冶金工业节能技术

冶金工业节能技术上海应用技术学院环境与能源工程系苑安民 一 冶金工业能源状况 我国钢铁产量居世界首位 该行业也是我国的能耗大户 年耗能量1 3亿tce 约占全国总用能的10 左右 能耗过大不仅影响我国冶金工业的市场竟争力 而且还会加重对环境的污染 为把我国早日从产钢大国建成为钢铁强国 促进国民经济的可持续发展 节能降耗已成为冶金工业生产中必须常抓不懈的一件大事 自改革开放以来 我国冶金工业在管理和技术进步等方面作了大量的工作 取得了显著的节能效益 单位产品能耗有了明显的下降 吨钢综合能耗从1978年的2 54tce下降到现在的1 18tce 下降幅度达到50 以上 特别是 九五 以来 各企业对节能工作更加重视 能耗指标进步速度加快 年环比节能量均在400万tce以上 每年的节能直接经济效益在23 05一32 79 亿元之间 这大大缓解了能源价格上涨给钢铁生产成本造成的压力 自1997年以后 在钢产量继续增长的同时 行业总耗能量出现下降的势头 预示着我国冶金工业将逐步进人增产减能的新阶段 但是冶金工业的节能工作任重而道远 我国钢铁工业的能耗指标与国际先进水平仍有较大距离 欧洲钢铁联合企业的吨钢能耗大约为750kgce t 日本的吨钢能耗为656kgce t 不包括焦化 我国大型钢铁企业的平均吨钢可比能耗约为900kgce t 比日本吨钢能耗高出37 我国冶金工业的节能潜力还很大 任务也很艰巨 为了提高钢铁工业的经济效益 必须做好钢铁工业的节能技术改造和节能降耗工作 到2015年吨钢综合能耗应达到750 800kgce t 即目前的国际水平2015年与1998年相比 吨钢综合能耗降低540一490kgce t 即降低41 9 一38 0 年均降低31 8一28 8kgce t 年均节能率为2 44 2 24 按2015年产钢1 5亿t计算 年节约能源8100 7350万tce 以目前能源价格为550元 tce计 年节省能耗费用达450 400亿元 吨钢成本降低300一267元 吨钢节能值超过490kgce t时 全行业就将获得较高的利润 二 国外 日本 冶金能源节能技术发展与应用 从本世纪50年代初到1973年的20年间 日本的钢铁工业是高速增长时期 这个时期建设了一批大型钢铁厂 以世界最先进的技术和设备武装了钢铁工业 从根本上改变了日本钢铁工业的面貌 从而跻身干世界产钢大国的行列 在这期间 钢产量从50年代中期的1000万t的水平猛增到1973年的12000万t 日本的钢铁工业也就是在这个时期实现了设备的大型化 并开始着手工艺的连续化和管理的现代化 平炉改转炉也是在这个时期开始的 设备的大型化 带来了直接节能的显著的效果 比如高炉的燃料比 找不到其它有关能源消耗情况的资料 由1958年的720kg到1973年的500kg 此间由于大量使用廉价的重油 则更进一步使焦比降到450kg以下 然而由于这个时期能像价格低廉 并没有系统地提出能源的概念和节约能源的问题 实际上日本到60年代初才规范了热量计算单位 热平衡和热效率计算标准 因此 可以认为日本是在1973年第一次石油危机以后才开始提出并实施节能对策的 就是说日本钢铁工业节能起始于第一次石油危机 是在具备了一亿吨钢的生产能力之后和拥有大型的现代化技术装备的基础上开始的 节能第一阶段 或称起步阶段 不少资料都将1973年到1979年作为日本钢铁工业节能的第一阶段 这一阶段的中心是减少能源消耗 重点是改进操作 加强管理 比如强化设备的管理 保温 绝热及燃烧管理 注重设备的经济运行 政府鼓励节能 制定鼓励节能的政策 开展节能宣传和各类活动 各钢铁公司相举成立能源管理机构 制定节能目标 建立能源消耗指标体系 完善工艺连续化 大力发展连铸 迅速提高了连铸比 连铸比由1973年的21 5 提高至1979年的55 到1983年就已经提高到80 以上 开始建设小型余热余能回收利用设备 完善能源计量器具 开展节能定额管理 努力调整能源消耗结构 因为第一次石油危机在主要的石油消费国引起了对过分依赖石油的不安全感 日本各钢铁公司从确保生产的角度出发 尽量减少对石油的依赖 到1979年 钢铁工业的能源构成中煤占到64 7 石油减少到14 2 外购电力占21 1 1979年 日本产钢11175万t 能耗总量8169 4万t标准煤 吨钢能耗731kg标准煤 6年下降57kg标准煤 这一阶段累计节能率约为7 23 其中管理节能占55 工艺连续化占20 回收余热余能占25 第二阶段日本钢铁工业节能的第二阶段是1979年至1987年或更晚一些时候 1979年第二次石油危机之后 石油价格大大高于煤 日本节能的重点是 脱石油 在这一阶段 1982年 日本实现了高炉无油操作 加速了高炉喷煤的进度 与此同时大规模投资建设节能效果大的节能设备 如 TRT CDQ 连铸机 烧结矿余热回收 余热锅炉等 进展很快 见表1 这些装置的建设 大大提高了日本钢铁工业余热资源回收利用水平 二次能源回收利用率由1980年的28 提高到1987年的33 吨钢回收余热资源达60OMCa1 约占吨钢投入热能的15 这一时期除在工艺上大力发展连铸 直接轧制 连续退火等直接节能的重大技术外 日本钢铁企业自1979年以后开始重视自备电站的建设 自发电的比例在能源消耗构成中由1980年23 上升到1987年的40 左右 相应地 外购电的比例由1980年的31 降到20 以下 目前已降至13 1987年 日本产钢9850万t 能源消耗总量6886 7万t标准煤 吨钢能耗699kg标准煤 有资料称修正后为595kg标准煤 这样 1979年至1987年日本钢铁工业吨钢能耗8年间下降104kg标准煤 这一时期的节能效果中 工艺连续化占30 余热余能设备的效果占57 管理节能占13 这一阶段 日本政府制定了不少鼓励节能的经济政策 低利贷款 1981年日本开发银行规定 对企业的节能设备贷款 贷款额度在310亿日元以内时年利率为7 8 一般贷款年利率为10 减税 减少节能设备投产后上交的税金 日本地方税中还规定 扩建的节能设备投产后的三年内 固定资产税可减少三分之一 自1981年起 对节能设备实行特别折旧 第一年折旧30 1986年至1987年推行 能源基础高级化投资税收制度 1988年至1989年推行 强化经济社会能源基础的促进投资税收制度 1990年推行 能源环境税收制度 可减税的设备有 1 能源利用率高的设备 2 能源消费结构好的设备 3 能源供给系统优良的设备 4 中小企业能源利用率高的设备 5 二氧化碳发生量少的设备 连铸设备 连续退火设备均在减税之列 第三个阶段 能源消费经济阶段与可持续发展 20世纪最后两个年代 全世界普遍关注环境保护和节能 于是 终于提出了可持续发展的理论并且很快地得到了各国政府的认同 日本政府继续了对节能的扶持与鼓励 并且积极推进可持续发展战略的研究 日本1992年起开始实施新日光计划 这实际上是对过去提出的日光计划 月光计划和地球再生计划的综合和发展 即长期能源环保技术开发计划 着重解决清洁能源问题 这与全球可持续发展战略的思路是相通的 1987年以后 日本的钢铁工业进行了由节能管理向降低能源成本的思想转换 节能的目的 由以往降低能源的单位耗量转向以提高效益为宗旨的降低能源成本 继续完善工艺过程的连续化和建设能源管理中心 为降低成本 继续加强了自备电站的建设 减少外购电 以减少外购电力的费用 进一步完善了企业的节能管理体制 在这个转变中 能源管理中心的技术装备水平和功能起着相当的作用 日本人认为能源中心的作用有如下三点 稳定供应能源 优化用能结构并实现节能 与生产相协调 由于贯彻了能源消费经济思想 加大了节能力度 最大限度地减少了烧油 努力建设自备电厂 日本钢铁工业在继续保持世界领先水平的同时 大大降低了能源成本在钢材成本中所占的比例 典型的钢铁联合企业能源成本在钢材成本中所占的比例由1986年的21 降到1994年的14 这个比例最高时是1975年为36 日本典型的钢铁联合企业能源成本在钢材成本构成中所占比例的变化见表2 表2日本典型的钢铁联合企业能源成本在钢材成本中所占比例的变化年度19731975197919811985198719901994比例 2136243024171614表1日本钢铁工业备设大型节能设备的进度生产设备节能装备1975年1980年1984年1987年普及程度焦炉干熄焦装置012243150 烧结机烧结矿显热011282950 余热回收装置高炉TRT127343390 我国的差距与原因用重点钢铁企业的吨钢可比能耗与国外对比 能基本反映与发达国家水平的差距 目前 我国重点钢铁生产企业与日本吨钢能耗的差距约320kg标准煤 造成这些差距的原因主要是如下几个方面 1 铁钢比高 1995年我国钢铁工业铁钢比为1 094 重点钢铁企业为0 901 日本1994年铁钢比为0 751 我们高0 15 按吨铁耗能750kg标准煤计 影响吨钢能耗112 5kg标准煤 2 连铸比低 1995年 我国钢铁工业连铸比为47 1994年日本的连铸比为96 9 二者相差51 3 按每生产1t连铸坯节能70kg标准煤计 影响吨钢能耗约36kg标准煤 3 原燃料质量差 日本资源区乏 能源及原材料全部依赖进口 质量较高 铁矿石品位高 吨铁耗矿1 64t 焦炭灰分11 5 左右 含S在0 38 至0 55 之间 我国重点钢铁企业吨铁耗矿石消耗为1 775t 焦炭灰分为13 41 含S约为0 66 强度也较低 影响高炉燃料比15 以上 造成吨钢能耗差距约70kg标准煤 4 大型节能设备普及率低 余热资源回收利用水平低 日本钢铁工业余热回收利用水平高 大约吨钢回收80kg标准煤 我国约为25kg标准煤 此项影响吨钢能耗55kg标准煤 5 电能转换系数的影响 日本发电能耗为350g标准煤 我国规定电的折标系数为0 404 kg标准煤 kW h 重点钢铁企业1995年外购电304亿kWh 由此影响吨钢能耗27kg标准煤 除上述各点外 还有我国主要生产设备单体能力小 装备落后 煤气放散率高 动力设备陈旧 缺乏现代化管理等 三 我国先进冶金企业的节能技术 主要以宝钢所作的工作为例 1 能源产 供与管一体化管理体制能源生产与能源管理全部由能源部代表公司负责 它是发挥能源的综合效益 规模效益 整体效益十分关键的一种运作方式 同时 可大大提高能源系统抵御各种灾害性影响的能力 有利于提高能源管理的合理性 科学性和实效性以及提高能源管理的精度和效率 具体作用 能源中心对在线的能源生产 调整和调度 确保公司主线生产用能的持续 稳定和合理 对能源运行优化管理 消除 减少能源放散损失 统一对公司能源发展规划 用能计划 节能考核及具体节能措施进行管理 2 引进 消化 改造 在能源生产 供应与管理的作用主要体现在三个方面 1 大幅度提高能源系统的劳动生产率 劳动生产率可以提高8一10倍 2 节能和环保效益贡献突出 能源中心可以对全部能源介质进行集中监控 减少能源介质的放散 确保各系统的经济合理运行 3 能源系统的运行和监控实现图形化 直观化和定量化 能对能源系统的异常和事故做出及时和准确处理 提高能源系统的安全性 3 开展冶金企业能源管理研究宝钢重视能源管理的研究 通过管理方式的研究 改进 推动节能工作为企业经营目标 经济效益服务 1 随着公司计算机网络的日益完善 能源数据已发展到目前的利用公司主干网进行传送 大大提高工作效率 2 研究 开发宝钢能耗分析评价与预测系统以及能源成本评价系统 建立宝钢能耗指标 能源成本数据库 完成能耗指标 成本指标的跟踪管理 引入计划信息 进行能耗指标的预测 为能源管理工作提供依据 3 开展产品能耗 成本研究 最终解决企业产品结构给能耗带来的影响 正确对企业的能耗水平作出评价 4 依托现代管理理念 利用计算机技术 研究 开发计算机管理软件 4 开展转炉极限能耗研究宝钢在顺利实现 负能炼钢 技术 开展转炉工序能耗极限值的研究 着重对转炉煤气回收工作 以研究原料条件 操作控制因素 供氧强度等对转炉煤气回收量的影响 并在统计回归和理论计算的基础上 研究目前生产条件下转炉煤气的回收极限 以及造成转炉煤气实际回收率与极限回收率差异的因素 并指出提高转炉煤气回收的具体措施 5 节水工作2001年宝钢工业用水重复利用率达到96 86 吨钢耗新水5 68t 比设计少用新水4800万r 主要工作有 1 建立健全全厂的生产用水的管理网络和用水计量网络 2 做好新建 改建项目的节水设计和规划 3 建立水质管理和检测网络 提高水质合格率和水循环率 4 改造不合理用水点 提高水重复利用率 5 做好废水综合利用 减少新水的取用量 6 研究应用先进的节水技术和设备 6 节油工作宝钢在利用科技进步 调整能源结构 合理调度 使用自产煤气等方面做了大量工作 使节油工作取得可喜的成绩 年用油量从1990 1991年超过21万 降至2001年的0 6万 主要做好以下几方面的工作 1 将高炉喷油改为喷煤工艺 2 建立能源中心 提高副产煤气的回收利用水平 减少热轧加热炉和蒸汽锅炉的重油使用量 3 提高余热蒸汽回收量 降低低压锅炉重油使用量 4 适当提高电厂煤气用量 减少重油使用量 7 减少能源介质系统放散损失1 燃气系统零放散合理利用钢铁生产过程中产生的副产煤气是降低吨钢能源消耗的重要途径 宝钢的燃气系统在一段时期也存在放散率高 回收率低的问题 特别是高炉煤气 最高时1995年达到16 转炉煤气回收率初期也不高 通过建造专烧高炉煤气的燃气轮机和施行燃气系统优化运行措施 2001年宝钢高炉煤气放散率基本为零 转炉煤气回收率达到105 5m3 t 采取的主要措施有 1 纯低热值煤气 高炉煤气 在燃气轮机上的运用 2 合成高炉煤气 转炉煤气技术 3 高炉煤气柜 焦炉煤气柜运行控制技术 4 转炉煤气回收以及转炉煤气柜位控制和运用技术 5 不同配比的混合煤气在用户使用中的经济效益研究 2 减少氧气放损率制氧系统由于单机生产能力大 使系统调整能力相对减弱 氧气放散率曾居高不下 为此组织力量进行攻关 从生产 使用 调整和管理多方面入手 几年来氧气放损率逐步下降 降低氧气放散率的主要措施 1 研究制氧机生产负荷的调整能力 充分利用空分的生产能力进行调整 2 增加气体的液化能力和外销量 既降低氧气放散量 又可创造效益 3 开展富氧燃烧技术研究 发展用氧用户 增加氧气使用量 如开发热风炉富氧燃烧技术 4 充分发挥能源中心调度作用 实现氧气系统在线调整 8 余能余热资源的利用我国钢铁企业余能余热资源的回收率低也是影响吨钢综合能耗高的一个主要因素 日本钢铁工业余能余热回收水平较高 吨钢大约回收80kg 我国约为25kg 宝钢在余能余热资源回收水平从投产后逐年提高 2001年余能余热资源回收总量达到110万t标煤 经济效益6 8亿元 吨钢回收率为95 6kg 9 系统节能技术系统节能工作应是研究的重点工作 如改善生产 能源结构 热工过程优化 采用节能工艺等 提高整体能源利用水平 节能技术的应用1 高炉喷煤技术宝钢于1992年开始采用高炉喷煤技术 通过设备改造和科研攻关 高炉喷煤的各项技术指标不断被创新 2000年三座高炉平均煤比达到202 9kg t 1999年9月 1号高炉月均煤比达260 6kg t 成功地进行了大高炉煤比250kg t以上的探索 2 高炉热风炉使用转炉煤气替代焦炉煤气技术该技术的采用 彻底替代了焦炉煤气 每天可节约焦炉煤气22 24万m3 并保证了热风炉1450t的拱顶温度 3 努力提高铁钢比 连铸比 改善生产结构经过几年的努力 铁钢比由1988年 一期规模 的0 9157降至2001年0 8911 电炉钢比也从零上升至8 350 连铸比从一期的零 二期 1994年 的62 9 上升至2001年的84 9 4 热扎连铸坯热送热装技术宝钢2050热轧工程投产后 成功开发了连铸坯热送热装技术 连铸坯热送热装技术水平明显提高 平均热装比达到61 24 热装温度585 4 直接热装板坯温度达到750 以上 1580热轧工程也顺利实现热送热装工作 研究 开展与实施的其他节能技术 1 2号烧结机点火炉改造 2 烧结机厚料层烧结