤气、富CO煤气用于发电或作为化工原料；甚至探索转化为氢气。为社会提供热水和蒸汽等。,高炉长流程的物质流和能量流(日本新日铁),处理部分大宗社会废弃物： 处理社会废钢、废塑料、废轮胎和焚烧垃圾，为社区集中处理废水等。,以高炉-转炉流程为例，每吨钢将： 消费： 0.70.8吨标煤、1.65吨铁矿石、510吨新水 排放： 2吨左右的气体（CO、CO2、SO2、NOx等） 处理： 150250kg/t废钢，1040kg/t废塑料,