转炉炼钢中能量回收与利用

1、摘要转炉实现负能炼钢是衡量一个现代化炼钢厂生产技术水平的重要标志，转炉 负能炼钢意味着转炉炼钢工序消耗的总能量小于回收的总能量，即转炉炼钢L!几序 能耗小于零。本文通过转炉炼钢热平衡的计算，由能量守恒定律可以得到转炉匚序能耗模 型，分析计算转炉工序中各个能量消耗以及回收利用的情况，来讨论是否能够进 行负能炼钢。通过对模型中各个因素的分析，研究在理想条件下转炉工序能耗的 最小值，进而分析实际能耗与最小能耗的差异。对于转炉能耗指标分析得到如下 结论：提高转炉煤气和蒸汽回收量、降低电的消耗量是实现负能炼钢的关键；原始炉气中CO的浓度越大，煤气回收量就越大;当空气吸入系数越小， 转炉煤气回收比越大，煤

2、气回收量也越大;当铁水比越大，铁水中的碳以及含碳 物料中碳氧化产生的总共的炉气量越大，煤气回收量也越大。在理想工况条件下，吨钢最小氧气的消耗量为72.97kg/t，即S 1.08m3/t;最 大煤气回收量128.83扩/t;最大蒸汽回收量71.63k醉;工序能耗的最小值为一 18.96kgce/t;通过对转炉能耗进行分析与计算，得出在目前的消耗水平下，若蒸汽回收 量平均达到52卿，其转炉煤气的回收量至少要达到88扩/t的水平，转炉刁能实 现“负能炼钢”。关键词:转炉;负能炼钢;节能;措施;最小能耗AbstractThe realization of converter negative ene

3、rgy consumption steelmaking is very important symbol for a modern steel making enterprise which means the total energy consumption of converter steelmaking process is less than the total energy recovered during the steelmaking process.The discussion of the realization of negative energy consumption

4、is based on the calculation of thermal equilibrium, the result of process energy consumption modeling,and the analysis of various converter processes energy consumption and recycling.By examination of the various factors of the model is studied in standand the modynamic state. The minimum energy con

5、sumption of the converter processes the analysis of actual energy consumption with the smallest differences in energy consumption. Analysis of energy consumption model for the converter shows:Increasing the recovery amount of gas and vapor and reducing the energy consumption are the keys for negativ

6、e energy steel-making;The greater the concentration of CO in the original furnace gas, the greater the gas is recoveried; the smaller the air inhaled coefficient， the greater the converter gas is recoveried, and the greater the volume of gas is recoveried; the greater the molten iron and the carbon

7、content in molten iron and carbon-carbon materials in the total oxidation of the furnace, the more the amout of recoveried gas is.Under ideal working conditions, the smallest oxygen consumption per ton is 72.97kg/t, i.e. 51.08m3/t; the largest gas recovery volume is128.83m3/t; the largest collection

8、 of steam is 71.63kg/t; The minimum process energy consumption is 一 18.96kgce/t;Considering the calcuted results of energy consumption and the practice, if the average amount of vapure recovery is 52kg/t, the converter gas recovery is at least 88m3/t ,then the converter can achieve negative energy c

9、onsumption.Keywords : converter,steelmaking withmeasure， Minimum energy consumption.minus consumption,energy saving,目录 TOC o 1-5 h z 1绪论1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.1冶金能源1 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 1.1.1冶金能源及其构成1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 1.1.2冶金能源消耗概

10、况2 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.2钢铁冶金工业能耗现状3 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 1.2.1我国钢铁工业能耗现状4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 1.2.2我国钢铁工业能耗与国际先进水平的差距41.2.3我国钢铁工业能耗同国际先进水平存在差距的原因.8 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 1.3课题研究的目的意义以及主要内容9 HYPERLINK l bookmark69

11、o Current Document 2转炉炼钢能量回收利用的主要措施11 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 2.1转炉煤气的回收工艺12 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 2.1.1湿法工艺13 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 2.1.2干法工艺13 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 2.2 OG法与LT法的对比14 HYPERLINK l bookmark100 o Current Docu

12、ment 2.3主要设备的简介17 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 2.4转炉炼钢能量回收利用的主要措施19 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 2.4.1降低能量消耗的措施19 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 2.4.2提高转炉煤气的回收水平19 HYPERLINK l bookmark129 o Current Document 2.4.3提高转炉余热蒸汽的回收利用水平21 HYPERLINK l bookmark135 o Curr

13、ent Document 结论23参考文献24绪论1.1冶金能源1.1.1冶金能源及其构成我国冶金工业消耗的能源量，约占全国能源消耗总量的1214% o因此， 冶金工业能否有效地利用能源，对全国能源的供需有较大的影响。一般情况下，冶金工业只购入四种能源，即:煤炭、重油、天然气、电。 习惯上，这四种能源叫做“冶金工业的购入能源”。冶金厂所用的煤炭，主要是洗精煤、无烟煤和动力煤等。洗精煤用于炼 焦;无烟煤用于烧结和高炉喷吹;动力煤用于自备电厂发电、蒸汽机车、二I: ）% 锅炉和其他炉窖。重油和天然气是国家宝贵的资源，冶金厂应尽量少用。钢铁联 合企业，应首先考虑充分利用内部的副产煤气（焦炉煤气、高炉

14、煤气、转炉煤气）， 只是在工序无法平衡时，才用重油、煤炭、天然气来补缺。冶金厂所用的电力， 一般是购入的。但较大的联合企业有自己的发电厂，它用购入的动力煤和企业内 部剩余的高炉煤气为燃料来发电I1-l冶金工业虽然只从外部购入煤炭、重油、天然气、电等四种能源，但在 生产过程中这些购入能源将转换为多种形式的其他能源。最常见的有焦炭、焦炉 煤气、高炉煤气、转炉煤气、电力、蒸汽、氧、压缩空气等等。这些能源，习惯 上叫做“冶金工业自产能源”。冶金能源的构成，是指在购入能源总量中，煤炭、重油、天然气、电各 自所占的比重。煤炭是我国钢铁工业的主要能源。此外，电力和重油也各占有一 定比重。天然气用量很少。按国

15、家计划，今后将进一步体现以煤为主的方针。美 国、德国、日本等国的钢铁能源中，煤炭所占的比重低于我国，而重油或天然气 的比重高于我国。这是由这些国家的资源状况和国际贸易状况决定的1.1.2冶金能源消耗概况能源是人类可持续发展的前提，钢铁材料现在仍然是人类进步和发展 的基础材料。然而钢铁材料生产与其巨大耗能之间的矛盾日益突出。作为发 展中国家，中国的情况尤为突出。1996年，我国钢产量首次突破了 1亿吨，之 后仅用了 7年(19962003)钢产量达到2亿吨。去年我国钢产量已达到5.4亿吨。 目前，我国的钢产量比居世界第二、第三、第四位国家的产量之和还要多，占世 界钢产量的26.31。巨大的产钢量

16、造成钢铁工业能源消耗量的剧增。虽然中国的 吨钢能耗在逐年下降，但是全国钢铁生产的年总能耗一直在逐年上升，节能工作 任重道远。分析冶金能耗的变化趋势和现状，大力倡导节约能源，加大节能力度对未来 钢铁工业发展意义重大。世界能源消耗概况【5-7世界一次能源构成主要是煤炭、天然气、石油、核能和水电，能源消费 的增量主要是天然气、石油、核能和水电，煤炭消费在发达国家近十年几乎没有 增加。1991 一 1998年全世界煤炭消费的平均增长速度为0.62% 1998 2000 年增长速度为1.01%； 1991-2000年石油和天然气增长速度超过了 1.7%;核能和 水电增长速度超过了 2.4% 0 2000

17、年世界能源消费总量为%.43亿吨标准油，排 名前五位的国家依次是:美国23.00亿吨标准油，占总量的25.4%;中国9.28亿 吨标准油，占总量的10.26%;俄罗斯6.07亿吨标准油，占总量的6.7%;日本5.25 亿吨标准油，占总量的5.8%;德国3.40亿吨标准油，占总量的3.8% o中国能源消耗概况a-to中国能源消费归结起来，呈现以下特点：能源消费总量大，人均占有能源少。2000年总能耗在世界上排行第二， 仅次于美国，而人均能源消费量不到世界平均水平的一半，不足美国的十二分之 一。.能源整体消费差异。中国：工业占60.4%，建筑26.3%，交通13.3%: 美国：工业占25.4%，建

18、筑31.9%，交通42.7% a.能源消费结构以煤为主。国际上主导能源为石油，其次为煤炭和天 然气。但煤炭在我国能源消费结构占据比例大于70%。近年来中国煤炭消费约占 世界消费量的36%，这种特点使我国能源结构脱离世界能源消费主流。以煤为主 的能源结构，客观上造成我国能源利用效率较低、污染较严重、产品能源成本高， 市场竞争能力差。.能源消费引起的污染物排放使环境不堪重负。我国煤炭大多属于中 低硫煤和中灰煤。国际市场交易的动力煤，其热值比我国平均高2$%，含硫量低 2$%一 40%，灰分含量低$0%，这种煤炭为主的能源结构特点加大了环境污染，其 中主要是SOZ，造成的酸雨对土壤的影响，CO:排放

19、对大气环境的影响。.能源资源相对贫乏，长期能源供应面临严重的短缺。中国的石油储 量仅占世界储量的1.8%，天然气占0.7%，铁矿石不足9%，铜矿不足$%，水资源 不足7%综上所述，我国的能源质量较差，利用率低，且存在严重短缺现象。因此， 节能降耗是我国经济长期持续发展的必须要重视的问题。1.2钢铁冶金工业能耗现状钢铁行业是我国的基础产业，我国钢铁行业装备及技术创新任重而道 远。科技水平的高低直接关系到一个国家综合国力的强弱。在我国，科技水平较 低一直是困扰经济发展的一个大问题。钢铁行业也不例外，技术装备落后是中国 钢铁行业目前存在的最大问题。近几年来，我国钢铁企业的技术装备水平虽然得 到较大的

20、提高，但与发达国家相比，还存在很大的差距。在钢铁出口产品中，我 国的初级产品比重高达60%，而高级产品的比重我国只有20%，仅占美国的30%; Fl木的27%;韩国的26%。并且，高附加值产品的比重仅为3%，与发达国家的差 距更远。按生产能力统计，我国钢铁工业有竞争能力的装备约占$0%，其余是需 要改造和淘汰的。在大中型钢铁企业中，炼铁高炉中约有2$00万吨的生产能力 是落后的。在轧钢设备中，具有国际先进技术水平的设备不到$0%。目前，我国 在整体装备上达到国际先进水平的大型钢铁企业只有宝钢和天津钢管公司。【” 一 2】我国钢铁产量、消费量、净出口量以及铁矿石进口量均居世界第一。2004 年，

21、中国生铁产量为2.$ 1亿t，钢产量为2.72亿t，焦炭产量为2.09亿t。据 统计，2003年中钢铁工业消耗了 2.74亿t标准煤，占全国能源消耗量的16.3%， 消耗量仅次于电力工业。中国古代思想家荀子两千年前就提出，“强本而节用，则天不能贫”。而我 国资源储量的“本”并不强，如果不在合理使用上下功夫，不顾自然、不计代价、 不为未来、竭泽而渔、竭矿而采，就会很快耗尽国内资源，而且会加大全球资源 供给的压力。钢铁工业的节能降耗是我国能源和环境战略中一个十分重要的环 节。1.2.1我国钢铁工业能耗现状钢铁工业能源消耗与能源结构13-17从1980年以来，我国钢铁工业能源消耗一直占全国总能耗的1

22、0%左右。 能源消耗结构中，煤炭占主导地位，电力其次，其他能源占有份额较少。如2002 年的钢铁能源消耗中，煤炭占72.19%，电力占23.52%，其他总和不到5%，并且 大型钢铁联合企业煤炭消耗量超出该比例，如宝钢、鞍钢、武钢、首钢的煤炭消 耗量均远大于5%0钢铁企业能耗状况。钢铁工业是国民经济重要的基础原材料工业，也是高耗能、高污染工业。 钢铁工业节约潜力巨大，因此，国外大型钢铁企业纷纷采取先进技术，开展节能 降耗和综合利用，发展循环经济，不断优化工业的能耗指标和环保指标，以期达 到能耗最少，环保最优。与国外发达水平相比，我国钢铁工业差距明显。据统计， 截止到2003年，全国重点大中型钢铁

23、企业吨钢综合能耗呈现持续下降趋势，2003 年吨钢综合能耗达到0.767吨标煤/吨钢。比国际先进水平高0.081吨标煤/吨钢； 吨钢耗新水11.15时，比国际先进水平高7.3m3;固体废物综合利用率60.4%，比 国际先进水平低37.6% o工序能耗 t g-zoo钢铁企业的工序能耗反映了生产中各工序的能耗组成，分析工序能耗可 为节能提供努力方向。通过对钢铁工业能耗情况的表现分析，我们可以列出如下 趋势：.钢产量逐年上升的同时，钢铁工业用能呈上升趋势；.吨钢综合能耗一直为下降趋势；.工序能耗连续逐年下降的同时，铁工序能耗近年略有上升；.宝钢、武钢、鞍钢等企业由于注重铁、钢工序的能源回收利用，取

24、 得了较好的能耗指标。1.2.2我国钥铁工业能耗与国际先进水平的差距“九五”至今，是我国钢铁工业由钢铁大国走向钢铁强国的关键时期。这个时期的主要任务是通过对现有企业的技术改造，淘汰落后工艺与装备， 增加品种，提高质量，降低消耗，优化结构，提高劳动生产率，坚持可持续发展 战略，搞好环境保护和资源的综合利用，全面提高钢铁企业在国内外市场的竞争 力，建成能占据国内市场，并在国际市场占有一席之地的强大的民族钢铁工业。 节能降耗是环境保护的要求也是企业获取利润的关键之一，是提高市场占有率的 根本措施。其基本思路是强化能源管理，加速连铸、喷煤、连扎等新工艺新技术 的推广应用，加大节能投资力度，重点推动大型

25、企业节能技术改造，提高企业能 源使用效率，从根本上改变高能耗状况，大幅度降低成本。（1）吨钢综合能耗比较21-24将国内大、中型钢铁企业的综合能耗进行比较，在能耗大于100万吨煤的 45家企业中，综合能耗大于宝钢有39家，2003年其平均水平和宝钢仍存在 0.148tgce/t，的差距;全国73家人中型企业的吨钢综合能耗介于宝钢与这39 家企业之间，原因是其中有部分电炉钢厂;全国没有统计的中、小企业的综合能 耗指标大于39家的指标，说明节能潜力存在很大空间。如果以宝钢的先进指标 为基准，我国大型企业仍然存在很大的节能空间。鞍钢炼钢工序能耗分别比宝钢、 武钢高8.1 kgce/t , 1.5 k

26、gce/t ，差距主要体现在能源回收上。夏季鞍钢 煤气，蒸汽总量过剩，使转炉煤气蒸汽回收受到限制.鞍钢吨钢回收蒸汽为13. 6kg,宝钢为33kg,武钢为30kgo。以2008年日本钢铁工业吨钢可比能耗和钢铁生产过程的工序能耗作为国际 先进水平，与纳入钢铁工业协会统计的大中型钢铁企业比较，总体来看我国钢铁 工业能耗总水平比国际先进水平相差10%左右。具体数据见表1.20表1.2 2008年大中型钢铁企业能耗与国际先进水平比较（单位:公斤标煤/吨 钢）国别项目吨钢可比能耗焦化工序烧结工序炼铁序转炉序轧钢Ia节表12 200J年大中型钢铁企业能箱与国际先进水平比较（单位；公斤标煤押屯钢）国别攻目吨

27、钢可比能裙焦化工序鹿疏工序炼知序转炉,序乳钢Iff日木6免9553396-2.762中国70533,7492.91差别土数+49+47.13+13.71+69.12+36,44十 3091+747+4.96+25.89+17.45+13.5 ffr+49.852008年我国粗钢产量27470.7万吨，其中纳入统计的大中型钢铁企业产 粗钢23354.3万吨，占全国总量的85.02%;其他中小企业产钢4116.4万吨，：片 个国总量的14.98%。中小企业能耗与大中型企业比较，在能源消耗方面存在明 显的差趴。详情见表1.3。表】.3 20A8年我国大中型钢铁花业与中小钢钦企业能能指标对比盘（单役；

28、公斤摭勘吨比较呗目吨钢可比能耗焦化工序烧结工序做1：序格炉1 ：序乳铝匚序大中烈企业70566.723阳4归9薄后水平1045266明592152133差盼敏+3404I2W4-H 8.26+40.09+411,23+87.154*337+27.28+3.5 倍mis上述列表对比说明，我国中小型企业的能耗指标，同大中型钢铁企业整 体水平比较，存在约50%左右的差距。我国钢铁工业全行业的能耗水平同国际先 进水平比较，大中型钢铁企业与国际先进水平比较有很大差距。总体来说，存在 20%左右的差距。可见，我国钢铁工业的节能改造十分重要，且任重道远。（2）工序能耗比较钢铁工业是国民经济重要的基础原材料工

29、业，也是高耗能、高污染工业。钢 铁工业节约潜力巨大，为此国外大型钢铁企业纷纷采取先进技术，开展节能降耗 和综合利用，发展循环经济，不断优化能耗指标和环保指标，以达到能耗最少， 环保最优。国外先进国家的高炉焦比已达到300kg/t以下，燃料比小于SOOkg/t。 我国重点钢铁企业的入炉焦比为426kg/t，部分其他企业为488kg/t，燃料比在 560kg/t左右。高炉工序的能耗比世界先进水平高50 1 OOkgce/t。吨钢耗新水 11.15m3，比国际先进水平高7.3m3;固体废物综合利用率60.4%，比国际先进水 平低37.6%。我国宝钢、武钢等企业己实现了转炉工序“负能炼钢”，且宝钢己

30、实现了炼钢厂“负能炼钢”，但我国转炉工序能耗平均水平仍为23.56kgce/t。， 日本君津钢厂转炉工序能耗为一 6.27吨ce/t。可见行业总体差距还很大。表 1.4列出了 2003年我国重点钢铁企业平均工序能耗与国际先进水平（1999年）的 比较数据。2003年我国钢铁工业吨钢综合能耗为770kgce，吨钢可比能耗698kgce; 2003年日本钢铁工业吨钢综合能耗为656kgce, 2000年国外主要产钢国家（英、 日、法、德）平均吨钢可比能耗为642kgce。这两项指标分别比国外先进水平高 出17.4%和8.7% .另外，我国重点钢铁企业之间主要工序能耗的差距很大，指标 先进的宝钢已达

31、到或超过国际先进水平，而落后的企业要高出先进值的1倍或数 倍。这说明，我国钢铁工业节能的潜力还是很大的。新制订的钢铁产业发展政 策明确提出，要建立循环型钢铁工厂，500万吨以上规模钢铁联合企业，要努 力做到电力自供有余，实现外供。2005年，全行业吨钢综合能耗降到0.76吨标 煤、吨钢可比能耗0.70吨标煤、吨钢耗新水12吨以下。计划加10年分别降到 0.73吨标煤、0.685吨标煤、8吨以下;2020年分别降到0.7吨标煤，0.64吨标 煤，6吨以下。表1.5为国内外大型钢铁企业工序能耗的比较。粉国内外钢牝1:业鳏合能M可比能耗比按 禅隅k骁仰年份转炉电炉吨钢踪合能凭盹例讨比能耗27,042

32、30,22003 年全国平均770*598（2002 年）（2002 年）1娘年国际先进1甄0（日本，2003年】木，2000年）差值35.92?!.】56资料来源:上海科学技术情报研究所整理吨钢综合能耗:是指企业在报告期内平均每生产一吨钢所消耗的能源折 合成标准煤量。吨钢可比能耗:是指企业在报告期内平均每生产一吨钢_!二序单 位能耗和钢比率的总和折合成标准煤量。表1.5国内外大型钢铁企业工序能耗指标比较捐斯名称单位宝钢台湾中钢浦顼钢铁浦项广光卯吨钢埃合能耗吨标煤代0.6750.7670.7590.725吨钢耗电kwh/t627.70434.70598.10610,70吨钢耗水t/t55.49

33、3.973囱炼钢工序能耗kg诙堪A6.815.2920.857.55电炉T序能耗kg标煤/t186.96!/转炉蒸汽回收kgfl48.8/177.23转炉煤气回收101.93S7,4591.83104.49冶金新技术对能耗的影响钢铁工业对节能技术进步的投入，在促进生产装备水平的提高，增加企 业经济效益，促进钢铁工业健康发展等方面起了很大作用。如宝钢率先引进了转 炉煤气回收、能源管理中心等先进节能技术。这些节能技术的采用，给宝钢带来 巨大经济效益。技术是决定生产效率、产品成本和产品质量的关键。例如：我国 的连铸比较低，仅此一项每年就要比日本多消耗能源4.SMt标煤，使吨钢综合能耗升71kg(标

34、煤)。又如美国纽柯公司因采用CSP ( compact strip production )技术而大为 获利。CSP技术比传统的连铸技术投资，1期工程减少19% 2期工程减少34%， 吨钢生产成本降低80100美元，钢的综合成材率从93%提高到了%，电耗从11 Okwh/t降低到40kwh/t，劳动力节省67%。诸如此类的实例举不胜举。钢铁工业 正处在一个新的时期:用户对钢的性能和质量要求越来越高，社会对生态环境的 要求越来越苛刻，以及日益激烈的竞争环境。这些都要求钢铁工业加快技术更新 的步伐，积极开发并采用冶金新技术。目前，科技进步对经济增长的贡献率，我 国为25%-40%，发达国家为507

35、0%。说明我国的科研水平相对较低;且科技投入 不够。发达国家的成功经验告诉我们，要加快经济发展，提高竞争力，必须依靠 科技进步，采用新技术。转炉煤气的回收和余热利用(可产生蒸汽)，能够实现转 炉炼钢工序负能耗作业。日本炼钢工序能耗占钢铁生产总能耗的3%，而我国是 5.95%,可见转炉生产的节能降耗应该是我国钢铁工业节能的重点之一。转炉煤气 的发热值在7000kJ/m3 8400kJ/m3，比高炉煤气的热值要高得多(高炉煤气热 值为2800kJ/m33SOOkJ/m3)应当充分回收合理利用。1.2.3我国钥铁工业能耗同国际先进水平存在差距的原因我国钢铁工业产业集中度低，企业规模小而分散。2009

36、年我国粗钢产量500万吨以上的企业有18家，仅占全国粗钢总的 46.36%a 2008年日本粗钢产量最多的4家企业，占全国粗钢总量的73.22%;美国 3家企业，占61.09%;俄罗斯5家企业，占78.69%;韩国2家企业，占82%。据 中国钢铁工业协会统计，我国有钢铁生产企业871家，按2007年产粗钢 34936.15万吨计算，平均每家企业粗钢产量仅40.1万吨，规模小而分散。钢铁企业装备大型化同发达国家有明显差距。2008年日本全国产粗钢1.12亿吨，全日本的高炉数量为28座，转炉62座。据中国钢铁工业协会统计，2004年底我国高炉多达1131座，其中:1000 立方米以上高炉只有18座

37、，产能占总产能的31.96%;其余1113座均属于有效容 积1000立方米以下的小高炉，产能占总产能的68.04% 0 2008年底我国炼钢转 炉有553座，其中300吨以上转炉只有3座，120299吨转炉51座，产能分别占 总产能的2.17%.22.57%; 120吨以下的小转炉多达499座，其产能占总产能的 75.26% o节能技术、装备的普及率低。除少数大型钢铁企业外，总体上看我国钢铁企业存在工艺、技术、装备 的多层次性及企业流程、结构的不合理性，表现在采用节能、环保先进技术方面 相对落后，一些先进的节能工艺技术、装备尚未得到普遍采用。二次能源回收利用率低。按照目前我国高炉一转炉一轧钢的

38、工艺流程进行测算，每生产1吨线材 的总能耗为716公斤标煤，生产过程能源有效利用率为27%，其余73%为生产过 程的余热。在73%的余热中，44%为生产过程外排气体(可燃煤气)的化学热;29% 为生产过程固体物料的高温物理热。从总体上看，我国钢铁企业对生产过程产生 的化学热、物理热回收利用率低，这是造成能耗高的重要原因。1.3课题研究的目的意义以及主要内容节能降耗，对建设资源节约型和环境友好型社会具有重要的推动作用， 同时也是促进企业发展、提高企业经济效益的有效措施。转炉实现负能炼钢是衡 量个现代化炼钢厂生产技术水平的重要标志，转炉负能炼钢意味着转炉炼钢_! 二序消耗的总能量小于回收的总能量，

39、即转炉炼钢工序能耗小于零。转炉炼钢工 序过程中支出的能量主要包括:氧气、氮气、焦炉煤气、电、工业新水和使用外 厂蒸汽;转炉回收的能量主要包括:转炉煤气和蒸汽回收。工序能耗是个综合指 标，不仅反映了工艺装备水平和技术水平的高低、也体现了生产管理水平和生产 成本的高低，因此国际上先进钢厂都把实现转炉负能作为炼钢的重要指标。在现 代炼钢技术中，由于负能炼钢技术的采用，转炉工序不但不消耗能源，反而成为 生产能源的工序，负能炼钢技术得到了广大冶金工作者的极大重视。目前宝钢， 武钢、一 当钢、莱钢等厂已实现了负能炼钢，其中宝钢转炉工序能耗己达到一6.49 kgce/t o 30) “负能炼钢”并未全部涵盖

40、炼钢全工艺过程能量转 换与能量平衡，因此不能作为整体评价炼钢工序能耗水平的唯一标准，但我国转 炉炼钢比例超过80%因此转炉“负能炼钢”技术的全面推广对钢铁工业的技术进 步及环境保护具有重大意义。通过上述讨论，转炉负能炼钢对于转炉炼钢厂的环保及节能降耗工作的重 要性已是不言而喻的。本研究针对转炉炼钢的能量平衡问题进行分析和讨论，并 重点研究实现转炉负能炼钢各项技术措施。研究主要内容如下：对转炉炼钢的热平衡进行计算分析；建立转炉工序能耗的分析模型；对分析模型中的氧气消耗、电力消耗、煤气消耗、氮气消耗、氢气消 耗、煤气回收、蒸汽回收及其它能量的消耗及回收等各项影响因素进行分析和计 算，并评价它们对负

41、能炼钢影响权重。依据建立的分析模型，讨论了转炉单元工序能耗的极限值，并分析实 现最小能耗的技术措施。根据上述研究内容，希望从理论上确定在一定条件下实现转炉负能炼钢 的可行性，并对实际生产过程实现转炉负能炼钢提供有意义的指导作用。转炉炼钢能量回收利用的主要措施钢铁工业在生产过程中会产生大量的副产煤气（吨铁可产生约1800立方米 高炉煤气，转炉吨钢可产生100立方米转炉煤气，吨焦炭可产生420立方米的 焦炉煤气）。这些煤气具有很高的热值，如何实现科学、合理地利用，对于钢铁 企业节能具有巨大的意义。据统计，2006年19月全国重点钢铁企业高炉煤气的平均放散率为 9.32% 有12家企业实现了零排放，

42、但有的企业排放率高达57.51;焦炉煤气平均 放散率为4.19%，有29家企业实现了零排放，但有的企业排放率高达38.03%; 转炉煤气平均回收56立方米/吨钢，但还有22家企业没有对转炉煤气进行回收。 对副产煤气进行全量回收，不仅有利于企业的节能，而且又有利于环保。副产煤 气不仅要回收利用，更要对其综合利用进行优化，刁能更好的节能。焦炉煤气 热值高（12000kJ/m3），含氧量约为55%60%，完全烧掉太可惜了，应当对其进行 提氢处理，作为清洁燃料使用。代替汽油（北京己有氢燃料汽车），或用焦炉煤气 作为高炉炼铁的还原剂。此外，焦炉煤气还可以加工为二甲醚。转炉煤气回收量 少的原因之一是用途不

43、广泛。应将转炉煤气用于炼铁热风炉烧炉，替换宝贵的焦 炉煤气，使钢铁企业的煤气利用更加科学、合理Izl提高煤气能源转化率也是科学、合理地利用副产煤气的途径之一。将钢铁企 业的副产煤气最大限度地广泛应用，可以取消烧油和使用天然气的设施。钢铁联 合企业内的副产煤气量作为燃料总是有一定富余。煤气一蒸汽联合发电工艺能源 转化率为32%，煤气一燃气联合发电工艺能源转化率为45%SO%。所以说，钢铁 企业将煤气用于发电是不得以而为之。目前，我国钢铁企业向电力部门供电_L 网价格低，而再向电力部门要电却没有优惠。28-29冶金行业动力转换的水、 电、汽、风等，是通过投入的煤、煤气、水、电等能源转换而来的。如自

44、备电厂 生产的电、风、蒸汽是通过投入的煤、煤气、水、及电经锅炉产生蒸汽，蒸汽再 经蒸汽机带动发电机、风机产生电和风;再如氧气厂通过投入电、水经制氧机系 统产生氧气、氮气、氢气等气体。影响动力系统转换效率的主要因素在于能源的 种类，以及工艺和装备的先进性。如本钢发电耗能为0.538kgce/kwh，国际先进 水平为0.404kgce/kwh。其原因在于本钢发电系统的锅炉、汽机、发电机机组小， 设备陈旧，基本为中压锅炉。仅此一项，本钢每年多耗标准煤20吨，使吨钢综 合能耗高44kgce，与宝钢比，本钢每年多耗标准煤33.4万吨;吨钢综合能耗高7lkgceo宝钢的ccpp，是利用气体燃料燃烧时体积膨

45、胀作功发电。再如本钢S# 制氧机综合电耗0.633kwh/m3，比现有1#4#制氧机综合电耗0.89低28.88%， 若1#4#制氧机综合耗电达到5#机水平，每年节电近7000万kwh。另外，交流 变频调速技术与直流机调速相比，具有更高的效率和更大的转动惯量，同时具有 维护方便，总体造价低的优势。不仅可以实现平滑无级调速，而且快速性能好， 功率因数高，电机功率消耗随工况负载大小同步变化，节电10%30%。适用于风 机、水泵、轧机、磨机、转炉倾动等各种低速大力矩传动场合。再如我国用电设 备大多为感性负载，这些负载由于功率因数很低在运行时需电网提供大量无功负 荷，需电网多提高供用电能力达20%。造

46、成电网供电能力下降;变压器和供电线 路电流增大有功损耗增加;严重时会使电压降低、波形畸变，造成用电设备误动 作及设备损坏。30-3 I :若采用就地动态无功补偿节电技术，对感性负载进行无功就地动态跟踪补偿 则可解决以上问题。从源头减少了无功消耗，改善用电设备对电网的影响;提高 电网供电能力，减少煤炭消耗和运输压力;减少电能消耗极大提高企业的节电效 益。总之，采用先进工艺和技术;实现高效率加强锅炉设备的燃烧管理改进作业 方法;改进燃烧装置提高燃烧效率;采用优质耐火绝热材料，减少各项热损失;加 强节能管理，提高操作水平等措施都是节能降耗的有效途径。转炉煤气回收的状况与水平，不仅从环保的角度反映了对

47、转炉烟气的治理状 况与水平，同时也是转炉炼钢能否达到负能炼钢的关键因素之一。近年来，我国 的转炉煤气回收利用技术和水平有了较大的改善，但是除了宝钢、武钢等回收水 平达到1 OOm3/t。外，其它企业的回收水平仍然在SOm3/t。左右。在转炉蒸汽 的回收利用方面，大部分企业转炉余热锅炉生产的饱和蒸汽除了自身的消耗以 外，还有大量的剩余，可以采用饱和蒸汽发电，不但可以充分利用饱和蒸汽，而 且还可以避免蒸汽放散所造成的浪费，又能提供电能，产生心的效益。本文对蒸 汽回收不作较多的陈述，主要研究转炉煤气的回收与利用。2.1转炉煤气的回收工艺世界上各工业发达国家，转炉均实现了煤气回收，以日本与德国的回收

48、水平最高，接下来是法国、原苏联。我国和原苏联的水平相当。美国的能源不紧 张，至今对转炉煤气不进行回收。目前世界上对转炉煤气的回收处理的方法有两 大类:一种是湿法系统，另一种是干法系统。342.1.1湿法工艺湿法处理方法有法国的I-C法（敞口烟罩），德国的KRUPP法（双烟罩）和 日本的OG法（单烟罩）三种，这三种处理工艺都是未然法湿式系统。日本的 OG法由于技术先进，运行安全可靠，目前已成为世界上最广泛采用的转炉煤气 回收处理的方法。OG法是一种对转炉煤气进行显热回收，继而进行湿法除尘净化再加以回收 的方法。当前世界上有90%以上的转炉煤气回收使用的是文氏管湿法除尘的方 式，并且它是以双级文氏

49、管为主。该方法可以阻止空气从转炉炉口流入，使转炉 煤气保持着不燃烧的状态，再经过冷却而回收。OG法的工艺流程为:利用汽化冷 却烟道将1600C转炉烟气冷却至9001000 0C，继而经过两级文氏管对炉气进行 降温和除尘，使烟气的温度到达100C以下，再经过脱水以后送入煤气柜回收或 者放散。OG法除尘以后产生了大量的污水和污泥，因此要经过旋流沉淀池、浓 缩池以及挤压机等复杂的工序进行污水、污泥处理。泥浆的处理问题是OG法主 要难题。如图2.1是OG法的工艺示意图：明21OG注的工艺流程Fig.2.lTechniesflowof0Gmetho2.1.2干法工艺德国鲁奇一帮森公司于1969年推出的高

50、压静电除尘净化转炉煤气的设 备（LT法）。至今在世界范围内已有40多套工业设备在各地钢厂中运行。煤气是一种易燃易爆气体，它的燃爆有两个必不可缺少的条件，氧气和 明火。在转炉炼钢中，空气是很容易地通过炉口与集烟罩之间的缝隙进入回收系 统的，而高压静电除尘器发生静电火花是在所难免的，因此，用高压静电除尘器 来净化转炉煤气，具有很大的危险性。然而这种净化煤气方法。从1969年至今 的生产运行中，并没有发生过爆炸件事故，且其技术经济指标比OG法还先进， 前者净化回收的煤气中的含尘浓度可降至1 Omg/m3（标），而OG法为 100mg/m3（标）。LT系统的关键设备是圆筒形干式高压静电除尘器，其特点是

51、充 分考虑了发生煤气爆炸的可能性，其外壳耐压为2x1护Pa，并配制有不同级别 的安全泄压阀。LT法的工艺流程如图2.2所示:转炉烟气从炉口出来以后通过活动烟罩，然 后进入汽化冷却烟道。一般情况下，炉气在炉口出来的时候温度是1700 0C，经 过汽化冷却烟道的出口以后变为800 C） 1000 C,假如再外加一段对流换热器的 话，烟气的温度就可以降至为450 0C 500 0C，同时也可以缓解一级蒸发冷却 器的负荷。蒸汽冷却器又可以将烟气的温度降至180 0C200 0C，还可以对烟气 进行增湿调质，以便降低烟尘的比电阻，为电除尘器的除尘效果提供了保障。电 除尘器的工作原理是利用电场进行除尘，一

52、般情况下设置3个电场，使得除尘的 效果可以达到99%。最后烟气经过电除尘器以后进入了除尘风机。，在除尘风机 中，煤气可以凭借风机出口的正压力、经过三通阀的切换，当煤气中CO30%时要进行回收。在煤气柜前，再设置二次冷却塔，可以使 煤气的温度降低到50 C左右，这不但可以减少煤气柜的容积还可以提高煤气的 质量。煤气柜内的煤气经过加压泵送至到用户使用。35Fig.2.2TechoiesflowofLTmethod2.2 OG法与LT法的对比OG法的优点主要有：.在日本，目前已将OG系统与转炉炉口连接的活动裙罩改成密闭式， 使从炉口与裙罩之间的缝隙进入的空气量大为减少，从而使转炉中产生的CO与 空气

53、中氧燃烧生成CO:的量减少，燃烧率由10%下降到3%，煤气的回收量增加 1Om3（标）/t（钢）。该密闭式控制是通过能自动跟踪工艺变化的控制模型实现的。.采用光导纤维观察器，可直接连续地观察炉内钢渣起泡动态.从而能 预报钢渣喷溅，以适时地采取措施制止钢渣喷溅，避免了因钢渣喷溅使密闭裙罩 与炉口粘连。.缩短了烟气成分的自动分析时间.从而使回收煤气的时间增加了 30so.除尘系统的流程比较简单，有文丘里管容易控制气流的压力，是经 典的柱塞流方式系统设计，所以煤气的回收量大。.将除尘与煤气冷却还有灭火紧密地结合在一起，可以与明火完全的 隔离，避免了因明火所引起的爆炸危险，能够保证系统的安全性。通过实

54、践，得出其缺点为：.需要大量的冷却水来冷去烟气，水资源的消耗量大；.经过处理以后，形成了大量的污水、污泥，很难处理；.该法的工艺流程比较长，能耗高，所以对环境的污染就严重；.因为使用的是文丘理管对烟气进行降温除尘，使烟气的流动性受阻， 流动阻力大，需要更大功率的风机。一方面浪费了电力，另一方面风机也容易损 坏，现场的维护比较困难；.因为吹炼的过程中烟气的流量变化比较大，所以一级文氏管除尘器 和二级文氏管除尘器喉部自动调节的精度不能满足炉气量变化的要求，可能造成 炉口烟气的溢出，造成环境污染;也可能在烟道中吸入大量的空气与CO发生反 应，降低了煤气的回收质量；.为了确保除尘的效果，转炉厂的二次除

55、尘系统一般采取用布袋除尘 器进行干法除尘，然而其设备与OG法的湿法除尘系统不能一块使用；.9000C 1000C的高温烟气通过喷水来迅速冷却，致使高温烟气的余 热未能够充分的回收利用。LT与OG相比来说，其工艺的优点是：.相比OG法的缺点，LT法回收的粉尘是干粉，节约了大量的冷却水， 避免了泥浆的污染与处理，少了很多污水的处理设备；OO .LT法的除尘效果比OG法要好，电的消耗量也少，煤气的回收质量 较高。LT法的缺点：)O.LT法的设备投资巨大，而且能量消耗高；zO.LT法回收烟气热量的时候，在9000C 1000C时的烟气的热能没有得 到有效的回收利用；.蒸发冷却器中并没有完全的熄灭明火，

56、并且为了确保蒸发冷却与除 尘效果，在蒸发冷却器与电除尘器的内截面变化大，气流的变化也大，容器内的 混合过程没有作比较周到的考虑，爆炸的危险性增大了；(实际上并没有发生过爆 炸).控制检测设备比较复杂，系统的维修和护理的工作量较大；O.LT法考 虑的系统是形成了柱塞流，然而实际的系统是混合流，因此，造成了蒸发冷却器 与电除尘器两个比较危险的爆炸热点，影响了系统的安全性。LT法与OG法的技术经济比较列于表2.1，表中的数据是一座年产钢13 万t的转炉。36表21 OG法与LT法的技术雄济比较表除尘方式湿法王芝干法艺炉座X炉容(t)E502x1501150M50基建投资1*218.5125205运行

57、费4.775,823.05+52收益13.01X013.013.0单产运行费3.674.妮2J53砒德国鲁奇公司2座150t转炉，干法LT与湿法OG净化回收的技术经济比较 如表2.2所示表2.2转炉煤气干法与湿法回收消耗比较T&ble 2.2 CQnsumptjg仍naf 邮 dy and wet gleaning ajid ixgtwery on项目下法湿法水的消耗血t30.13.0蒸汽的市枸t - tc0.005-氮气的消fern3 * f115天然气的沏耗而.005.电能洎隹7001900废气冷却烟站】.01.0电除尘券和煤气稔却器13-压块。,7文丘理-6,0泥紫处理-1.0电能消耗总

58、和10&0人工费用1.02.5注表中的数据是鲁奇对有关的统让的平均数雅2.3主要设备的简介活动烟罩在未然法烟气净化回收系统中，一般均采用可上下升降的活动烟罩，以 收集未然烟气。目前国内氧气顶吹转炉的活动烟罩，在形状上大致分为套环形和 伞形两类。套环形烟罩与日本OG法烟罩相似，其不同之处在于罩裙下缘斜度与 转炉炉口不吻合。当活动烟罩降至最低位置时，烟罩与转炉炉口形成间隙，因此 不能实现闭罩操作。同时，由于罩裙容积较小，缺乏烟气停留的缓冲空间，当炉 气突喷时，溢烟量很大，易污染车间环境。伞形罩与法国的“CAFL”罩相似，但 其罩裙容积却远没有“ CAFL 罩大，因此围绕在罩裙内部的烟气飘浮层也较薄

59、， 起不到缓冲作用。为了提高转炉煤气的回收量，设计结构、形状合理的活动烟罩是必要的。不仅要求烟罩的可靠性和耐用性，而且要求烟罩既保证回收煤气 的高质量，又尽可能地减少烟气的外溢，同时还要便于自动控制。汽化冷却器目前，无论采用燃烧法还是未然法处理烟气，烟道型式不外乎水冷烟道、 废热锅炉和汽化。汽化冷却烟道主要是利用辐射受热的方式，其结构较废热锅炉 简单，不仅降低了烟气的温度，大大减少了烟道的冷却水量，而且可回收一定数 量的蒸汽，既利用了部分物理热，又回收净化了煤气。因此，目前新设计的炉子 从本都采用汽化冷却烟道。文氏管在转炉烟气净化系统中，设置有二个文氏管，第一级系溢流定径文氏管， 主要是蒸汽降

60、温除去较粗的尘粒。第二级为调径文氏管，它除了净化和降温作用 外，还兼有调节转炉风机抽气量的作用，因此“二文”结构的好坏直接影响着烟 气净化效果和煤气的质量。国内“二文”的结构，一般分为重铭式及矩形喉口式 （包括翻板式、滑板式）两种。实际证明，这二种结构都存在易磨损、管体长、启 动力巨大和阻损高等缺点。采用椭圆形恨型）可调文氏管，其开度与压降基本卜 呈一次函数的关系，可以提高调节的灵敏度。洗涤塔洗涤塔可作为烟气的冷却及除尘设备。在转炉烟气净化流程中，通常采用 空心洗涤塔。按其结构及作用不同，可分为溢流快速洗涤塔、低速空心洗涤塔和 快速空心洗涤塔。前两种洗涤塔一般作为烟气净化流程中的第一级设备，将