钢厂中低温余热利用节能火用分析

国内图书分类号：ＴＦ０９学校代码：ｔ００７９国际图书分类号：６２１．１密级：公开

专业硕士学位论文

钢厂中低温余热利用节能火用分析

硕士研究生：郑清

导寸ｙ…：师：张明智副教授

申请学位：工学硕士

专业领域：动力工程

所在学院：能源动力与机械工程学院

答辩日期：２０１２年３月授予学位单位：华北电力大学

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ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＩｎｄｅｘ：ＴＦ０９

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ＴｈｅｓｉｓｆｏｒｔｈｅＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅ

ＥｘｅｒｇｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏｗ －ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＷａｓｔｅＨｅａｔ

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Ｄｅｇｒｅｅ－－Ｃｏｎｆｅｒｒｉｎｇ －Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ：Ｍａｒｃｈ，２０１２ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

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华北电力大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：此处所提交的硕二仁学位论文《钢厂中低温余热利用节能火用分析》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：美ｐ；素同期：２．ｏ／年≥月ｆ日

华北电力大学硕士学位论文使用授权书

《钢厂中低温余热利用节６ＦＪ…ｔ，＇Ｌ‘“分析》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期Ｉ＇Ｎｊ在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。

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保密口，在年解密后适用本授权书

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作者签名：孙；毫Ｆ｜期：ｂ，），年弓月／Ｆ：ｔ导师虢２／扬１矿秀ｌⅢｈ僻

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捅要

摘要

能源是人类赖以生存和发展的基础和前提，钢铁作为基础材料在人类社会进步的过程中发挥了至关重要的作用。目前，世界范围内钢铁行业的发展都面临着产量和能耗之间的矛盾，我国情况尤为严重。我国每年的钢铁产量占世界钢铁产量的２６％，比世界第二、三、四大钢铁生产国的钢铁产量总和还多，但我国钢铁生产的技术水平不高，能耗巨大，面对高产量但高能耗的现状，我国钢铁产业进行节能降耗的工作具有重大意义。

我国钢铁产业的吨钢可比能耗远远高于Ｆ１本及欧美国家，与国际先进水平差距较大；国内钢铁企业的能耗情况也不尽相同，中小型钢铁企业的能耗水平远远高于大型企业，所以我国钢铁产业在节能降耗方面具有很大潜力。同时，我国钢铁企业的能源利用率很低，能源消耗成本占钢铁生产成本比例较高，对钢铁行业进行节能降耗工作还可以有效提高钢铁生产过程中的能源利用效率并大幅度提高钢铁企业经济效益。

本文阐述了我国钢铁企业的余热利用现状，对于干熄焦余热回收发电技术、烧结余热回收发电技术、纯燃高炉煤气与燃气一蒸汽联合循环发电技术、ＴＲＴ余压透平发电技术以及转炉蒸汽余热回收利用发电技术等主要余热余能回收措施和余热发电技术方案的工作原理、设备结构、生产流程、技术特点以及实际运行效果做出了分析和研究，讨论了钢铁生产过程中中、低温余热的产生环节和利用原则，对于利用中低温余热实现冷热电联产的具体措施进行了阐述，对余热发电系统的节能分析方法进行了分析和探讨，指出火用分析方法对钢铁企业节能降耗具有重要的实践意义。

本文利用火用分析方法，对钢厂的余热发电系统进行建模，通过对系统的热力学分析，得到系统的火用效率、火用损率、火用损失系数等性ＺＦＪ，匕ｔｓ丁日Ｌ仲－：，并分析了各项指标的变化规律，在此基础上对余热发电系统的性能进行合理评价，对钢厂余热利用的整体节能效果做出科学分析，为钢厂节能降耗和提高铡』‘经济效益提供良好的理论支持和技术指导。关键词：钢铁；余热利用；火用分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ

乜ｎ钉ｇＹ１Ｓｔｈｅｂａｓｉｓａｎｄｐｒｅｍｉｓｅｏｆｈｕｍａｎｓｕｒｖｉｖａｌａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｔｅｅｌ

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目录

摘要………………………………………………………………………………………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ……．………．…．．……．…．…．．…．…．…．．．．…………．…．……．．．．．…．．…．．．．…．…．…．…………．……．ＩＩ第１章绪论………………………………………………………………………………１

１．１背景及意义………………………………………………………………………．．１１．２钢铁工业能耗现状及存在问题…………………………………………………．．２

１．２．１钢铁工业能耗现状……………………………………………………………２１．２．２钢铁工业存在问题……………………………………………………………４１．３本文主要研究内容………………………………………………………………一６第２章火用分析方法在钢铁工业中的应用研究…………………………………………７

２．１火用概念及其发展……………………………………………………………………７２．２火用分析的过程及特点……………………………………………………………．．７２．３火用分析在钢铁工业中的应用……………………………………………………．．８

２．３．１炼钢工艺火用分析研究………………………………………………………．１０２．３．２钢厂余热发电热力学分析…………………………………………………．１０２．４本章小结…………………………………………………………………………１２第３章钢厂余热利用技术研究………………………………………………………．１４

３．１余热利用的现状…………………………………………………………………．１４３．２余热余能的主要回收措施………………………………………………………．１５３．３较成熟的余热回收及发电技术方案……………………………………………．１６

３．３．１干熄焦（ＣＤＱ）余热回收与发电技术…………………………………………１７３．３．２烧结余热回收及发电技术…………………………………………………．．１９３．３．３纯燃高炉煤气发电技术和燃气一蒸汽联合循环发电技术（ＣＣＰＰ）…………２２３．３．４ＴＲＴ余压透平发电技术的应用………………………………………………２２３．３．５转炉蒸汽余热发电技术……………………………………………………．．２５３．４中低温余热回收及发电技术……………………………………………………．２５

３．４．１中低温余热产生的环节及利用原则………………………………………．２６３．４．２钢厂中低温余热回收及发ｆ乜技术…………………………………………．２６３．５本章小结…………………………………………………………………………２８第４章中低温余热回收系统热力学分析……………………………………………．３０

目录

４．１火用分析模型………………………………………………………………………．３０４．１．１火用分析计算模型……………………………………………………………．３０４．１．２火用平衡方程与火用效率………………………………………………………．３０４．２钢铁企业余热资源热力学分析…………………………………………………３１４．３烧结余热发电系统………………………………………………………………３３４．３．１热平衡与火用平衡指标对比分析……………………………………………．３５４．３．２烧结余热发电双压系统能量平衡分析……………………………………．３６４．４本章小结…………………………………………………………………………３９第５章结论与展望……………………………………………………………………．４１５．１结论…………………………………………………………………………………………………………４１５．２展望…………………………………………………………………………………………………………４２参考文献…………………………………………………………………………………４３攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果……………………………………………４５致谢…………………………………………………………………………………………………………………．．４６Ｖ

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第１章绪论

１．１背景及意义

自１９８０以来，我国钢铁工业在节能方面取得了很大成绩，２０１０年我国吨钢可比能耗指标下降了５７１ｋｇ标准煤，但与瞪界先进水平的差距仍然较大。在排除国内外轧钢系统的成材率和工序能耗的之问差异的情况下，我国大中型钢铁企业在２０１０年的吨钢可比能耗要高出先进产钢国约６４ｋｇ标准煤；将上述两方面之问的差异考虑在内，同时认为国内轧钢工序的水平与国外先进水平相近，此种情况下我国的吨钢可比能耗将高出先进产钢国约１１２ｋｇ标准煤。

各生产工序产生的各种余热数量不足、回收效率低导致大量余热资源不能被回收利用，已经回收的余热资源不能被合理地使用，导致包括煤气、蒸汽、氧气、压缩空气在内的二次能源的大量流失，使我国吨钢工序能耗、转炉工序能耗及其它能耗分别比国外高出５０．５ｋｇ、１３．３ｋｇ、３３．２ｋｇ标准煤。相关调查结果表明，国外一些技术水平较为先进的钢铁企业对余热、余能以及副产煤气等能源的回收率已达到９０％以上，ＦＩ本的新同钢铁对其回收的效率已达９２％，但我国的钢铁企业在这方面的回收率只有３０％～５０％【１１。

加强钢铁工业中对于余热的回收利用技术对于钢铁工业的节能降耗和提高钢铁工业的整体效益具有重大意义，其中钢厂余热发电是对钢厂余热利用的一条良好途径和有效手段，该方法可以有效提高余热愈能资源回收率、减少钢厂能耗、提高钢厂整体经济效益。

对余热发电系统的性能进行合理评价是分析钢厂余热利用整体节能效果的科学依据，选择合适的热力学分析方法是对余热发电系统进行热力性能分析和评价的关键。

纵观能源应用科学史，先后形成了两科－能量分析方法：基于热力学第一定律的焓分析法和基于热力学第二定律的熵分析法、煽分析法。２０世纪７０年代的石油危机推动了热力学第二定律分析方法的发展，其发展促进了能量利用率、能量利用合理性和能量系统管理水平的提高。

能量分析法即应用能量传递和ｉ转换理沦米分析能量使用过程中的能量利用的合理性和有效性。在三种能量分析方法中，焓分析万法只能反映能量数量的人小，

而不能反映能量在质量和品位上的差异，即将一切能量都视为同等价值的能量，这是与工程实际应用情况不相符的；火用分析方法和熵分析方法不仅承认不同能量之间具有质的差别，还能同时反映能量在质和量上的客观情况，是比焓分析方法更具科学性和优越性体的能量分析法，但其中熵分析方法较难理解且不便计算，所以火用分析法在工程应用领域中得到了广泛的应用［２］。

火用是一种能量，但与能的含义不完全相同，火用是能量中质与量相统一的部分。火用概念的一般表述为：在确定的环境条件下系统经可逆过程达到与环境相平和的状态能够对相关外界所做出最大理论功，即火用表征了能量中可转换部分的能量。火用所表示的是最大理论做功能力，并不是实际所做出的功，其之间有明显区别，火用作为系统的状态参数表示的是系统偏离环境状态的程度，其最大理论功是取环境为基准按可逆过程做出的功量，一旦环境确定，系统的火用也相应确定，故火用作为状态参数是某个确定状态下的唯一值。

火用分析也称效能分析，火用分析方法能以热力学第一定律、热力学第二定律为指导，以火用概念为基础，以火用平衡为工具，经过全面的分析和计算，从能量的品味和利用程度来评价过程和装置在能量利用上的完善性，主要指标有火用效率和损耗功，它指出能量利用过程的不可逆性是导致能量损失的内在因素。火用分析方法可以提供系统的最大做功能力以及能量损失发生的部位，指出系统优化的潜力和方向、能量利用上的薄弱环节和节能的正确方向，对热力系统的设计、优化以及性能评估具有重要意义。

将火用分析方法作为钢厂余热发电系统的热力学分析方法，可以为钢厂余热发电技术手段实施确立正确的目标和提供有效方法，可以保证系统热力性能分析的科学性和合理性，为钢厂余热利用整体节能效果评价提供有力的理论支持。

１．２钢铁产业能耗现状及存在问题

１．２．１钢铁产业能耗现状

能源是人类进步和发展的基础，钢铁材料作为基础建设材料在人类进步和发展过程中起到了重大作用。钢铁产业目自仃面临着高钢铁材料产二量和高能耗之间的矛盾，且矛盾同益激烈，我国情况尤为严重。我国的钢铁产量于１９９６年首次突破１亿吨，２００３年全国的钢铁产量增加至２亿吨，我国现在的钢铁产量占世界钢产量的比例约为２６．３１％，其产量大于世界第二、三、四大钢铁生产国家的钢铁产量，ｅｇ，，Ｈ。

目前，我国钢铁工业的吨钢能耗正在逐步下降，但由于钢铁产量越来越大，导致钢铁产业的能源消耗总量急剧增加，使得我国钢铁企业生产钢铁的过程中消耗的能源量逐年攀升，面对上述问题，对于我国钢铁产业进行节能降耗工作意义重大。

世界范围内，同本的钢铁生产技术水平最高，其次是欧美国家，我国的钢铁生产技术水平较低。２０００年，日本的吨钢可比能耗平均低于６９０ｋｇｃｅ，欧洲联合钢铁企业的吨钢可比能耗在７３０ｋｇｃｅ左右，我国大中型企业的吨钢可比能耗平均为７８ｌｋｇｃｅ，远远高于国际先进水平；２００４年同本的吨钢可比能耗降低到６５６ｋｇｃｅ，我国钢铁企业的能耗有了明显的降低，吨钢可比能耗减低到７００ｋｇｃｅ；目前，我国重点钢铁生产企业的平均能耗比同本钢铁工业平均能耗高９．０％，先进钢铁企业吨钢可比能耗仅与Ｆｌ本钢铁２００４年的工业水平相当，我国钢铁工业的技术水平与国际先进水平存在着很大的差距¨Ｊ。

我国国内的钢铁生产技术水平也良莠不齐，据调查显示，我国中小钢铁企业的能源消耗水平远远高于大型企业，２００４年我国中小型钢铁企业的吨钢可比能耗高达１０４５ｋｇｃｅ，与国内先进企业相比也存在着很大差距。考虑这一因素，我国钢铁工业的全１／．－－Ｊ业ｚＨ４匕ｐｏ耗水平同国际先进水平相比，总体上存在２５～４０％ｆ１９差距，我固钢铁产业在＝市能降耗方面具有很大潜力【４Ｊ。我国钢铁企业的能源利用率很低，仅为３０％～５０％，生产过程中不仅有大量的余热余能被白白浪费，同时还给环境造成很大的污染；我国钢铁企业生产过程中能源消耗成本占钢铁生产总成本的比例高达２４％以上，对钢铁行业进行节能降耗工作不仅能有效提高生铁生产过程中的能源利用效率，还能大幅度提高钢铁企业的经济效益ｐＪ。

表１．１为２００５年我国大中型钢铁企业吨钢可比能耗与国外先进水平对比情况，表中数据显示，国内部分技术水平先进的大型钢铁企业的工序能耗已经与国际领先水平持平或已超过其水平，但一些中小型钢铁企业的技术水平相对落后，其工序能耗是国际先进水平的数倍，远远高于国际先进水平。一些钢铁技术水平较为先进国家中，其高炉焦比可以维持在３００ｋ∥ｔ以下，燃料比不大于５００ｋＷｔ；在我国的钢铁产业中，一些大型钢铁企业的高炉焦比是４２６ｋ∥ｔ，其他一些中小型钢铁企业的高炉焦比高达４８Ｓｋｉｔ，燃料比可以维持在５６０ｋ∥ｔ左右。与国际先进水平相比较，我国钢铁企，ｌｌ：Ｍ高炉工序要多耗能５０～１００ｋｇｃｅ／ｔ，生产每吨钢铁要消耗１１．１５ｍ３新水，而国际的先进水平仅为３．８５ｍ３，固体废物的综合利用率为６０．４％，而世界先进水平汉为２．８％。我困先进的钢铁企、ＩｋＦ１｝ｊ仃已经在转炉工序中实现了“负能炼钢”，其中≮钢集团目ｉ仃已经在炼钢厂ｒ｝ 实现了“负能炼钢”。在转炉工序中，我国铡铁企业的能耗维持在２３．５６ｋｇｃｅ／ｔ的平均水！Ｆ，卜］本的技术水平较为先进，其中君津钢厂在ｉ亥工序中的能耗仪为一６．２７ｋｇｃｅｊｔ，ｍ上述数据可以看出我国钢铁行业的玉Ｆ均技术水

华北电力火学硕士学位论文

平与国际的先进水平相差很大［６１。

表１．１２００５年我国大中型钢铁企业吨钢可比能耗与国外先进水平对比

烧结（球团）５７．０６５．０＋８．０１．０４０１．３３４＋０．２９４一４高炉炼铁４６４．０４５７．０—７．００．７３１０．８７５＋Ｏ．１４４一９转炉炼钢１７．９３６．０＋１８．１０．７０００．８８３＋０．１８３一４电炉炼钢１９８．６２０１．０＋２．４０．３０００．１１７，０．１８３删●轧钢工序枷）其他工序４９．６９０．０＋４０．４一４ｎ屯钢能耗差距（不考虑国内外轧钢：［序能耗莉Ｉ材料率两方面的筹异）一Ｏ吨钢能耗差距（考虑国ｒ．ｑＪ，Ｉ－的差异并取国内轧钢二Ｉ：序与国内外相同水平）一∞１．２．２钢铁工业存在问题

作为资源和能源密集型产业的钢铁工业，其能源消耗量占到全国总能源消耗的比例为１５％，为实现在“十一五”规划纲要中提出的有关于降低２０％ＧＤＰ能耗的节能目标，针对钢铁工业进行节能降耗是必不可少的重要措施。

作为能源消耗最大之一的钢铁工业，在钏铁的生产过程中必定会有大量二次能源产生。在钢铁工业的生产过程中产生的二次能源科ｒ类非常丰富，主要包括余压、余能和余热三类，其中余压主要指的是高炉炉顶的煤气压差能；余能指的是钢铁生产过程中产生的焦炉煤气（ＣＯＧ）、高炉煤气（ＢＦＧ）平Ｈ转炉煤气（ＬＤＧ）等；余热指的是在钢铁生产过程中各设备或者产物挟带以及释放的有回收价值的热量，余热能源是钢铁生产过程的主要二次能源。

钢铁余热资源非常丰富，余热的回收利用是现阶段二次能源回收利用的主要手段。根据余热载体不同，余热资源可以被分为固体、液体和气体作为载体的余热资源，焦炭、烧结矿、炉渣、钢坯、钢渣等载热体带出的显热为固体余热；液态产物、

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