钢铁工业余热余能及节能技术能效提升研究

摘要

钢铁工业作为主要耗能大户，其消耗的一次能源中大部分转换为冶金伴生煤气和余热余能等二次能源。文献研究表明余热余能回收利用对于减少一次能源消耗和提升系统能效作用显著。但是，由于缺乏系统及实用的研究方法，中国钢铁工业余热余能的数量很难被量化分析。另外，以往的研究侧重热力学理论层面的节能潜力挖掘，在节能技术的收益和成本效益方面较为薄弱，已经严重阻碍了技术在全行业的快速普及应用。本文以节能潜力巨大的钢铁工业余热余能为主要研究对象，应用热力学第一定律、第二定律及热经济学相关理论，旨在挖掘余热余能实际潜力，为实现钢铁生产系统能效最大化及相应的能源成本最小化提供科学可靠的理论依据。 本文首先综述了余热余能研究理论与评价方法，指出传统研究方法的片面性和局限性，确立以(炯)分析、矩阵模式热经济学和节能供应曲线(ECSC)作为主要研究方法，进而，提出了一套新评价指标，即从用能合理性、技术可行性、投资经济性等3个方面全面评价余热余能及技术能效提升。 通过构建工序层次的能量流、(炯)量流代谢模型，基于企业实际生产数据，全面分析钢铁生产系统余热余能资源量、品质、主要回收技术及节能潜力。最终，构造出一个典型基准流程，应用e!Sankey软件绘制系统的能流图、(炯)流图。分析结果表明烧结工序的(炯)效率仅为18.76％。但是，系统损失最大的部位是在高炉工序，其总(炯)损失系数为17.59％。当前技术水平下，钢铁生产系统的热回收效率和(炯)回收效率分别为40.15％和24.92％，其中焦化工序的回收率最高。本文统计的13项余热余能利用技术可以使系统的(炯)效率提升2％。 基于热力学分析模型，根据热经济学结构理论，构建一整套“多流耦合”复杂生产系统的通用热经济学建模方法和故障诊断平台。具体包括建立钢铁生产系统物理结构模型，应用能量系统热经济学软件(TEASS)构建热经济学模型，计算64股(炯)流的单位(炯)成本，研究系统主要产品成本形成的热力学过程和分布规律，量化诊断各工序故障成本和不可逆增加的原因。结果表明，烧结工序的单位(炯)成本最高，其故障成本约占系统总故障成本的51.4％。与基准态相比，增加余能回收系统的实际运行态能够减少系统额外消耗资源量347.0MJ。 建立ECSC模型分析35项节能技术收益和成本效益。结果表明全部技术累积节能量为3.08GJ/t钢，其中具有成本效益的19项技术节能量占比62.67％，而高炉高效喷煤技术的节能成本最低。情景分析结果表明技术普及是能耗降低的主要驱动力，敏感性分析表明能源价格和贴现率对节能技术的成本效益影响最大。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．1．1中国钢铁工业节能降耗现状

1．1．2余热余能回收利用综述

1．1．3节能潜力及能效提升研究综述

1．2研究目的与意义

1．3研究思路与方法

1．4论文结构

第2章余热余能分析方法与评价指标

2．1热力学分析方法

2．1．1能分析法

2．1．2熵分析法

2．1．3(火用)分析法

2．2热经济学分析法

2．2．1热经济学分析法产生与发展

2．2．2热经济学分析法在国内的研究与应用

2．3 ECSC分析法

2．4余热余能评价指标

2．5本章小结

第3章钢铁生产系统余热余能及利用技术分析

3．1钢铁生产及系统边界的划定

3．2构建能量代谢模型

3．3工序能量流/(火用)量流分析

3．3．1高炉工序能量流/(火用)量流分析

3．3．2其他工序能量流/(火用)量流分析结果

3．3．3工序余热余能评价指标结果分析

3．4系统能量流/(火用)量流结果分析

3．5本章小结

第4章钢铁生产系统热经济学分析与故障诊断

4．1矩阵模式热经济学基础

4．1．1描述系统的事件矩阵

4．1．3(火用)成本

4．1．4平均成本与边际成本

4．1．5成本平衡方程

4．2热经济学建模

4．2．1物理结构模型

4．2．2生产结构模型

4．2．3成本分布活动研究

4．3钢铁生产系统(火用)成本分析

4．3．1基准态(火用)成本分析

4．3．2实际运行态(火用)成本分析

4．4热经济学故障诊断

4．5本章小结

第5章钢铁工业节能技术成本效益与潜力研究

5．1技术经济分析基础

5．1．1基本要素

5．1．2资金的时间价值

5．2技术经济评价指标与方法

5．2．1 ECSC模型构建

5．2．2投资回收期模型构建

5．3．1数据与基本假设

5．3．2节能技术评价结果分析

5．3．3不同情景下未来节能潜力预测

5．4敏感性分析

5．4．1贴现率

5．4．2能源价格

5．4．3投资成本

5．4．4成本补贴

5．5本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文