钢铁企业基于能耗指标分解模型的情景分析
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[ 4] [ 3] [ 2]
式中 , T otal为能耗指标的变化 , 反 映的是目标情景 与基准情景之间主工序吨钢能耗的比值 ; SE 为产品 结构因子 ; IE 为能耗强度因子 . 这样 , 就把 T ota l分解为 SE 和 IE 两项 . 只要求 出 SE 和 IE, 也就能算出 T o ta, l 从而得到能耗指标的 分解结果 . 1 2 模型的特点 钢铁生产过程可以分为三级结构 , 钢铁生产 总流程称为第一级结构 ; 主工序中炼铁、 炼钢和轧钢 三个工序段, 称为第二级结构 ; 每个工序段包括相应 的工序, 称为第三级结构 . 其中 , 炼铁工序段包括烧 结、 炼焦和高炉工序. 因 A 厂高炉工序主要使用烧 结矿生产 , 只消耗少量球团矿和块矿, 故将烧结与炼 焦工序列为炼铁段铁 前工序, 而不考虑造球工 序. 炼钢工序段包括焙烧、 一炼钢、 二炼钢和电炉工序. 焙烧工序主要生产活性石灰和轻烧白云石, 块石灰 和块轻烧白云石供给转炉炼钢和电炉炼钢, 粉石灰 供给烧结使用 . 转炉炼钢和电炉工序之间为并联关 系. 轧钢工序段包括初轧、 高线、 热轧、 冷轧、 钢管和 厚板六部分, 在模型中列为六道工序 . 从物流角度 上看 , 炼铁、 炼钢和轧钢工序段之间是串联关系, 而 各工序段包含的工序之间关系比较复杂 , 但并不影 响模型的应用 . 事实上, 前文 所述的 SE ( 产品 结构 因子 ) 、I E ( 能耗强度 因子 ) 和 To tal( 能耗指 标变化 ) , 可以针 对钢铁生 产的三 级结 构, 计 算相 应级 的 SE、IE 和 T ota,l 而且 , 从总流程到工序段的 SE 都满足乘积的 关系 , 即 SE总流程 = SE炼铁工序段 SE炼钢工序段 SE轧钢工序段 , ( 2) 同理 , 从工序段到工序间的关系也满足乘积规律 , 以 炼铁工序段为例: SE炼铁工序段 = SE烧结 SE炼焦 SE炼铁 . ( 3) 炼钢和轧钢工序段的 SE 分别等于其工序段内 各工序的 SE 之乘积. IE 和 T ota l类同 . 这样的乘积 规律为将模型应用到前面提到的三级结构中提供了 可能性.
1 能耗指标分解模型的原理与方法
1 1 模型的建立 对于钢铁生产这样的复杂流程 , 通过物质流和 能量流的分解建立工序之间的关系, 可用数学模型 来描述其能耗情况, 包括各个工序的能耗对吨钢综 合能耗的影响以及各个工序能耗之间的关系. 能耗指标分解模型的核心是把能耗指标进行分 解 , 分解后包含能耗强度因子和产品结构因子两部 分 . 为了结合钢铁厂习惯用钢比系数的实际情况 , 用工序能耗来衡量能耗强度因子, 用钢比系数来衡 量的产品结构因子. 工序能耗是指某工序生产单位 产品消耗的能量 , 钢比系数是指某工序的产品产量 与钢产量的比值 . 经过一系列的加和积分以及离散 化等数学方法处理后 : T o tal= SE IE. ( 1)
) , 男 , 副教授 , 博士 , E m ai: l baih ao@ m etal.l us tb . edu. cn
! 1514!
北
京
科
技
大
学
学
报
第 32 卷
吨钢综合能耗分解为钢比系数和工 序能耗两个方 面 , 可以在物质流和能量流两个角度上分析它们对 钢铁厂能耗水平的影响情况 . 目前, 企业节能潜力的分析多采用对比分析方 法 , 即与同行业先进企业进行比较. 这种方法的局 限性在于它只能分析与特定企业之间的差距 , 而无 法对未来的发展趋势做出预测 . 情景分析法是近几 十年来逐渐兴起的分析预测方法, 该方法最早用在 军事上 . 目前, 许多世界著名的跨国公司 , 如美国壳 牌石油公司、 德国 BASF公司、 戴母勒 - 奔驰公司和 美国波音公司等在制定战略规划时都使用该方法 . 在国内外的很多大型企业中 , 情景分析法已被应用 到包括战略决策、 成本、 销量、 产量和能耗等各方面 . 尤其是在评 价 CO2 等温室 气体 排放 、 交通 工具 替代 燃 料 的 环 境 影 响 及 以 政 府 环 境 政 策 等 方 面
Scenario analysis based on the deco mposition model of energy consumption index in a steel p lant
BA I H ao1 ) , MA Yang 1 ) , WANG Gang 2 ) , CAN G D a q iang 1 ) , ZHANG X in 1,
第 32 卷 第 11 期 2010 年 11 月
北
京
科
技
大
学
学
报
Vo. l 32 N o . 11 N ov . 2010
Jou rnal of U niversity of Sc ie百度文库ce and T echno logy B eijing
钢铁企业基于能耗指标分解模型的情景分析
白 皓
1)
马
扬
1)
收稿日期 : 2010- 04- 07 作者简介 : 白 皓 ( 1969
钢综合能耗来评价钢铁厂能耗水平. 科学计算和分 析吨钢综合能耗, 对提高钢铁厂用能效率, 进一步降 低能耗具有重要意义. 能耗指标分解的方法是一种 将某个行业能耗的变化分解为能耗强度因子和产品 结构因子的方法, 在纺织、 食品、 制造和化工等行业 已有广泛应用 . 根据能耗指标分解模型的原理, 将
内某钢铁厂 2009 年和 2012 年的能耗水平 , 构建了先进工序能耗、 近期可行及远期可能余热回收情景 , 其中近期可行 余热回收 情景只涉及烧结烟气 、 热轧烟气和冷轧高温烟气的余热回收 , 远期可能余热回收情 景则包括 各工序排放 的高温烟气 和固体废 弃物的余热回收 . 通过对各情景的比较 , 得出节能效果最好的是先进工序能耗情景 , 近期可行余热回收节能效果并不显 著 , 远 期可能余热回收可较 大幅降低能耗 , 最后提出了应用先进电炉预热技术、 发展高温 固体余热 回收技术及 提高轧钢工 序余热回 收等进一步节能的建 议 . 关键词 分类号 钢铁工业 ; 能耗 ; 节 能 ; 情景分析 F 407 3; TK 01+ 8
钢铁工业是资源、 能源密集型产业 , 面临资源、 能源和环境对其进一步发展的制约 . 据估计 , 我国 的重点钢铁企业吨钢可比能耗比世 界先进水平高 15% , 因此必须对冶金企业可能的节能空间进行正 确 的 评 估 和计 算 , 给 企 业 提 供 节 能 的 目 标和 方 [ 1] 向 . 在评价钢铁厂的能耗方面 , 国内外主要以吨
3)
1) S ch ool of M etal lurg ical and E colog ical Eng ineering, U n iversity of Science and T echnology B eijing, Beij ing 100083 , Ch in a 2) Iron M ak ing D epart m en t , CI SD I Eng ineering Co. Ltd . , Chongq ing 400013 , Ch in a 3) Ch ina Internat ion al Eng ineering Con su lting C orporat ion, Beijing 100048 , Ch ina
王
刚
2)
苍大强
1)
张
鑫
1, 3 )
1) 北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 100083 3) 中国国际工程咨询公司 , 北京 100048
2) 中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁事业部 , 重庆 400013
摘
要
在钢铁厂能耗指标分 解模型的基础上运用情景分析法 , 对钢铁厂的主工序 吨钢能耗情况进行分析和预测 . 为评价国
AB STRACT O n the basis o f the decomposition m ode l of energy consumption index, the ene rgy consum ption pe r ton stee l in m ain processes w as forecasted and analyzed by us ing scenario ana lys is . In order to eva luate the ene rgy consum ption o f a do m estic steel plant in 2009 and 2012, scenar io swh ich respectively considered feasib le low est process energy consum ption ( FLPEC), feasib le and po ssib le w aste heat reusing techno log ies w ere built . In the feasible scenar io , only the w aste hea t of h igh temperature flue gas in sinte ring , hot and coo l rolling pro cesses w as recoverab le , wh ile the hea t recovery o f flue gas and so lid in ev ery process w as considered in the po ssib le scenar io . Through compar ing these scena rio s , it is concluded that the energy sav ing effect o f the FLPEC scenar io is the best , and the feasib le techno log ies have little effec t while the possib le techno log ies can reduce energy consumption significantly . F ina lly , so m e sug gestions for furthe r energy sav ing wo rk are propo sed, such as app ly ing advanced prehea ting techno log ies in e lectr ic arc furnaces , deve l op ing h igh temperatu re so lid heat recovery techno log ies and i m prov ing the w aste heat recov ery in ro lling process. K EY W ORDS iron and stee l industry ; energy consum ption ; ene rgy sav ing ; scenar io analysis
[ 6] [ 4]
, 情景分析法已被广泛运用 . 运用该方法可以
对一个经济体 的决策、 成 本、 销量、 产量 和能 耗等 进行前瞻性的分析. 但是 , 情景分析法在钢铁厂的 运用还仅仅是 停留在 总煤炭 消耗一 个层 面, 而且 往往构建的情 景不够丰富
[ 5]
. 本研究设定 国内某
综合钢铁企业 ( 以下 简称 A 厂 ) 2007 年的能 耗状 况和产量 为基础 情景 , 在 2009 年 和 2012 年 的产 量基础上, 结合钢铁冶金行业先进工序能耗 ( feasi b le low est process energy consum ption, FLPEC ) 和余 热的回收, 构建了多种 情景, 并利用能量 指标分解 方法 , 从主流程、 工序段和工序三个层次 对该钢铁 厂的能耗情况 进行情 景分析 , 从 而全面 地发 掘其 节能潜力, 为 未来的 节能 工作提 供可靠 的方 向和 思路 .
式中 , T otal为能耗指标的变化 , 反 映的是目标情景 与基准情景之间主工序吨钢能耗的比值 ; SE 为产品 结构因子 ; IE 为能耗强度因子 . 这样 , 就把 T ota l分解为 SE 和 IE 两项 . 只要求 出 SE 和 IE, 也就能算出 T o ta, l 从而得到能耗指标的 分解结果 . 1 2 模型的特点 钢铁生产过程可以分为三级结构 , 钢铁生产 总流程称为第一级结构 ; 主工序中炼铁、 炼钢和轧钢 三个工序段, 称为第二级结构 ; 每个工序段包括相应 的工序, 称为第三级结构 . 其中 , 炼铁工序段包括烧 结、 炼焦和高炉工序. 因 A 厂高炉工序主要使用烧 结矿生产 , 只消耗少量球团矿和块矿, 故将烧结与炼 焦工序列为炼铁段铁 前工序, 而不考虑造球工 序. 炼钢工序段包括焙烧、 一炼钢、 二炼钢和电炉工序. 焙烧工序主要生产活性石灰和轻烧白云石, 块石灰 和块轻烧白云石供给转炉炼钢和电炉炼钢, 粉石灰 供给烧结使用 . 转炉炼钢和电炉工序之间为并联关 系. 轧钢工序段包括初轧、 高线、 热轧、 冷轧、 钢管和 厚板六部分, 在模型中列为六道工序 . 从物流角度 上看 , 炼铁、 炼钢和轧钢工序段之间是串联关系, 而 各工序段包含的工序之间关系比较复杂 , 但并不影 响模型的应用 . 事实上, 前文 所述的 SE ( 产品 结构 因子 ) 、I E ( 能耗强度 因子 ) 和 To tal( 能耗指 标变化 ) , 可以针 对钢铁生 产的三 级结 构, 计 算相 应级 的 SE、IE 和 T ota,l 而且 , 从总流程到工序段的 SE 都满足乘积的 关系 , 即 SE总流程 = SE炼铁工序段 SE炼钢工序段 SE轧钢工序段 , ( 2) 同理 , 从工序段到工序间的关系也满足乘积规律 , 以 炼铁工序段为例: SE炼铁工序段 = SE烧结 SE炼焦 SE炼铁 . ( 3) 炼钢和轧钢工序段的 SE 分别等于其工序段内 各工序的 SE 之乘积. IE 和 T ota l类同 . 这样的乘积 规律为将模型应用到前面提到的三级结构中提供了 可能性.
1 能耗指标分解模型的原理与方法
1 1 模型的建立 对于钢铁生产这样的复杂流程 , 通过物质流和 能量流的分解建立工序之间的关系, 可用数学模型 来描述其能耗情况, 包括各个工序的能耗对吨钢综 合能耗的影响以及各个工序能耗之间的关系. 能耗指标分解模型的核心是把能耗指标进行分 解 , 分解后包含能耗强度因子和产品结构因子两部 分 . 为了结合钢铁厂习惯用钢比系数的实际情况 , 用工序能耗来衡量能耗强度因子, 用钢比系数来衡 量的产品结构因子. 工序能耗是指某工序生产单位 产品消耗的能量 , 钢比系数是指某工序的产品产量 与钢产量的比值 . 经过一系列的加和积分以及离散 化等数学方法处理后 : T o tal= SE IE. ( 1)
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第 32 卷
吨钢综合能耗分解为钢比系数和工 序能耗两个方 面 , 可以在物质流和能量流两个角度上分析它们对 钢铁厂能耗水平的影响情况 . 目前, 企业节能潜力的分析多采用对比分析方 法 , 即与同行业先进企业进行比较. 这种方法的局 限性在于它只能分析与特定企业之间的差距 , 而无 法对未来的发展趋势做出预测 . 情景分析法是近几 十年来逐渐兴起的分析预测方法, 该方法最早用在 军事上 . 目前, 许多世界著名的跨国公司 , 如美国壳 牌石油公司、 德国 BASF公司、 戴母勒 - 奔驰公司和 美国波音公司等在制定战略规划时都使用该方法 . 在国内外的很多大型企业中 , 情景分析法已被应用 到包括战略决策、 成本、 销量、 产量和能耗等各方面 . 尤其是在评 价 CO2 等温室 气体 排放 、 交通 工具 替代 燃 料 的 环 境 影 响 及 以 政 府 环 境 政 策 等 方 面
Scenario analysis based on the deco mposition model of energy consumption index in a steel p lant
BA I H ao1 ) , MA Yang 1 ) , WANG Gang 2 ) , CAN G D a q iang 1 ) , ZHANG X in 1,
第 32 卷 第 11 期 2010 年 11 月
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钢铁企业基于能耗指标分解模型的情景分析
白 皓
1)
马
扬
1)
收稿日期 : 2010- 04- 07 作者简介 : 白 皓 ( 1969
钢综合能耗来评价钢铁厂能耗水平. 科学计算和分 析吨钢综合能耗, 对提高钢铁厂用能效率, 进一步降 低能耗具有重要意义. 能耗指标分解的方法是一种 将某个行业能耗的变化分解为能耗强度因子和产品 结构因子的方法, 在纺织、 食品、 制造和化工等行业 已有广泛应用 . 根据能耗指标分解模型的原理, 将
内某钢铁厂 2009 年和 2012 年的能耗水平 , 构建了先进工序能耗、 近期可行及远期可能余热回收情景 , 其中近期可行 余热回收 情景只涉及烧结烟气 、 热轧烟气和冷轧高温烟气的余热回收 , 远期可能余热回收情 景则包括 各工序排放 的高温烟气 和固体废 弃物的余热回收 . 通过对各情景的比较 , 得出节能效果最好的是先进工序能耗情景 , 近期可行余热回收节能效果并不显 著 , 远 期可能余热回收可较 大幅降低能耗 , 最后提出了应用先进电炉预热技术、 发展高温 固体余热 回收技术及 提高轧钢工 序余热回 收等进一步节能的建 议 . 关键词 分类号 钢铁工业 ; 能耗 ; 节 能 ; 情景分析 F 407 3; TK 01+ 8
钢铁工业是资源、 能源密集型产业 , 面临资源、 能源和环境对其进一步发展的制约 . 据估计 , 我国 的重点钢铁企业吨钢可比能耗比世 界先进水平高 15% , 因此必须对冶金企业可能的节能空间进行正 确 的 评 估 和计 算 , 给 企 业 提 供 节 能 的 目 标和 方 [ 1] 向 . 在评价钢铁厂的能耗方面 , 国内外主要以吨
3)
1) S ch ool of M etal lurg ical and E colog ical Eng ineering, U n iversity of Science and T echnology B eijing, Beij ing 100083 , Ch in a 2) Iron M ak ing D epart m en t , CI SD I Eng ineering Co. Ltd . , Chongq ing 400013 , Ch in a 3) Ch ina Internat ion al Eng ineering Con su lting C orporat ion, Beijing 100048 , Ch ina
王
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张
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1) 北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 100083 3) 中国国际工程咨询公司 , 北京 100048
2) 中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁事业部 , 重庆 400013
摘
要
在钢铁厂能耗指标分 解模型的基础上运用情景分析法 , 对钢铁厂的主工序 吨钢能耗情况进行分析和预测 . 为评价国
AB STRACT O n the basis o f the decomposition m ode l of energy consumption index, the ene rgy consum ption pe r ton stee l in m ain processes w as forecasted and analyzed by us ing scenario ana lys is . In order to eva luate the ene rgy consum ption o f a do m estic steel plant in 2009 and 2012, scenar io swh ich respectively considered feasib le low est process energy consum ption ( FLPEC), feasib le and po ssib le w aste heat reusing techno log ies w ere built . In the feasible scenar io , only the w aste hea t of h igh temperature flue gas in sinte ring , hot and coo l rolling pro cesses w as recoverab le , wh ile the hea t recovery o f flue gas and so lid in ev ery process w as considered in the po ssib le scenar io . Through compar ing these scena rio s , it is concluded that the energy sav ing effect o f the FLPEC scenar io is the best , and the feasib le techno log ies have little effec t while the possib le techno log ies can reduce energy consumption significantly . F ina lly , so m e sug gestions for furthe r energy sav ing wo rk are propo sed, such as app ly ing advanced prehea ting techno log ies in e lectr ic arc furnaces , deve l op ing h igh temperatu re so lid heat recovery techno log ies and i m prov ing the w aste heat recov ery in ro lling process. K EY W ORDS iron and stee l industry ; energy consum ption ; ene rgy sav ing ; scenar io analysis
[ 6] [ 4]
, 情景分析法已被广泛运用 . 运用该方法可以
对一个经济体 的决策、 成 本、 销量、 产量 和能 耗等 进行前瞻性的分析. 但是 , 情景分析法在钢铁厂的 运用还仅仅是 停留在 总煤炭 消耗一 个层 面, 而且 往往构建的情 景不够丰富
[ 5]
. 本研究设定 国内某
综合钢铁企业 ( 以下 简称 A 厂 ) 2007 年的能 耗状 况和产量 为基础 情景 , 在 2009 年 和 2012 年 的产 量基础上, 结合钢铁冶金行业先进工序能耗 ( feasi b le low est process energy consum ption, FLPEC ) 和余 热的回收, 构建了多种 情景, 并利用能量 指标分解 方法 , 从主流程、 工序段和工序三个层次 对该钢铁 厂的能耗情况 进行情 景分析 , 从 而全面 地发 掘其 节能潜力, 为 未来的 节能 工作提 供可靠 的方 向和 思路 .