能级分析方法研究及在钢铁企业蒸汽系统中的应用

（6）
系统的能级匹配系数为： E2i E3i 2 1 E1i

2i
Q
1i
Q2i 3i Q3i
1i
E4 1 1i Q1i
（7）
式中： —系统的能级匹配系数。 从上面的推导可以看出： （1）当把输出端损失项的能级看做为零 的话，能级匹配系数就等同于火用效率，这就表 示供给火用利用的程度。 （2 ）以能级匹配系数（ ）作为能量利 图 1 能量利用过程通用模型 图中： Q1 ， E1 ：能源供给设备的输入总能量 和输入总火用量； Q2 ， E 2 ：设备供给用户的输出总能量和 输出总火用量； Q3 ， E3 ：设备损失的总能量和总火用量； 用合理性的评价指标要比火用效率( e )合理。因 为能级匹配系数可以表征大系统用能过程的 能量利用合理性，而后者只能表征子系统的热 力学完善性。 （3 ）能级匹配系数（ ）的取值范围是 0~1 之间，能级匹配系数越趋近于 1，表示系 统用能越合理。
输出端的折合能级为： E E3 E2i E3i 2 2 Q2 Q3 Q2i Q3i
钢铁厂余热回收主要包括干熄焦、烧结、 炼铁、炼钢和轧钢的余热回收。下面以干熄焦 工序的余热回收为代表，从用能合理性的角度 对工序的余热回收系统进行热力学分析，并结 合分析的结果提出改进措施。 （1）设备及生产情况 某钢铁企业现有四座 70 孔 7.63m 焦炉， 年产 340 万 t，两套 CDQ 设备，处理能力为 260t/h，两台余热锅炉，设计生产蒸汽 134t/h， 最大达到 151t/h，蒸汽参数 4.6MPa，450℃，2 台 25MW 汽轮机，各带一台 30MW 发电机， 两余热锅炉通过母管与汽轮机连接。每吨焦发 电量为 120kW· h，并可回收 1.0MPa、250℃的 蒸汽 200~230kg[3]。 （2）余热蒸汽回收系统热力计算 1）红焦的出炉温度大约为 1050℃左右， 红焦的平均比热容为 1.327kJ/(kg· K)。 红焦含有的热量为： Qj c p m(t t0 ) 1.367GJ/ t （8） 式中： cp—红焦的平均比热容， 1.327 kJ/(kg· K)； m—红焦的质量，1000kg；
Q dw —焦炭发热量，30350.88 kJ/kg。
焦炭的能级为： rs 1.0 。 每吨焦的发电量为 120kW· h 左右， 折合成 能量为：
（18） 2）若把红焦显热直接用来生产低压蒸汽， 平均每熄 1t 焦炭可回收 1.0MPa、 250℃蒸汽量 525~565kg。同理可计算出干熄焦系统的能级 匹配系数为 0.404， 工序节能量为 24.48 kgce/t。
（16）
干熄焦系统的能级匹配系数为：
（9） 焦炭在干熄炉内的烧损散发的热量为：

工序节能量：
Qrs GhjGsxQ dw 0.413 GJ/t （10）
式中： Ghj —红焦的重量，1000kg；
2 0.538 1
（17）
G sx —焦炭烧损率，1.36%；
B
Qd d Ez Qs s k 32.70 kgce/t 1
Energy Level Analysis Method and Application in Steam System of Iron and Steel Enterprise
ZHANG Ge LIU Chao ZHANG Da-Wei
(1 SEP Key Laboratory of Eco-industry, Northeastern University Shenyang 110819; 2 SIPPR Engineering Group Co., Ltd., Tianjin Branch Tianjin 300384)
第七届全国能源与热工学术年会
能级分析方法研究及在钢铁企业蒸汽系统中的 应用
张 革1 刘 超 1 张大伟 2
（1 东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 沈阳 110819； 2 机械工业第六设计研究院天津分院 天津 300384）
摘 要：介绍了能量系统的三种热力学分析方法，并分析了能量守恒分析方法和火用分析方法的局限性，以此引出 能级分析法，提出了能级匹配系数的概念，并对其表达式进行了推导。利用推导的公式对干熄焦余热回收系统进行 了能级分析。 关键词：能级分析；能级匹配系数；钢铁企业；蒸汽系统
余热余能回收与工艺优化
2 1
（2）
火用平衡方程为：
现对各种能量利用过程提出一个统一的 模型（图 1），在钢铁企业中，输入端可以是 红焦余热、高压蒸汽、烧结余热等；设备有很 多种，包括余热锅炉、热电机组、减温减压装 置、输送管网等；输出端可以是低压蒸汽、电 能、机械功等。
E
1i
E2i E3i E4
对于图中的系统，有热平衡方程为：
Q
1i
Q2i Q3i
（5）
第七届全国能源与热工学术年会
t—红焦的出炉温度，1050℃； t0—环境温度，20℃。 红焦的能级为： T T j 1 0 ln 0.57 T T0 T0
2
Q Q
i i
i

Qd d Ez Qs s 0.36 Qd Qz Qs
[1] 田永华. 钢铁企业蒸汽合理利用及优化分配研究 [D]．东北大学，2011. [2] 杨东华. 火用分析和能级分析[M]．北京：科学出版 社，1986. [3] 杨鑫秋. 钢铁企业蒸汽系统优化分配研究[D]．东 北大学，2012.
根据能量守恒原理，转化过程中损失的热 量为：
Qs Q j Q rs Qd Qz 0.67 GJ/t （14）
表1
回收方式 发电抽汽 低压蒸汽
Qd 120 3.6 1000 kJ/ t 0.432 GJ/t
电能的能级为： d 1 。 回收的余热蒸汽含有的热量为： Qz mz hz 0.678GJ/ h （11） 式中： mz —回收余热蒸汽的质量，230 kg；
干熄焦工序余热蒸汽回收分析结果
232
Q Q Q
2i 2i 2i
3i
Q3i
（4）
3i
式中： 2 —输出端的折合能级；
E2i —输出端供给用户 i 能量的火用； E3i —输出端损失 i 能量的火用； 3i —输出端损失 i 能量的能级； Q2i —输出端供给用户 i 能量的能量； Q3i —输出端损失 i 能量的能量； 2i —输出端供给用户 i 能量的能级。
231
具，为能量系统优化提供了理论依据。本文在 此基础上对能级分析法进一步研究，提出能级 匹配系数的概念并对其表达式进行了推导。最 后对钢铁企业的余热回收系统进行能级分析。
2
能级分析方法的研究
2.1 能级的基本概念 能级（Ω）是反映能量品质的一个物理量， 定义为能量的火用值（E）与供应的总能量（Q） 之比[2]，即： （1） E Q 2.2 能级匹配系数的推导及分析 本文在能级概念的基础上提出了能级匹 配系数（ ）的概念，定义为输出端折合能级 （ 1 ）与输入端折合能级（ 2 ）之比，即：
s z — 回 收 余 热 蒸 汽 比 熵 ， 6.9266
kJ/(kg/K)； s0 — 环 境 状 态 下 蒸 汽 比 熵 ， 8.665 kJ/(kg/K)。 回收的余热蒸汽的总火用为：
4
结论
Ez ez mz 0.21GJ/t
（13）
（1）利用能级匹配系数作为能级分析法 的评价指标对能量利用系统进行分析，更加体 现系统用能的合理性。 （2）干熄焦工序采用发电抽汽方式回收 余热比生产低压蒸汽节能。建议钢厂对红焦余 热采用动力回收。 参考文献
（3）余热蒸汽回收系统热力分析 从上表计算结果可以看出：红焦显热采用 干熄焦方法回收比采用直接生产低压蒸汽方 法回收更合理，能级匹配系数前者大于后者， 焦化工序能耗的降低前者是后者的 1.34 倍。 虽 然采用干熄焦方法回收的有效能比采用直接 生产低压蒸汽的方法回收的多，但还是有很多 火无被散失了。全面的用能和节能观点，应该是 既要节火用，也要节火无。因此，干熄焦工序仍有 很大的节能潜力。
由于损失的热量没有被利用，所以规定损 失热量的能级为零，即 s 0 。 所以，干熄焦系统输入端的能级为：
1
Q Q
i i
i

Q j j Qrs rs Q j Qrs
0.669
（15）
干熄焦系统输出端的能级为：
233
Abstract: This article states the three thermodynamic analysis methods of energy systems, and analyzes the limitations of energy conservation and exergy method. Therefore, this article introduces the energy level analysis method, and puts forward the concept of energy level matching coefficient and deduces its expression. This article conducts energy level analysis for dry quenching waste heat recovery system with derivation of the formula. Key Words：energy level analysis; energy level matching coefficient ;iron and steel enterprise; steam system
E 4 ：用能设备的内部不可逆损失量。
输入端的折合能级为：
式中： 1 —输入端的折合能级；
E E1i 1i Q1i 1 1 Q1 Q1i Q1i
3
（3）
余热蒸汽回收过程分析
E1i —输入端 i 能量的火用； 1i —输入端 i 能量的能级； Q1i —输入端 i 能量的能量。
能级匹配系数 0.538 0.403 工序节能量（kgce/t） 32.70 24.48
hz —回收余热蒸汽的比焓，2943.22 kJ/h。
回收的余热蒸汽比火用为：
ez (hz h0 ) T0 (s z s0 ) 915.37 kJ/kg
（12） 式中： h0 — 环境状态下蒸汽比焓， 2537.20 kJ/h；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
引言
目前，能量系统的热力学分析方法主要有 三种：一种是基于热力学第一定律基础之上的 能量守恒方法；另两种是基于热力学第一和第 二定律基础之上的火用分析方法和能级分析方 法[1]。能量守恒方法是从能量的数量方面分析 能量被利用的程度，并不能全面反映能量被利 用的合理性。火用分析方法是从能量中有效能— 火用的数量方面分析火用被利用的程度，这种方法 对于揭示能量系统中的用能薄弱环节无疑是 十分重要的，也是十分有效的。但是，火用分析 方法不能从能量的品质方面分析供应的能量 品质是否与用户需要的匹配。在能量系统火用分 析研究基础上发展起来的能级分析法是一种 新的热力学分析方法，它为解决供能与用能之 间能量品质的合理匹配问题提供了有力的工