钢铁工业的Exergy分析

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摘要：1Exergy分析法 Exergy的计算涉及到很多的变量参数(温度、组分、压力)，公式复杂，计算量大。为了提高计算效率，需要设计各工序的计算模型，编写Exergy计算程序，通过计算得到铁前各工序的输入、输出项物料Exergy值，利用系统Exergy平衡原理可以获得各工序的E

　　1Exergy分析法

　　Exergy的计算涉及到很多的变量参数(温度、组分、压力……)，公式复杂，计算量大。为了提高计算效率，需要设计各工序的计算模型，编写Exergy计算程序，通过计算得到铁前各工序的输入、输出项物料Exergy值，利用系统Exergy平衡原理可以获得各工序的Exergy效率、Exergy损失，从而更全面地掌握系统的Ex-ergy流走向。该文的Exergy计算程序是利用Java语言编写的，其编写出的可视化界面对系统Ex-ergy平衡有了更直观的认识和了解。只要将计算铁水Exergy所需的参数(各组分质量分数、温度)输入到文本框中，点击计算按钮即可得到各组分的温度Exergy、化学Ex-ergy、扩散Exergy以及铁水的总Exergy，然后将其计算结果返回到高炉工序平衡界面。如此往复，即可在各物质的Exergy计算界面计算出各物项的Exergy值，最终将结果返回到其所在工序，然后点击合计、Exergy效率按钮便可得到系统总Exergy值，各物项所占比例、Exergy效率以及Exergy损失。

　　2铁前工序的Exergy分析

　　对于铁前每一道工序的Exergy分析，首先需要建立各工序的物料平衡表，然后根据该工序的物料平衡关系计算与该物料相关的Exergy值，最后建立此工序的Exergy平衡表，从而更加直观、方便地对其进行Exergy分析。该文的生产数据皆是从国内某知名钢铁厂(千万吨级)采集而来。2.1焦化工序Exergy分析根据从焦化厂采集的生产数据，建立如表1的物料平衡关系表，进而利用Exergy计算模型，建立表2的焦化工序Exergy平衡关系。焦化厂生产数据:动力消耗:电耗78.1kWh/t(焦炭)燃料消耗:洗精煤1289.6kg/t、焦炉煤气213.2m3/t根据焦化工序建立的Exergy平衡关系，可以得到如下分析结果:热力学完善度:ε焦化=∑Ex，outEx，in=1－∑Ex，lossEx，in=1－7.72%=92.28%Exergy效率:η焦化=ex，productsex，in=66.93%+4.25%+0.28%+0.62%+15.98%=88.06%Exergy损失系数:内部λ焦化，in=7.74%外部λ焦化，out=2.17%+0.58%+1.45%=4.20%总Exergy损失系数:λ焦化=λ焦化，in+λ焦化，out=7.74%+4.20%=11.94%(1)焦化工序的有用输出Exergy存在于焦炭、焦油、粗苯、氨、净煤气这些产品当中，而且由于这些产品产量比重大，C、H、O元素含量很高，其燃料化学Exergy非常之高，因而其Exergy效率很高，占焦化系统总Exergy值的88.06%。(2)焦化工序的Exergy损失来源于焦炭显热、废气Exergy以及内部Exergy损失，其焦炭显热以及废气Exergy构成了外部Exergy损失占4.20%，内部Exergy损失占7.74%，来源于碳化室燃烧以及加热煤气传热过程不可逆Exergy损失。(3)焦化工序节能途径:提升焦炉燃烧室和碳化室直接的热传输效率，选用导热效率更高的耐火砖来使用;回收高温焦炭、废气、净煤气带来的物理显热，减少外部Exergy损失。2.2烧结工序Exergy分析烧结厂生产数据:原材料消耗:矿粉903.05kg/t熔剂消耗:白云石55.42kg/t、石灰粉43.98kg/t、白灰86.42kg/t燃料消耗:焦粉56.14kg/t、高炉煤气39.5m3/t动力消耗:电耗39.29kWh/t、蒸汽7.6kg/t、压缩空气18.8m3/t废气:41.72m3/t、返矿率:6.16%根据烧结厂Exergy平衡关系，可以得到如下分析结果:热力学完善度:ε烧结=∑Ex，outEx，in=1－∑Ex，lossEx，in=1－53.87%=46.13%Exergy效率:η烧结=ex，productsex，in=16.87%+1.18%+1.78%=19.83%Exergy损失系数:内部λ烧结，in=53.87%外部λ烧结，out=15.51%+1.08%+3.41%+5.57%+0.73%=26.3%总Exergy损失系数:λ烧结=λ烧结，in+λ烧结，out=53.87%+26.3%=80.17%(1)烧结过程的有用输出Exergy主要存在于烧结矿、返矿化学Exergy和回收蒸汽Exergy当中，但是其Exergy效率比较低，只有19.83%。(2)烧结过程的Exergy损失占整个系统Ex-ergy值的80.17%，而这其中内部Exergy损失为主要部分(53.87%)，这些损失来源于烧结过程中焦粉、煤气燃烧反应以及传热过程中的不可逆过程的Exergy损失。外部的Exergy损失占26.3%，烧结矿、废气显然占到18.92%，是外部Exergy损失的主要环节。(3)烧结工序节能途径:提高烧结机的燃烧效率，减少各反应层的传热损失，降低漏风率，回收烧结矿、废气、热返矿的物理显热，回收炉尘中的有用成分。2.3高炉工序Exergy分析根据2012年该厂全年高炉平均生产数据进行Exergy分析，其高炉冶炼的相关冶炼条件如下:固体消耗(生成量)，kg/t:焦炭340.68煤粉164.86小焦38.23综合焦炭503.16炉渣量347.5炉尘量20气体参数:热风温度1463.15K热风压力355kPa鼓风量1300m3/t富氧率3.02%炉顶煤气温度410.15K炉顶煤气压力211kPa冶炼强度，t/(dm3):焦炭冶炼强度0.775综合冶炼强度1.145利用系数2.247炉渣碱度Ｒ=1.16湿度0煤气量1830m3/t依据生产数据，建立如表5的物料平衡关系，再利用Exergy计算模型进行计算，从而建立表6的高炉Exergy平衡。依据该厂2012年平均生产数据建立起的高炉Exergy平衡关系，可以得到以下分析结果:热力学完善度［9］:ε高炉=∑Ex，outEx，in=1－∑Ex，lossEx，in=1－4.46%=95.54%Exergy效率:η高炉=ex，productsex，in=45.26%+41.13%+1.70%=88.09%Exergy损失系数:内部λ高炉，in=4.68%外部λ高炉，out=3.85%+0.86%+1.89%+0.63%=7.23%总Exergy损失系数:λ高炉=λ高炉，in+λ高炉，out=4.68%+7.23%=11.91%(1)高炉炼铁工序的有用输出Exergy来源于铁水、高炉渣、高炉煤气的化学Exergy，这些物质是高炉炼铁的主要产品，其带来的化学Ex-ergy占据了整个高炉炼铁系统主体，达到了88.09%。(2)高炉工序外部Exergy损失来源于铁水、高炉煤气、高炉渣的化学显热以及炉尘带走Ex-ergy，占7.23%，内部Exergy的损失源于高炉内部高温燃烧和传热过程的不可逆Exergy损失，占4.68%。总Exergy虽然只有11.91%但是由于高炉系统的基础Exergy数值很大，因此吨铁所损失的Exergy也很大。(3)高炉工序节能途径:降低高炉内部剧烈化学反应过程中伴随的热传递损失，提升高炉壁的隔热效果，选用耐腐蚀、耐高温、热导系数低的耐火砖，提升高炉煤气、高炉渣的显热回收率。

　　3结论

　　(1)节能的本质就是要提高产品的固有Ex-ergy(提高Exergy效率)，减少工艺过程内部和外部的Exergy流损失。(2)利用Exergy分析法对铁前工序进行节能降耗分析，不仅从能量的“数量”上进行了量化分析，还从能量的“品质”方面体现出能质的好坏，更科学，更具说服力。(3)焦化工序节能途径:提升焦炉燃烧室和碳化室直接的热传输效率，选用导热效率更高的耐火砖来使用;回收高温焦炭、废气、净煤气带来的物理显热，减少外部Exergy损失。(4)烧结工序节能途径:提高烧结机的燃烧效率，减少各反应层的传热损失，降低漏风率，回收烧结矿、废气、热返矿的物理显热，回收炉尘中的有用成分。(5)高炉工序节能途径:降低高炉内部剧烈化学反应过程中伴随的热传递损失，提升高炉壁的隔热效果，选用耐腐蚀、耐高温、热导系数低的耐火砖，提升高炉煤气、高炉渣的显热回收率。

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