钢铁联合企业煤气资源合理利用及优化分配研究

论文摘要

钢铁生产过程是复杂的铁—煤化工过程,洗精煤、高炉喷吹用煤等含碳能源经过转换、回收、使用等环节直到最终二氧化碳排放形成能量流,推动铁素流从天然资源到钢铁产品的转换,其中,碳素流是能量流的主体。煤气是碳素流的主要组成部分,是钢铁联合企业中重要的二次能源,占企业能源消耗总量的30%左右。所以,正确地认识钢铁联合企业中煤气供需关系的变化规律,科学地规划、实施煤气的生产、储存、分配和利用,特别是富余煤气的缓冲使用策略,对优化利用钢铁联合企业的煤气资源,降低吨钢能耗、减少二氧化碳排放都有十分重要的意义。论文系统地研究了钢铁联合企业煤气的生产与利用及煤气的供需关系变化规律；建立了煤气资源在若干用能设备上的优化分配以及富余煤气在煤气柜与自备电厂锅炉等缓冲用户的动态优化分配数学模型,为钢铁联合企业煤气合理利用、优化分配提供理论依据和分析工具。主要研究内容如下：(1)根据典型高炉—转炉生产流程碳素流的输入、转换、耗散和排放过程,剖析了炼铁、炼焦和炼钢等生产工艺及高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气的回收与利用。从原燃料条件、热工操作、回收工艺及空气(煤气)预热、物料热装热送等方面分析了影响煤气回收与利用的各种因素。论述了钢铁联合企业煤气富余的原因以及富余煤气的发电方式,分析了热电联产的节能效果,提出富余煤气利用的基本原则,并展望了焦炉煤气制氢、生产甲醇和直接还原铁等再资源化途径。(2)建立了钢铁联合企业煤气供需预测模型,对回收量、需求量和富余量的预测表明,影响企业吨钢煤气产率、吨钢煤气燃耗及煤气富余量的因素主要是各工序的单位煤气产率、单位煤气燃耗和钢比系数。研究了钢铁联合企业煤气供需关系变化规律,提出煤气回收与利用水平的评价指标,主要有煤气回收率、煤气在用能设备的热能转换效率、煤气热电转换效率和煤气综合利用率；分析了煤气回收与利用对吨钢综合能耗的影响,研究结果表明,降低企业吨钢综合能耗的措施主要有：①采用蓄热式燃烧、空气(煤气)预热等技术提高煤气的利用效率,降低用能设备单位煤气消耗；②采用干法除尘等技术完善回收工艺,增加煤气回收率；③采用燃气—蒸汽联合循环发电机组高效利用富余煤气,提高煤气热电转换效率；④建设能源管理中心,提高煤气管理水平,减少或消除煤气放散损失。分析了钢铁联合企业富余煤气利用与“只买煤不买电”能源模式的相互关系,探讨了不同规模钢铁联合企业的煤气利用和“只买煤不买电”模式的实现方案。(3)研究了钢铁联合企业用能设备煤气的互换性和合理热值问题,根据煤气在不同设备上使用效率存在差异,用燃料利用系数与用能设备燃料改变前后的单位燃耗为基本参数,以用能设备能源需求、工艺要求、能源介质平衡等为约束条件建立了钢铁联合企业煤气优化分配模型,旨在对企业自产煤气进行最优分配,使能源消耗量最小。研究表明,煤气的替换不能简单按照不同煤气等价热量进行,而应该综合考虑煤气的数量和质量；合理热值的确定将煤气与用能设备的热工操作参数紧密结合,降低了加热过程中的传热火用损失；单品种煤气应优先使用,余量再并网,以减少高炉煤气、焦炉煤气混合过程的火用损失及管道、混合加压设备的投资费用。本文提出的煤气优化分配模型为钢铁联合企业制定长、中、短期煤气规划,确定最佳煤气使用方案,进行计划预测和系统分析提供了有利工具。(4)引入惩罚函数方法,建立了富余煤气在煤气柜与自备电厂等缓冲用户的动态优化分配模型。该模型充分发挥了煤气柜、自备电厂锅炉对富余煤气的缓冲作用,提高煤气发电效率,使企业煤气放散或不足量最小。同时,改变了以往煤气柜只起保安作用、富余煤气利用以牺牲发电设备的效率为代价的做法。研究结果表明：根据自备电厂锅炉的容量、效率和使用燃料的种类,使煤气在若干效率不同的锅炉间得到合理分配且煤气柜的柜位在安全范围内；过剩或不足的煤气量通过改变煤气柜、自备电厂锅炉等缓冲用户的缓冲量得到调整,充分、高效地利用了钢铁生产中的富余煤气资源并减少了煤气放散。(5)针对鞍钢和迁钢的实际生产情况和煤气资源供需状况,分别应用煤气优化分配模型和富余煤气在缓冲用户的动态优化分配模型。根据鞍钢不同的生产工况、部分工序设备改造后的煤气资源供需变化,给出了煤气资源优化分配、高效利用的指导方案。结果表明：鞍钢应用优化分配模型后,降低了各工序用能设备的煤气发热值和单位产品煤气消耗；同时,假设富余煤气全部用于发电,且热电效率为37%,可降低吨钢综合能耗37.59kgce/t钢；针对新1#3200m3高炉休风、1780热轧生产线检修、新四炼焦一座6m焦炉检修等生产工况下煤气的优化分配表明,鞍钢煤气系统节能还有很大潜力,在满足生产要求和自备电厂煤气缓冲的范围内,尚有8.32万m3/h的焦炉煤气外供；对迁钢富余煤气进行优化分配后,富余的煤气在煤气柜和自备电厂锅炉中合理调配,使锅炉在适当的时候变换燃料且煤气柜的柜位在安全范围内,充分利用煤气资源,减少煤气放散。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国钢铁工业的发展
• 1.1.2 我国钢铁工业的节能降耗
• 1.2 钢铁工业/企业系统节能理论的发展
• 1.2.1 系统节能理论的研究方法
• 1.2.2 钢铁企业能源模型研究进展
• 1.3 钢铁联合企业煤气回收利用及优化分配研究进展
• 1.3.1 我国钢铁联合企业煤气回收与利用历程
• 1.3.1.1 煤气资源
• 1.3.1.2 煤气回收与利用历程
• 1.3.1.3 煤气富余的原因
• 1.3.2 煤气供需平衡研究进展
• 1.3.3 煤气优化分配研究进展
• 1.4 本文主要研究内容、研究思路和创新点
• 第二章 钢铁联合企业煤气的生产与利用
• 2.1 钢铁联合企业的碳素流及其与煤气的关系
• 2.1.1 钢铁联合企业的碳素流
• 2.1.2 碳素流与煤气的关系
• 2.2 煤气的生产
• 2.2.1 高炉煤气的生产
• 2.2.1.1 高炉炼铁工艺流程及高炉煤气生产过程
• 2.2.1.2 高炉煤气的回收及其影响因素
• 2.2.2 焦炉煤气的生产
• 2.2.2.1 焦炉炼焦工艺流程及焦炉煤气生产过程
• 2.2.2.2 焦炉煤气的回收及其影响因素
• 2.2.3 转炉煤气的生产
• 2.2.3.1 转炉炼钢工艺流程及转炉煤气生产过程
• 2.2.3.2 转炉煤气的回收及其影响因素
• 2.3 煤气的利用
• 2.3.1 煤气在主生产工序的利用
• 2.3.1.1 焦化工序
• 2.3.1.2 烧结工序
• 2.3.1.3 炼铁工序
• 2.3.1.4 炼钢（连铸）工序
• 2.3.1.5 轧钢工序
• 2.3.2 煤气在辅助生产工序的利用
• 2.3.3 煤气的再资源化利用
• 2.4 小结
• 第三章 钢铁联合企业煤气供需分析及评价指标
• 3.1 钢铁联合企业煤气供需分析
• 3.1.1 煤气供需预测
• 3.1.1.1 煤气的回收量预测
• 3.1.1.2 煤气的需求量预测
• 3.1.1.3 煤气的富余量预测
• 3.1.1.4 煤气的供需关系
• 3.1.2 煤气供需平衡影响因素分析
• 3.1.2.1 吨钢煤气产率及其影响因素
• 3.1.2.2 吨钢煤气燃耗及其影响因素
• 3.1.2.3 富余煤气利用及其影响因素
• 3.2 钢铁联合企业煤气回收与利用水平的评价指标
• 3.2.1 煤气回收水平评价指标
• 3.2.2 煤气利用水平评价指标
• 3.2.2.1 煤气的热能转换效率
• 3.2.2.2 煤气的热电转换效率
• 3.2.2.3 煤气综合利用率
• 3.2.3 煤气回收与利用对吨钢综合能耗的影响
• 3.2.4 提高煤气利用水平的主要措施
• 3.3 典型钢铁联合企业煤气供需分析
• 3.3.1 钢铁企业"只买煤不买电"模式分析
• 3.3.2 不同规模钢铁企业"只买煤不买电"模式
• 3.4 小结
• 第四章 钢铁联合企业煤气优化分配模型
• 4.1 模型建立的思想
• 4.2 煤气优化分配基本理论
• 4.2.1 煤气的互换性
• 4.2.1.1 煤气的燃烧特性
• 4.2.1.2 煤气互换的条件
• 4.2.2 煤气的合理发热值
• 4.2.2.1 空气（煤气）预热对理论燃烧温度的影响
• 4.2.2.2 用能设备所需煤气的合理发热值
• 4.2.3 煤气的有序利用
• 4.3 煤气优化分配数学模型
• 4.3.1 基本参数的确定
• 4.3.1.1 混合煤气的利用系数
• 4.3.1.2 用能设备的单位燃耗
• 4.3.2 模型的假设
• 4.3.3 模型的建立
• 4.3.3.1 目标函数的选取
• 4.3.3.2 用能设备的能源需求约束
• 4.3.3.3 用能设备的工艺约束
• 4.3.3.4 能源介质约束
• 4.3.3.5 混合煤气的混合比约束
• 4.3.3.6 高焦煤气缓冲量约束
• 4.3.3.7 其它约束
• 4.4 模型的求解
• 4.5 小结
• 第五章 富余煤气在缓冲用户的动态优化分配模型
• 5.1 钢铁联合企业煤气缓冲用户的构成
• 5.2 煤气柜与自备电厂锅炉的工作特点
• 5.2.1 煤气柜工作特点
• 5.2.2 自备电厂锅炉工作特点
• 5.2.3 燃料负荷调节特点
• 5.3 富余煤气的动态优化分配模型
• 5.3.1 煤气柜的柜位操作约束
• 5.3.2 自备电厂锅炉操作约束
• 5.3.3 物料平衡约束
• 5.3.4 其它约束
• 5.3.5 优化分配模型的建立
• 5.3.6 模型求解
• 5.4 小结
• 第六章 煤气优化分配模型在钢铁联合企业的应用
• 6.1 煤气优化分配模型在鞍钢的应用
• 6.1.1 鞍钢基本情况
• 6.1.1.1 能耗状况
• 6.1.1.2 煤气系统现状及存在的主要问题
• 6.1.2 鞍钢煤气优化分配模型
• 6.1.2.1 煤气优化分配模型的目标函数
• 6.1.2.2 煤气优化分配模型的约束条件
• 6.1.3 分析和讨论
• 6.1.3.1 生产工况改变后煤气优化分配结果和分析
• 6.1.3.2 部分工序设备改造后煤气优化分配结果和分析
• 6.1.4 鞍钢煤气系统未来节能对策及效果分析
• 6.1.4.1 未来生产规划
• 6.1.4.2 煤气系统节能对策及效果
• 6.2 富余煤气优化分配模型在迁钢的应用
• 6.2.1 迁钢基本情况
• 6.2.1.1 能耗状况
• 6.2.1.2 煤气系统构成及存在的主要问题
• 6.2.2 迁钢富余煤气优化分配模型
• 6.2.2.1 富余煤气优化分配模型的建立
• 6.2.2.2 结果分析
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间参加的科研与发表的论文