冶金环保第七次

1、7.3 钢铁工业中的（火用）分析示例 根据能量守恒定律我们知道能量既不能创生也不能消灭，但是不同的能量质量是不同的，而且在能量的转换过程中能量的质量会退化。 任何人类活动中能量的退化都是不可避免的，这种能量质量的退化一般由能耗来表征，由于工业化的进展能耗也在加速，这使得合理地使用煤、天然气、石油这些不可再生能源成为工业化进程中最重要的任务之一。 降低能耗和(火用)损失是提高炼铁效率的强有力的因素。 (火用)效率最高的过程应该是一个没有(火用)损失的过程或者是一个可逆过程。 (火用)损失只和实际过程的不可逆性有关。式中，Te环境温度 Sir过程的熵燃料效率随着过程不可逆性亦即熵的增加降低，燃料消

2、耗增加，但是资本成本降低，如果燃料成本足够低，总生产促成本将随熵增加而降低。 高炉炼铁 包括高炉煤气输出外用的化学能和(火用)，高炉的能量和(火用)效率分别达到67.%和61%。与一般化工工艺相比可以说高炉的效率是相当高的。 高炉中主要的不可逆过程：(1) 焦炭燃烧(2) 从燃气(22702470K)到炉料(17701820K)的热传递(3) 金属和渣溶液的形成(4) 热风炉内热风的燃烧和传递尽管富氧鼓风过程几乎没有热效应，但它也是个不可逆过程并产生(火用)损失。在高炉炼铁过程中，高炉内的蓄热区、固态还原过程，特别是化学惰性区的传热过程可以视为接近可逆的过程。 直接炼铁工艺 铁矿石直接冶炼过程

3、中的不可逆过程和高炉类似：(1) 煤燃烧(2) 气体燃烧(3) 从元相(20702370K)到熔池(17201820K)的传热(4) 铁矿溶解入渣(5) 铁氧化物还原(6) 金属和渣溶液的形式水蒸汽的转移反应可以认为是接近平衡的，但是H2和CO的燃烧反应是强不可逆过程，所以在铁矿石直接冶炼过程中没有可逆反应。煤的消耗随传热效率的提高及二次燃烧比的增加而降低。如果排气利用率低，通过提高传热效率和二次燃烧比例可以提高燃料利用率，反之，在排气利用率高的情况下，高传热效率和二次燃烧比例对总的燃料效率的意义并不显著。 各种钢铁生产流程的(火用)效率 钢铁冶金分三个流程：传统的联合流程(球团、烧结矿、焦化

4、、高炉转炉)半联合流程(球团和直接还原铁厂电炉)与熔融还原结合的新联合流程(球团长COREX转炉电炉) 三种火用效率定义： 1的补(1-1)则意味着损失的(火用)占输入(火用)的分数。 2代表从能量中得到的物化于产品和副产品中的有用的(火用) 3仅和主产品有关 2与3的比较可以表明某一特殊生产步骤对全部生产过程的贡献 2是最合适的(火用)效率指数，该指数把产品和副产品作为有用的输出而把废弃物中的物化(火用)扣除。第八章 钢铁生产中的节能工艺教学内容：我国钢铁企业的能耗指标与能耗现状 钢铁厂的能量流与节能措施 钢铁工业的主要节能设备 SCOPE21炼焦新技术 干熄焦工艺 烧结节能技术教学重点：S

5、COPE21炼焦新技术 干熄焦工艺 烧结节能技术导入新课：各种钢铁生产流程的(火用)效率8.1 概述 我国钢铁企业的能耗标准 按照国家标准综合能耗计算通则(GB25891981)燃料发热量以燃料应用基(即实际所应用的燃料)低位发热量为基准。 企业消耗的一次能源，均按应用基低(位)发热量换算为标准煤量。 企业消耗的二次能源，均应折算到一次能源。其中，燃料能源应以应用基低(位)发热量为折算基础，企业中耗能工质所消耗的能均应折算到一次能源。(1)吨钢综合消耗 指企业在报告期内每吨钢消耗的各种能源自耗总量。 能源消耗总量：将各种能源按规定的计算方法分别计算为同一标准单位后的总和。 企业自耗能源：包括统

6、计报告期内生产直接消耗的各种能源及其辅助生产系统实际消耗(标煤)的各种能源即企业自耗全部能源量。(2)吨钢可比能耗 指企业每生产1t钢从炼焦、烧结、炼铁、炼钢直到成品钢材配套生产所需要的耗能量及企业燃料加工与运输，机车运输机能源亏损所分摊到每吨钢的耗能量之和。(3)国外钢铁工业能耗指标与我国的区别 表81(4)吨钢能耗指标的校正 按国外的统计口径对我国的吨钢综合能耗统计范围进行调整。(5)影响吨钢能耗的因素A. 铁钢比：是生产1t钢所消耗水量与钢水量两者的比值。 是影响吨钢能耗的主要因素，与国外吨钢能耗相关联的是企业生产的铁量和钢量。 与我国吨钢可比能耗相关联的是生产1t钢的铁水和生铁消耗，即

7、企业(行业)吨钢平均耗铁量。B. 连铸比 连铸比模铸成材率高10%，节约加热能耗70%，节约劳动力75%。C. 其他因素 能源、原料质量及能源结构 矿石品位、焦炭含量(灰分、硫含量)、煤粉质量 自发电量、油气比例 大型节能设备普及程度 工艺与设备水平 辅料消耗、动力转换效率 我国钢铁工业能耗现状(1)我国钢铁工业能耗现状 我国重点钢铁企业吨钢可比能耗比国际先进水平相差9.81% 钢铁工业能耗增幅低于钢产量增幅约5% 我国重点钢铁企业主要工序能耗在不断下降，而炼铁工序能耗呈上升趋势，则是因为高炉炼铁原燃料供应紧张，价位攀升，成分不稳定，质量下降所造成的。 但是钢铁企业之间工序能耗差距大，节能潜力

8、大。 我国有一批钢铁企业已掌握了先进生产技术，其工序能耗已达到或接近国际先进水平。(2)能耗现状分析A. 中国钢铁工业节能工作取得了显著成绩。B. 炼铁系统是钢铁工业节能的重点。C. 钢铁企业产生的可燃气体的回收利用。D. 我国转炉工序能耗与国际先进水平差距最大。(3)节能工艺技术和装备A. 干法熄焦(CDQ) 干法熄焦可以回收红焦显热(红焦显热占炼焦热耗的35%40%)的80%。 宝钢干熄焦可降低焦化工序能耗(标煤)68kg/t，这是钢铁工业可回收余能所占比例最大的项目，约占可回收余能的一半。 干熄焦使焦炭质量得到提高。B. 高炉炉顶煤气压差发电技术(TRT) 钢铁企业产生大量可燃气体，且可

9、能有一定量的富余，应当积极采用煤气发电技术。 采用煤气、燃气轮机发电技术的发电量，要比常规锅炉蒸汽发电量多70%90%，并可节水1/3。C. 精料技术对炼铁系统节能有重大影响 精料技术对高炉炼铁的技术进步影响率在70%，而高炉操作和设备等方面的影响率只占30%。 高炉炼铁是以精料为基础的。精料技术的核心是提高矿石的含铁品位。内涵 高(原燃料转鼓强度高、烧结矿碱度高) 熟(熟料比高) 稳(入炉原料物化性能和成分、配矿量要稳定) 均(颗粒均匀) 小(粒度偏小) 好(矿石冶金性能好) 少(含有害杂质少) 优化钢铁工业结构可实现节能。 高炉炼铁炉料多用球团，即可节能又可提高入炉料含铁品位。D. 薄板坯

10、连铸连轧 连铸比模铸节能25%50，提高成材率10%15% 钢铁厂的能量流与节能措施吨材(吨钢)综合消耗： 影响吨材能耗的直接因素：各生产工序的物质流比；各生产工序的工序能耗。降低吨材(吨钢)能源主要方法：工序产品载有的能量级时带入下一工序利用。降低各类能源介质的能值及时合理地回收利用生产中的余热余能。基于能量流图计算了各种余热余能在当前技术条件下最大回收量对吨钢工序能耗及吨钢能耗的影响。(表8-7)对吨钢工序能耗影响较大的有“焦炉煤气回收”和“高炉煤气回收”。加强钢铁生产流程中各种余热余能的回收利用是降低钢铁企业能耗非常有效的措施。 日本钢铁企业的能量流和节能举措 通过工艺过程的省略、连铸比

11、，如薄板坯连铸连轧、再生式燃烧器等；副产品、排热的回收，如焦化煤气、化工产品的回收、干熄焦、高炉顶压发电、转炉煤气锅炉、废热锅炉等；废塑料、废轮胎、生物质能的利用以及通过产业间合作对未利用排热进行利用等措施，可以有效地提高能源利用率，减少一次能源的消耗。 钢铁工业的主要节能设备(表8-8)8.2 日本的SCOPE21炼焦新技术 SCOPE21工艺的概况A. 煤资源有效利用： 能使用高达50%的非黏结煤，通过采用煤的快速加热技术，能提高煤的黏结性，同时采用细煤成型技术，可以提高装入煤的松装比重。B. 提高生产率 大幅度提高焦炭生产率，对装入煤进行了高温预热，减小炭化室炉壁厚度，提高炭化室炉壁的热

12、传导率，对煤进行均匀加热，结果能在比通常干馏温度1000低的温度下进行推焦，从而大幅度缩短了干馏时间。C. 改善环境采用活塞输送方式对煤进行密闭输送和调整焦炉炉内压力及推焦时的密闭除尘等方法，防止煤气从焦炉泄漏，并彻底杜绝炼焦时产生的冒烟、粉尘飞扬和臭味散发的现象。改善焦炉的燃烧结构，实现低NOx燃烧D. 节能 对装入煤进行高温预热，提高了干馏开始温度，通过中低温干馏，降低了推焦的温度，减小了间接加热干馏炉的热能耗。 对产生的煤气和燃烧废气的显热进行回收，节省了能源 小规模实验 确认了SCOPE21的重要工序煤预处理工序(干燥分级快速加热热套成型高温煤的输送)设备的性能，为半工业性工厂设计积累

13、了数据。 半工业性工厂试验A. 设备：煤预处理设备：预处理能力是工业化生产设备的1/20。 干馏炉：为一个炭化室。B. 半工业性工厂实验操作 分为低炉温的一次操作(炉温11001150)和高炉温的二次操作(12001280)两个阶段。 焦炭质量 生产率：将干馏时间缩短至7.5h，提高焦炭生产率2.4倍 改善环境：防止干馏炉煤气泄漏的措施，有效的办法是调整炉内压力，同时获得了工业化生产设备设计用的推焦时的局部除尘数据。 节能效果：SCOPE21工艺(1321MJ/t煤)比现行工艺(1668MJ/t煤)节能21%。因为SCOPE21工艺虽然煤预处理工序的电耗有所增加，但干馏炉的煤气燃烧能耗下降效果

14、大所致。 工业化设备的设计概念和经济性A. 设备概况(1)前提：设置场所：新场所焦炭生产能力：产量4000t/d(1.5Mt/a)研究范围：包括了从煤粉碎到高温煤输送工序、干馏工序和CDQ干熄焦工序其他：没有备用焦炉和应急时的对应设备(2)设备概况：主要设备概况：表8-9设备布置：干馏炉炭化室数量由126减少到53个，即使增加了煤的预处理设备，设备的占地面积也减少了一半。(3)经济性：在表8-9的条件下，对设备费和焦炭的生产成本进行了评价。设备费：设备费减少16%焦炭生产成本：总的焦炭生产成本可减少18%8.3 干熄焦工艺 干法熄焦是采用惰性循环气体熄灭焦炭，并将余热回收发电的一项重大节能技术

15、。 干熄焦技术改变了传统的湿法熄焦技术中的余热资源浪费以及含有粉尘和有毒、有害物质的尾气对大气环境严重污染的现象，是焦化行业装备水平的重要标志。 干熄焦工艺(1)基本原理是利用冷的惰性气体(燃烧后的废气或氮气)在干熄炉中与赤热红焦换热，从而冷却熄灭红焦。(2)工艺流程(3)工艺特点A. 节能：干馏每吨焦炭需消耗3350Mj热量，而炽热焦炭的显热达1880MJ，占炼焦耗热量的一半。 按目前的技术条件焦炭显热的利用率可达80%以上，这部分能量相当于炼焦煤能量的5%。B. 减少环境污染 炼焦若采用湿熄焦，每熄1t红焦就要将0.45t含有大量氰化物、硫化物及粉尘的蒸气排向天空；严重污染了大气及周围的环

16、境，这部分污染占炼焦对环境污染的三分之一。 干熄焦利用惰性气体，在密闭系统中将红焦熄灭，并配备良好的除尘设施，基本上不污染环境。C. 改善焦炭质量 与湿熄焦相比，焦炭M40提高3%8%，M10改善0.3%0.8%。这对降低炼铁成本，提高生铁产量极为有利，尤其对采用喷煤粉技术的大型高炉，效果更加明显。D. 节水 将环境粉尘控制在小于30mg/m3同时，也节约了数量可观的熄焦用水。E. 投资和能耗较高 与湿熄焦相比，存在投资高及本身能耗高的问题 但干熄焦带来的经济效益、环境效益、资源效益和节能效果完全可以抵消其投资高和本身能耗高带来的不足，特别是随着国家对环保要求越来越严格、能源价格越来越高、能源

17、供应越来越紧张的情况下，干熄焦的优点就越来越显著。 国产化开发 煤调湿技术(1)基本原理： 煤调湿(CMC)是“装炉煤水分控制工艺”的简称，是将炼焦煤料在装炉前出去一部分水分，保持装炉煤水分稳定在6%左右，然后装炉炼焦。(2)工艺流程 目前世界上主要有两种煤调湿工艺流程A. 回转式多管干燥机煤调湿B. 流化床干燥机煤调湿 采用流化床干燥机煤调湿工艺，其煤料与热废气直接换热效率高。尤其是以焦炉烟道气体作热源时，充分利用了废热，既节能，又减少了燃烧高炉煤气放出的CO2，减少温室效应。(3)实施效果煤料含水量每降低1%，炼焦耗热量就降低62.0MJ/t(干煤)由于装炉煤水分的降低，使装炉煤堆密度提高

18、，干馏时间缩短，因此，焦炉生产能力可以提高7%11%。改善焦炭质量，其可提高1%1.5%，焦炭反应后强度CSR提高1%3%，在保证焦炭质量不变的情况下，可多配弱黏结煤8%10%。煤料水分的降低可减少1/3的剩余氨水量，相应减少1/3剩余氨水蒸氨用蒸汽，同时也减轻了废水处理装置的生产负荷。节能的社会效益是减少温室效应，当用焦炉烟道废弃作为热源时，平均每吨入炉煤可减少约35.8kg的CO2排放量。煤料水分的稳定可保持焦炉操作的稳定，有利于延长焦炉寿命。(4)需注意的问题必需设置三相超级离心机，以保证焦油质量。必需设置除石墨设施，有效地清除石墨，以保证正常生产。加强输煤系统的严密性和除尘设施。必须设

19、置装煤地面站除尘设施。8.4 烧结节能技术 烧结机的主要节能对策：(1)排热回收(2)原料通气性改善(3)减少点火炉燃料(4)强化造粒8.5 高炉节能技术 概述 从能量收支的角度考虑，利用热风炉的排热预热空气以及改善操作和控制方法，可以使热风炉节能。 对高炉本体而言，把高炉煤气作为燃料气回收，干式除尘和炉顶压发电可以回收高炉煤气的压力能和显热。作为与炼焦原料处理、转炉各工序相结合的节能手段，高炉喷煤粉、高炉尘返回烧结，高炉内小块烧结矿用量的增加，高炉低硅冶炼等也起到相当的节能效果。 高炉的节能工艺(1)高炉煤气回收与燃料消耗 钢铁厂内总的能量平衡，通过调整高炉操作，可以增加燃料消耗使之转化为高

20、炉煤气，增加高炉煤气回收量，这对高炉在某种程度上部分地承担了能量转化的任务。 但是高炉操作的真正的炼铁能耗要扣除为多回收高炉煤气而增加的燃料消耗。(2)降低高炉的燃料比A. 高炉喷煤：从高炉封口向炉内喷煤的作用在于喷入的煤粉替代焦炭作还原剂，使用廉价的非黏结煤可降低炼铁成本。B. 低硅操作 考虑炼铁炼钢总的效益，降低作为转炉热源的铁水中硅的作用，可以起到显著的节能作用。C. 高炉炉顶煤气余压发电 TRT技术就是利用炉顶煤气剩余压力使气体在透平内膨胀做功，推动透平转动，带动发电机发电。D. 热风炉节能 热风炉燃烧排气用回转再生式热交换器回收，用来预热燃烧用的空气或燃料气。 这种余热回收装置每吨生

21、铁可节能100.48MJ。第八章 钢铁生产中的节能工艺教学内容：高炉煤气余压发电(TRT)技术 高炉回收废塑料 废塑料焦炉化学原料化技术 转炉煤气处理技术 湿法除尘煤气回收技术教学重点：转炉煤气回收技术教学难点：TRT技术8.6 高炉煤气余压发电(TRT)技术TRT是利用高炉炉顶排出的煤气的压力及热能转化为机械能并驱动发电机发电的设备。主要包括透平机和发电机两大部分。炉子越大，炉顶压力越高，投资回收期越短。该技术可回收高炉鼓风机和所需能量的30%左右，实际上回收了原来在减压阀门中白白丧失的能量。这种发电方式既不消耗任何燃料，也不产生环境污染，发电成本又低，是高炉冶炼工序的重大节能项目，经济效益

22、十分显著。 TRT的发展历程 TRT设备及工艺流程 TRT主要是由透平膨胀机将高炉煤气余压能及部分热能转换成电能的一种环保节能发电装置。(1)湿式TRT系统 马钢1号高炉的TRT系统是湿式TRT，主要由透平主机液压控制、给排水、氮气密封、管道阀门等系统以及过程监控和发配电系统等组成。 TRT作为高炉节能的装置，运行的好坏是由高炉是否稳定顺行决定的，其发电量主要取决于高炉顶压和高炉煤气发生量，而高炉煤气发生量又和高炉冶炼强度有关。只有在炉况条件好的情况下，在保证高炉高顶压、高煤气发生量的前提下才能有较高的发电量，整个TRT机组才能在最佳运行点上运行。(2)干湿两用和完全干式TRT系统 本装置有两

23、种系统运行方式，湿式系统利用原有系统中的双文湿式除尘系统，干式为新增布袋除尘系统，两种系统状态必要时可以自动切换运行，适应煤气温度变化性强，且可提高发电效率。A. 湿式系统 高炉煤气重力除尘器一文二文二文出口(DN1500)蝶阀(DN1500)插板阀(DN1500)紧急切断阀透平机洗涤塔(DN1200)水封蝶阀(DN2400)净煤气总管B. 干式系统 高炉煤气重力除尘器(DN1800)插板阀布袋除尘器(BDC) (DN1500)插板阀(DN1500)蝶阀(DN1500)紧急切断阀透平机洗涤塔(DN1200)水封蝶阀(DN2400)净煤气总管 应用干式TRT的意义：干式TRT不用水洗涤和冷却煤气，生产每吨铁节省水约9t，其中节约新水2t。干式电除尘吨铁耗电0.250.45，比湿式节电60%70%。干式除尘器出口煤气温度为150250(湿式为4050)，其压力损失只有0.30.6kPa(湿式为2030kPa)，因此干式TRT系统比湿式的发电处理高30%50%。干式TRT系统排出的煤气温度高，所含热量高，水分低，煤气的理论燃烧温度高，用于烧热风炉，可提高风温4090，相应地降低焦比816kg/t。8.7 高炉煤气燃气轮机、蒸汽联合