分析钢铁工业能源综合利用的生态学内涵

工业生态学论文经典范文10篇之第十篇：分析钢铁工业能源综合利用的生态学内涵

　　摘要：根据工业生态化的基本原理， 分析了钢铁工业能源综合利用的生态学内涵， 对比传统钢铁行业能源的利用方式， 阐述了现代钢铁企业能源综合利用对节约资源和保护环境的重要性， 重点研究了钢铁企业二次能源回收利用的途径， 最后对我国钢铁行业在能源综合利用中存在的问题进行了剖析， 提出提高能源综合利用水平的政策建议。

　　关键词：钢铁行业； 工业生态学； 二次能源； 循环经济；

　　Abstract:

　　Based on the theory of industrial ecology, the connotation of comprehensive utilization of energy in iron and steel industry was analyzed.The importance of comprehensive utilization of energy was expounded in terms of resources-conversion and environment-protection.Recycle using ways of secondary energy in iron and steel industry were studied.At last, put forward some policy advices through analyzed problems of old policy system of the industry in our country.

　　Keyword:

　　iron and steel industry industrial ecology secondary energy recycling economy;

　　1 引言

　　钢铁工业是国民经济发展的支柱性产业， 也是高耗能产业。传统的钢铁行业产业结构不合理、技术设备落后和生产效率低下等现象十分突出。高耗能、高污染和低效益的状况造成自然资源消耗过度， 生态环境不断恶化[1].资源、环境等因素成为影响钢铁行业可持续发展的瓶颈。要综合解决好目前钢铁工业发展中面临的资源浪费和环境污染等突出问题， 就必须改变过去 "资源-产品-废物"的发展模式， 通过"资源-产品-再生资源"的反馈式流程， 实现低开采、高效用、低排放， 做到资源、能源尽可能地循环利用， 把钢铁行业的生产活动对自然环境的影响降低到尽可能小的程度， 这是实现钢铁工业实施可持续发展战略的关键所在。钢铁行业能源综合利用正是基于工业生态学原理， 运用系统科学的方法来研究钢铁生产工序中能源梯级利用及余热、余气、余压等二次能源的再利用， 从而实现能源消耗的最小化和能源利用的最优化。

　　2 研究的理论基础

　　2.1 工业生态化理论的内涵

　　工业生态学最早是Rorbert Frosch 和Nicolas Gallopoulos （1989） 提出的[2].他们根据自然界的生态原理， 从企业群落、区域层面入手， 仿照自然生态系统中物质和能量流动方式设计工业生产系统， 形成一种全新的、生态化的工业生产系统或工业生产组织形式， 是用一种更为一体化的生产方式代替过于简单化的传统的生产方式。工业生态学的基本观点来源于自然生态系统， 从产品的生产前、生产过程到废弃的整个生命周期着手， 使工业废物得以避免、减少和再利用[3].

　　图1 传统钢铁行业能源利用方式  

　　图2 生态钢铁工业能源综合利用系统  

　　工业生态理论经过多年的发展已经得到广泛应用， 不仅在发达国家开展了相关的研究和实践活动， 而且在发展中国家也迅速得到推广和应用。其应用层面分为三个层次：第一个层次是在企业内部， 探讨如何从企业整体角度通过继承来最合理使用各种资源和最小化废物的产生， 相应的措施包括分析生命周期、环境设计和生态效率等；第二个层次是一个工业系统内考虑不同企业之间的相互合作， 构成完整的产业生态链， 获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得的效益之和更大的效益；第三个层次是考虑一个区域的生态工业网络[4].研究的范畴限定在第二个层次， 即整个钢铁行业的能源生态化综合利用。

　　2.2 钢铁工业能源综合利用的生态化模式

　　钢铁生产实际上是一个煤-铁化工过程， 除生产钢铁制品外， 同时还产生大量的伴生物和剩余能源。只要开发出合适的链接技术， 它们就可以成为其他产业的有价原料， 或者成为本企业的循环利用资源。这种利用模式， 其能量流动同自然界中生物链的自然流动极为相似， 所以可以称其为能源综合利用的生态化模式。在以生态工业和循环经济为主要特征的未来经济发展中， 用工业生态学的观点重新审视和定位钢铁工业的能源利用， 把钢铁工业的发展同节约能源和资源、保护生态环境和治理污染有机结合起来， 使钢铁工业能够按照生态化的模式发展， 实现钢铁企业的可持续发展。

　　钢铁工业的生态化就是根据钢铁工业的物流/能量流的输入/输出特点， 仿照自然界生态过程中的物质循环方式， 通过生产过程或环节之间的系统耦合来规划设计、组织生产过程， 从而使资源和能源的配置得到优化， 使物质和能量得到多级利用和高效产出。传统钢铁工业能源的流向和生态钢铁工业能源的流向如图1、图2所示[5].

　　可以看出， 传统的钢铁生产过程中每道工序中的余热、余气和余压等二次能源几乎没有采取任何回收措施， 造成能源的极大浪费。仅余气一项， 按照钢铁制造工艺， 理论上可燃煤气产生量大致是：高炉煤气发生量1400~2000m3/t, 发热值2800~3500kJ/m3;转炉煤气发生量80~120m3/t, 发热值7000~8400kJ/m3;焦炉煤气发生量350~430m3/t, 发热值17000~19500kJ/m3.这些资源如果得到有效利用， 可以产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益[6].

　　3 钢铁行业能源综合利用的路径选择

　　钢铁行业能源综合利用就是要优化工序中的能源流程， 提高利用效率， 其中最主要的是二次能源的回收利用。热能是能量利用中最普遍的一种形态， 约占二次能源的90%.余热是能量回收的重点， 包括烧结废气显热、焦炭显热、炼铁热风炉烟气余热、转炉煤气显热、轧钢加热炉烟气余热等。

　　3.1 余气的利用途径

　　煤气作为副产品是钢铁企业中最重要的二次能源， 约占企业总能耗的30%~40%.高炉煤气因受热值低、含尘含水量大、压力波动大等因素的影响， 在钢铁企业中难以适应生产的需要。通常它除了热风炉自用、部分与焦炉煤气混合使用外， 剩余煤气都直接放散， 这既浪费能源又污染环境。纯烧高炉煤气锅炉发电技术、燃气蒸汽联合循环发电机组和高温蓄热室燃烧等技术的研制成功， 以及在钢铁企业的广泛应用， 为高炉煤气的有效利用提供了很好的途径。

　　传统的焦炉煤气主要作为加热燃料供钢铁工业使用， 钢铁联合企业焦炉煤气再利用包括发电， 生产直接还原铁 （简称DRI） , 变压吸附制氢气 （简称PSA） , 生产甲醇、二甲醚和氨等。焦炉煤气发电主要通过蒸汽、燃气轮机和内燃机等方式发电。目前， 内燃机发电已在国内许多焦化厂投入使用， 且大都选用500kW的内燃机发电机组。该技术的应用不但可获得可观的经济效益， 且投资回收亦较快。利用焦炉煤气生产纯氢、甲醇、二甲醚等产品的技术也日臻成熟， 并且经济合理， 已经得到较为广泛的应用。转炉煤气在钢铁联合企业的燃料平衡中起着重要的作用， 它不仅满足炼钢厂自用， 还可供热轧、冷轧等车间使用， 若利用得好还能实现负能炼钢[7].

　　3.2 余热的利用途径

　　钢铁行业生产过程中的余热有高温热源和中低温热源。高温热源包括高温焦炭余热、高炉冲渣水余热和高温烟气余热。这些高温余热可以通过热交换器产生蒸汽， 用来发电。中低温热源则包括低品质余热蒸汽、低温焦炉烟气、烧结带冷机烟气和热风炉的烟气等[8].这些热源的热量回收比较困难， 不过现在已经开发出一些能够有效利用中低温热源的技术， 比如一些大型的钢铁厂大都利用专门设计的汽轮机， 引入低品质 （低压、饱和） 蒸汽直接进行发电。

　　在冶金行业中， 如何回收中、低温烟气余热一直是一个难题。热管式余热回收装置是目前中温 （300℃左右） 气-气热交换最理想的换热装置。烧结生产的能耗一般占钢能耗的10%~20%, 热烧结矿冷却废气显热和烧结烟气显热占烧结过程热耗的50%以上， 合理地回收利用这些热能很有意义。例如， 在环冷烧结机上热管换热器多用于回收300℃左右的中温余热；在机冷烧结机上因烟气流量较大， 温度低， 含尘高， 使余热回收利用困难。首钢采用气-汽热管换热器回收机冷烧结机上烟气余热用以产生蒸汽， 供给二次混料机预热烧结混合料 （要求过热蒸汽温度达到180℃左右） , 实现了烧结系统生产用汽自给有余[9].

　　3.3 余压的利用途径

　　高炉煤气炉顶余压发电技术 （简称TRT） 可利用炉顶煤气压力回收炼铁生产过程中的二次能源。所回收的电能接近高炉鼓风机功率消耗的30%.高炉在冶炼过程中产生的高压煤气， 通过减压阀组的强制节流和形成噪声变成低压煤气， 然后送往低压管网送给用户使用。高炉煤气炉顶余压发电装置就是将原来损失在减压阀机组的压力能， 通过透平机膨胀做功， 带动发电机工作变为电能的设备[10].此装置运转时， 不需要燃料， 不改变高炉煤气的化学性质， 也不影响原有煤气用户的正常使用， 但回收了原减压阀组损失的压力能和热能， 发出可观的电能， 又降低了噪声污染， 可谓是环保节能双见效的一种措施。

　　4 存在的问题与政策建议

　　4.1 存在的问题

　　从全国钢铁工业能源的回收利用状况看， 我国钢铁行业的二次能源利用还处于严重落后状态， 余热、余能和余压发电等大型有效的节能环保装置配备率低， 高炉煤气放散率在8.8%~30%之间， 转炉煤气的放散率也将近40%.我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在 30%~50%.日本新日铁钢铁公司的余热余能回收利用率已达92%以上， 其企业能耗占成本比例为14%, 而我国的宝钢余热余能回收率为68%, 其能耗占生产成本的20%, 大多数钢铁企业的余热余能回收利用率为30%~50%.因此我国钢铁工业二次能源的回收利用潜力很大， 与其它节能方式相比， 二次能源利用技术有许多经验可供借鉴， 实施难度较小， 且成本较低， 污染较少， 经济效益显著。

　　我国钢铁企业， 特别是一些中小企业在技术创新上普遍缺乏资金、技术基础和创新人才， 创新能力非常有限， 主要是进行一些成熟技术的推广， 没有自主知识产权， 也就缺乏核心的竞争优势[5].在资源紧缺、环境恶化的当今社会， 绿色技术的创新和应用已经成为钢铁行业生存的前提和基础， 但是我国的钢铁行业是能耗和污染大户， 节能降耗工作任重而道远。目前我国共有高炉1200座左右， 大于1000m3高炉350座左右， 共有转炉1500座以上， 焦化厂70余家， 采用"全干法"除尘技术的高炉、转炉不足10%, 致使钢铁企业在先进技术的应用研究方面远远落后于先进国家。目前， 仅仅宝钢、莱钢等占钢铁企业少数的国有大企业在积极应用先进的环保节能技术， 不少企业还停留在起始阶段。这些先进技术远远没有在全国钢铁行业推广。

　　由于缺乏完善的政策和健全的法律法规， 或者原来的政策和法律法规已经过时， 造成了钢铁行业二次能源回收利用面临着许多政策法律性障碍。这些障碍主要有：一是钢铁企业利用二次能源发电项目并网审批困难， 从申报到批复， 有时要经历一年的时间， 使企业疲于奔命， 有的甚至被拒绝上网；二是收费名目繁多， 且目前尚无明确的法律依据， 只能由上方谈判决定， 而在谈判过程中， 钢铁企业往往处于弱势地位， 这种"不对称"的谈判对钢铁企业来说会造成新的负担；三是对钢铁企业利用二次能源发电的电厂定位有分歧， 钢铁企业希望自发自用， 按自备电厂来定位。以济钢为例， 2006年利用二次能源发电总量达10亿kWh, 占总公司用电量的32%;2007年预计可发电25亿kWh, 占总公司用电量的71%.但是电网公司要求按公用电厂定位， 济钢要先卖电再后买电， 济钢发电成本为0.469元/kWh, 山东电网的电厂标杆上网电价为0.354元/kWh, 济钢综合买电价约为0.60元/kWh.由于卖电价格低， 买电价格高， 另外有的地方还重复收取用电费用等， 造成一些利用二次能源的发电项目运营困难， 特别是燃气-蒸汽联合循环发电项目技术新、投资大， 容易导致亏损， 如果没有政策的支持， 就很难调动企业的积极性。

　　4.2 政策建议

　　钢铁行业能源的综合利用需要国家政策的支持， 包括财政、税收和金融政策；能源回收利用和循环经济项目与主体项目要同时审批把关， 同时设计、施工、投运， 并建立健全相关的监督保障机制；制定循环经济项目管理办法， 对钢铁行业的能源在利用能源项目的相关管理工作进行规范。

　　国家出台鼓励节能减排技术研发的政策措施。我国钢铁工业协会提出了 "三干" （指干熄焦、高炉煤气干式除尘和转炉煤气干式除尘） 和"三利用" （指水的综合利用、以副产煤气为代表的二次能源利用， 以高炉渣、转炉渣为代表的固体废弃物综合利用） 技术， 能够提高能源的一次使用效率和二次回收利用率， 减排二氧化碳， 减少粉尘、污水对环境的污染。同时可尽量多的回收电能， 减少发电用煤量， 提高企业用电自给率， 建立不断循环利用的循环经济发展模式， 建立一个"资源-产品-二次能源利用"的物质反复循环过程。

　　钢铁工业节能降耗一方面要依靠生产工艺的改进和各种节能设施的利用， 充分挖掘内部潜力， 改良资源和能源消耗大的工艺和设备， 降低各生产工序的燃料单耗， 在生产工艺中充分利用企业排放的二次资源和回收各生产环节中散失的各种能量；另一方面， 要通过对企业的现代化管理， 建立相应的节能工作制度和实施细则， 设立能源监管机构， 最终可以实现企业制定的能源管理规划。要树立系统节能的观点， 打破工序之间的专业界限， 用系统的思想来分析企业整体节能的科学性、合理性和实用性。

　　参考文献
　　[1]魏建新。钢铁企业的能源战略。冶金能源， 2007, 26 （2） :3-6, 11
　　[2]Frosch R, Gallopoulos N.Strategies for Manufacturing.Scientific American, 1989, 261 （3）
　　[3]Erkman S.Industrial ecology:an historical view.J.ofCleaner Production, 1997, 5 （1-2） :1-10
　　[4]胡长庆等。钢铁工业生态化研究进展与前景分析。钢铁， 2004, 39 （8） :112-116
　　[5]但智钢等。生态钢铁工业中能源系统建设的探讨。冶金能源， 2006, 25 （2） :3-6, 45
　　[6]丁皓， 郭新有。关于我国钢铁工业二次能源利用的思考。科技进步与对策， 2004, （10）
　　[7]蔡九菊等。冶金工业副产煤气的高效利用。中国冶金， 2006, 16 （3）
　　[8]康丹凤等。钢铁企业余能资源的利用。冶金能源， 2002, 21 （5） :39-42
　　[9]郑忠等。我国钢铁企业的节能与可持续性发展。钢铁， 2004, 39 （4）
　　[10]王建军等。我国钢铁工业余热余能调研报告。工业加热， 2007, 36 （2）