基于投入產出模型的武鋼煉鐵系統能耗與節能潛力分析

田玉前，戴方欽，周章華，許學成

(1. 武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 武漢鋼鐵股份有限公司制造部，湖北 武漢，430083)

基于投入產出模型的武鋼煉鐵系統能耗與節能潛力分析

田玉前1，戴方欽1，周章華2，許學成1

(1. 武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 武漢鋼鐵股份有限公司制造部，湖北 武漢，430083)

針對武鋼煉鐵系統建立多級能源投入產出模型，采集并分析武鋼煉鐵系統2010～2013年生產及能源數據，通過該模型計算焦炭、燒結礦及鐵水的能值與能耗，運用噸鋼能耗e-p分析法計算工序節能量，采用指數平滑法預測未來一年的能源需求量。結果表明，降低焦化、燒結、高爐工序能耗，加大回收余熱、余能等二次能源的力度，增加噴煤量以提高煤焦置換比以及優化生產結構等措施均有助于該煉鐵系統的能耗降低。

投入產出模型；煉鐵系統；能耗；能值；節能

據統計，2014年全國粗鋼產量為8.2億噸，同比增長0.9%，鋼材產量為11.26億噸(含重復材)，同比增長4.5%，產業能耗約占全國總能耗的7%。隨著產量的增加，鋼鐵企業如何在產能過剩、價格下滑和需求低迷的形勢下實現節能降耗，成為亟需解決的問題之一。為此，本文通過建立能源投入產出數學模型對武鋼煉鐵系統2010～2013年度能源消耗情況進行分析，運用噸鋼能耗e-p分析法計算系統節能量，采用指數平滑法對下一年度能源需求及消耗量進行預測，探討了該企業節能方向與途徑，以期為武鋼煉鐵系統的生產運行和能源管理提供決策依據。

1 投入產出分析方法

投入產出數學模型是通過編制投入產出表，運用線性代數工具建模，進而揭示國民經濟各部門和再生產各環節間內在聯系的一種方法[1]。而能源投入產出模型則突出解決企業產品生產過程中的能源消耗問題，包括計算直接與間接消耗系數、產品能值、節能量以及預測產品能耗等[2]。能源投入產出表在鋼鐵企業已得到廣泛的應用，然而其在處理鋼鐵企業能源投入復雜以及產品種類繁多等問題時略顯困難，主要體現在以下方面：

(1)將投入的產品只分為自產和外購兩類，不能清楚地體現鋼鐵生產過程中復雜的投入產出情況。

(2)若將所有自產產品列在直接消耗系數矩陣中，矩陣將包含很多零值，占用大量空間，造成矩陣維數過大，導致計算復雜，進而影響計算速度。

(3)不能直觀地顯示本工序產生和消耗的能源、非能源的種類及數量。

(4)不能清楚地顯示本工序被下一道工序消耗的產品種類及數量。

文獻[3]雖從產品分類、能值計算及工序能耗模型的建立三方面對投入產出表做出改進，并以煉鐵系統為實例進行驗證分析，但其將燒結、焦化、球團和煉鐵均作為中間產品來處理，增加了計算難度。Du等[4]則通過簡化表結構，將全廠工序分為煉鐵、煉鋼和軋鋼三部分分別建表，建立企業多級投入產出模型。基于此，本研究擬建立的模型沿用多級投入產出思想，進一步將焦化、燒結和球團工序從煉鐵系統中分離出來，分級建表，由此建立更為完善的煉鐵系統多級投入產出模型。

2 煉鐵系統多級投入產出模型的建立

煉鐵系統包括燒結、球團、焦化和高爐煉鐵四個工序。針對武鋼青山本部用能情況，球團礦能值采用累加法計算所得為32.21 kgce/t，燒結、焦化和高爐煉鐵工序產品能值采用投入產出表進行計算。將上述工序通過關聯矩陣形成武鋼煉鐵系統多級投入產出模型，模型結構如圖1所示，高爐煉鐵工序投入產出表如表1所示。由表1可見，優化后的模型將投入產品分為關聯產品、中間產品、輔助產品、企業自產產品、回收轉供產品和外購產品，并增加工序外關聯產品列，由此解決直接消耗系數矩陣數據冗余和維數過大的問題。模型的開發采用C#結合MySQL數據庫完成。

Fig.1 Structure of multistage input-output model of WISCO ironmaking system

表1中：L為關聯矩陣，表示高爐煉鐵對燒結礦、焦炭、球團礦的消耗系數矩陣；A、F、Z、H、D分別為中間產品對中間產品、輔助產品、自產產品、回收產品和外購產品的直接消耗系數矩陣(直接消耗系數為以實物量表示的單耗指標)；EL、EF、EZ、EH、Q分別為關聯產品、輔助產品、自產產品、回收產品和外購產品能值的列向量(能值為單位質量物體的發熱值及其加工過程中所耗費能量的總和)，一次能源產品能值為其發熱值，非能源物質的能值由研究者確定，有時取零值，有時取非零值；E為自產產品能值的列向量；Y為最終產品列向量，包括外銷或庫存量；X為總產品數量的列向量；W為高爐產品被轉爐工序和CSP工序消耗數量矩陣。

高爐鐵水能值計算式可表示為

E=LT·EL+AT·E+FT·EF+

ZT·EZ+HT·EH+DT·Q

(1)

整理后得

E=(I-AT)-1(LT·EL+FT·EF+

ZT·EZ+HT·EH+DT·Q)

(2)

鐵水總產量計算式可表示為

AX+Y+W=X

(3)

整理后得

X=(I-A)-1·(Y+W)

(4)

產品直接能耗為單位產品在其生產過程中直接消耗的能源量，在概念上與工序能耗相同，即

(5)

產品間接能耗為單位產品在生產過程中間接消耗的能源量，包括消耗非能源產品的載能量和消耗能源產品在制備過程中所消耗的能量兩部分。產品間接能耗J可表示為

J=E-Ze-q

(6)

上述式中：e代表各產品列中的能源產品，q為能源產品本身發熱值的列向量，非能源產品q值為零。

3 工序能耗計算與分析

采集武鋼本部煉鐵系統2010～2013年焦化、燒結和高爐煉鐵工序的生產與能源數據，輸入該模型進行能耗與能值計算。

3.1 焦化工序

表2為武鋼本部煉鐵系統2010～2013年焦化工序能耗情況，圖2為焦炭能值隨年份的變化趨勢。武鋼能源處根據實際生產情況，將焦炭熱值q設定為973 kgce/t。

Fig.2 Changing trend of coke energy value from 2010 to 2013

由圖2可見，5#、6#焦爐產品能值較高，相對于其他焦爐能值高出36～96 kgce/t。這是由于5#、6#焦爐未采用干熄焦技術，即無法有效回收和利用紅焦顯熱，造成余熱大量浪費，導致其直接能耗較高。根據2013年產量計算可知，采用干熄焦技術每年可平均節約標煤4199.6 t。此外，9#、10#焦爐自2011年起消耗煤氣量比其它焦爐平均高出0.8 GJ/t，使得其產品能值明顯上升。

綜上所述，武鋼2010～2013年焦炭能值受直接能耗影響而上下波動，甚至有增加的趨勢。由表2計算可得，焦化工序四年平均直接能耗(工序能耗)約占總能耗的99.25%，間接能耗占0.75%；其中，2010年直接能耗占99.14%，2013年則占99.64%，直接能耗所占比重相對增加。由此可見，武鋼焦化工序在降低非能源消耗方面有所進步，但在降低能源消耗和回收余熱余能方面的技術還不夠成熟。因此，焦化工序未來節能方向可從降低工序能耗方面入手，措施主要包括降低噸焦能耗(如煤、電、水、氣等的消耗)，采用干熄焦、荒煤氣余熱利用技術，采用以焦爐煙道廢氣為熱源的煤調濕技術，高效回收與利用余熱、余能[5]等。

3.2 燒結工序

表3為武鋼本部煉鐵系統2010～2013年燒結工序能耗情況，圖3為燒結礦能值隨年份的變化趨勢。

Fig.3 Changing trend of sinter energy value from 2010 to 2013

由表3和圖3可見，武鋼2010～2013年燒結礦能值隨直接能耗的降低整體呈下降趨勢，且5個燒結廠的燒結礦能值總體差別不大。但由于2#、3#燒結廠采用焦粉作為固體燃料，而其它燒結廠采用煤、焦混用，使得2#、3#燒結廠焦粉單耗量比其它燒結廠高30～40 kg/t，能值也相應高出3.5～15 kgce/t。

根據表3計算可得，燒結工序四年平均直接能耗約占產品能值的99.4%，間接能耗約占0.6%。其中，焦粉單耗的下降對燒結工序直接能耗的下降貢獻最大：平均消耗焦粉量由2010年的39.14 kg/t下降至2013年的28.38 kg/t；而間接能耗變化不大，趨于穩定，表明武鋼燒結工序在降低直接能耗方面取得了顯著成果，且非能源消耗基本保持穩定。由此可見，燒結工序應堅持從工序節能方面入手，即降低煤、電、焦粉等能源單耗。針對燒結工序余熱余能等二次能源，應遵循“分級回收、溫度對口、梯級利用”的原則，在充分利用高溫熱源產生蒸汽和發電的同時，加強對燒結煙氣中低溫熱源的回收利用，用于預熱或干燥燒結原料或作為點火爐的助燃空氣，為燒結生產提供熱風等[6]。

3.3 高爐煉鐵工序

表4為武鋼本部煉鐵系統2010～2013年高爐煉鐵工序能耗情況，圖4為鐵水能值隨年份的變化趨勢。

表4 高爐煉鐵工序能耗(單位：kgce/t)

Table 4 Energy consumption of blast furnace ironmaking procedure

Fig.4 Changing trend of molten iron energy value from 2010 to 2013

由圖4可見，2010年2#高爐的鐵水能值遠高于其他高爐，而2011年以后其鐵水能值顯著降低。這是由于在2010年前后2#高爐經過大修改造且一直在低負荷狀態下運行，很大一部分熱量僅用于維持高爐溫度，因此造成能量嚴重損失以及焦比等直接能耗增加，使得2#高爐鐵水能值相對較高，而大修改造投產后2#高爐鐵水能值大幅降低，表明設備改造升級取得顯著的節能效果。此外，7座高爐中4#高爐鐵水能值相對較高(除2010年2#高爐)，主要原因是4#高爐焦比相比其它高爐高出3～50 kg/t；而8#高爐鐵水能值相對較低，這是由于8#高爐為2009年8月投產的特大高爐，其熱損耗小、熱效率高且焦比等直接能源消耗較低。

經對比可知，7座高爐的鐵水能值在2010～2013年間整體呈下降趨勢，但在2012年略有回升。這是由于2012年煤炭質量下降，礦石品位降低，導致焦炭的能值比2011年高23.14 kgce/t，燒結礦消耗量高出50 kg/t，因此鐵水能值平均增加6.65 kgce/t。根據表4計算可知，鐵水能值構成中，直接能耗約占總能耗的84%，間接能耗占16%且有逐年緩慢增加的趨勢。由此可見，高爐工序節能應以降低直接能耗為主，如降低煤、電、焦炭等能源單耗，提高煤氣利用率，降低高爐燃料比以及高效率回收高爐煤氣等；同時，也可采取措施降低間接能耗，如降低球團礦、燒結礦等非能源介質的消耗。

4 節能量計算與分析

節能量是用于定量描述和分析企業用能現狀以及節能潛力的重要指標。噸鋼能耗e-p分析是鋼鐵企業常用的計算節能量的方法[7]，可表示為：

(7)

表5為2010～2013年武鋼煉鐵系統節能量的計算結果。由表5可見，2010～2013年煉鐵系統總節能量為13.5063 kgce/t，節能效果顯著，其中燒結工序節能量貢獻率最高，其次為高爐煉鐵工序。焦化工序以間接節能為主，直接能耗相對增加(見表2)，表明武鋼焦比明顯下降，但噸焦能耗增加；燒結工序直接節能量占主要部分，間接節能量反而增加，說明燒結工序能耗降低，但噸鋼耗燒結礦量增加，進一步說明燒結礦品位下降；高爐煉鐵工序直接節能量較大，主要是因為焦比及燒結礦能值降低，間接節能量小幅增加則表明鐵鋼比基本保持不變，成材率穩定。總體來看，2013年與2010年相比，煉鐵系統直接節能量明顯增加，而間接節能并未取得效果。因此，從回收余熱余能、降低工序能耗等直接節能的方式入手可能更易于節能。

5 能耗預測

根據武鋼煉鐵系統4年的生產消耗數據，對3個工序下一年的能耗情況進行預測，包括煤、電、煤氣、蒸汽、焦比和工業水等，進而計算出能源載體和能源介質在未來一年內的需求量或生產量的預測值，為企業編制生產計劃、合理用能提供參考。

預測采用指數平滑法結合修正系數完成。指數平滑法是在移動平均法的基礎上，賦予近期觀察值較大權重且權數符合指數規律的預測方法。加權移動平均公式[8]表示為

Mt=a1yt+a2yt-1+a3yt-2+a4yt-3+a5yt-4

(8)

式中：a為權數，且a1>a2>a3>a4>a5，a1+a2+a3+a4+a5=1。

如使權數符合指數規律，則

(9)

式中：γ為公比。

指數平滑公式表示為

Mt=ayt+aγyt-1+aγ2yt-2+…+

aγnyt-n

(10)

Mt-1=ayt-1+aγyt-2+…+

aγn-1yt-n+aγnyt-(n+1)

(11)

整理兩式得

Mt=ayt+γMt-1+aγnyt-(n+1)

(12)

由于γ<1，當n很大時，γn很小，可忽略不計，即：

Mt=ayt+(1-a)Mt-1

(13)

式中：a為平滑常數，表示為離最近數據的權重大小，其它數據權重依次為a(1-a)，a(1-a)2，…，a(1-a)n。

根據歷年數據趨勢，取a=0.8，并對預測結果增加常數C進行局部修正，2014年焦比預測結果如圖5所示。由圖5可見，2014年焦比平均下降值為1.7kg/t，下降幅度較小，按照2013年高爐鐵水的產量，2014年高爐需消耗焦炭5828.171 kt。高爐噴煤量、高爐燒結礦用量、燒結固體燃料焦炭消耗量、焦爐回收蒸汽量預測結果如圖6所示。由圖6可見，高爐噴煤量預測值與2013年基本持平；高爐燒結礦單耗預測值與2013年相比有所降低；2#、3#燒結廠燒結固體燃料焦炭消耗量略有降低，1#、4#、5#燒結廠相應消耗量略有升高；焦爐噸焦回收蒸汽量中，1#、2#焦爐略微增加，7#、8#焦爐基本持平，3#、4#、9#、10#焦爐回收蒸汽量下降，5#、6#焦爐沒有回收蒸汽。

圖6 噴煤量、燒結礦單耗量、燒結固體燃料焦炭消耗量以及焦化回收蒸汽量的預測

Fig.6 Prediction of pulverized coal injection(PCI) rate, sinter consumption amount,coke consumption amount for sintering solid fuel and recovered steam amount in coke oven

6 節能方向及措施

通過對煉鐵系統能耗、產品能值、節能量以及預測結果進行分析，針對武鋼煉鐵系統提出以下節能措施：

(1)降低焦化工序直接能耗

降低焦化工序直接能耗的措施包括提高洗精煤質量，回收紅焦顯熱，加大對中低溫熱源(荒煤氣、煙道氣)的回收利用，從而降低焦炭能值。經計算可得，在保持其它能耗不變的情況下，焦炭能值降低1kgce/t，鐵水能值平均降低0.397kgce/t。

(2)降低燒結礦能耗

降低燒結礦能耗的方法主要是用煤粉代替部分焦粉。焦粉與煤粉混用時，分加比例以焦粉內配30%，煤粉外配70%時最佳[9]。根據2013年生產數據，1#、4#、5#燒結廠平均使用無煙煤54.47 kg/t，焦炭10.77 kg/t，2#、3#燒結廠全部使用焦炭66.16 kg/t，平均能值分別為53.16 kgce/t和66.83 kgce/t，可見用煤粉代替部分焦炭可顯著降低燒結礦能值。

(3)提高入爐礦石品位

提高精礦粉品位，生產高品位燒結礦和球團礦，適當提高球團礦和塊礦比可有效提高高爐利用系數，降低渣量，改善高爐透氣性，降低燃料比，從而降低鐵水能值。

(4)增加噴煤量，降低焦比

經計算可得，焦炭能耗約占高爐總能耗的77.6%～79.6%。因此，若要降低鐵水能值，關鍵在于降低焦比。降低焦比的措施之一則是在現有生產工藝及條件下適當增加噴煤量，但增加的同時保持較高的煤焦置換比。根據Armco公司Garbee推導出的煤焦置換比的經驗公式[10]：

(14)

式中：APC為煤粉灰分，%；AC為焦炭灰分，%。2013年武鋼APC=11.72%，AC=12.42%，計算得置換比為0.857，結合焦炭能值為1.1kgce/kg，混合煤能值為0.723kgce/kg，計算得每增加1kg噴煤量可降低鐵水的能值為0.2197 kgce/kg。

因此，適量增加噴煤量代替焦炭可達到減少高爐能耗、降低鐵水能值的目的，而提高噴煤比的措施主要包括增加煤粉中C、H含量以及升高風溫、提高富氧率、減少煤粉顆粒和增大煤粉比表面積等。

7 結語

本文針對武鋼煉鐵系統建立多級能源投入產出模型，該模型以工序為基本單元分級建表，改進了基本投入產出表結構，簡化了直接消耗系數矩陣。利用該模型分析武鋼煉鐵系統2010～2013年生產及能源數據，計算出煉鐵系統焦炭、燒結礦、鐵水能值、能耗及產量，并采用噸鋼能耗e-p分析法計算4年間煉鐵系統的節能量，應用指數平滑法對煉鐵系統各能源介質在未來一年的需求量或生產量進行預測，為該企業編制生產計劃，合理用能提供參考依據。通過對結果進行分析，總結出該煉鐵系統應以回收余熱余能、降低工序能耗等直接節能的方向入手實現高爐煉鐵工序的節能降耗，包括選擇合理的針對中、低溫熱源的回收利用方式，采用干熄焦技術回收紅焦顯熱，降低焦炭、燒結礦能值及用量，在現有條件下適當增加噴煤量，提高煤焦置換比等。

[1] 陸鐘武，蔡九菊．系統節能基礎[M]．沈陽：東北大學出版社，2010：67．

[2] 杜濤，蔡九菊．鋼鐵企業物資流、能量流和污染物流研究[J]．鋼鐵，2006，41(4)：82-87．

[3] 謝國威，王慶泉，孫文強，等．能源投入產出模型的改進[J]．冶金能源，2013，32(5)：9-13．

[4] Du T，Shi T，Liu Y，et al．Energy consumption and its influencing factors of iron and steel enterprise[J]．Journal of Iron and Steel Research (International)，2013，20(8)：8-13．

[5] 張欣欣，張安強，馮妍卉，等．焦爐能耗分析與余熱利用技術[J]．鋼鐵，2012，47(8)：1-4．

[6] 董輝，王愛華，馮軍勝，等．燒結過程余熱資源回收利用技術進步與展望[J]．鋼鐵，2014，49(9)：1-9．

[7] 蔡九菊，孫文強．中國鋼鐵工業的系統節能和科學用能[J]．鋼鐵,2012，47(5)：1-8．

[8] 楊林泉．預測與決策方法應用[M]．北京：冶金工業出版社，2011：72．

[9] 王素平，鐘永紅，翁得明．焦粉分加及煤焦分加對燒結影響的研究[J]．武鋼技術，2007，45(2)：25-27．

[10]項鐘庸．高爐設計：煉鐵工藝設計理論與實踐[M]．北京：冶金工業出版社，2007：134．

[責任編輯 董 貞]

Analysis of energy consumption and energy-saving potential of WISCO ironmaking system based on input-output model

TianYuqian1，DaiFangqin1，ZhouZhanghua2，XuXuecheng1

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Manufacturing Department, Wuhan Iron and Steel Co., Ltd., Wuhan 430083, China)

A multistage energy input-output model was established based on the ironmaking system of WISCO. By collecting and analyzing the production and energy data from 2010 to 2013, the energy value and energy consumption amount of coke, sinter and molten iron were calculated by the established model. In addition, the e-p analysis method was applied to calculate the energy conservation amount and the exponential smoothing method was adopted to forecast the energy demand in the next year. The results show that a series of technological measures, such as reducing energy consumption of coking, sintering and blast furnace procedures, raising the utilization of secondary energy (exhaust heat and surplus energy), increasing the coal injection quantity to improve the replacement ratio of coal and coke, and optimizing the production structure of ironmaking system, are beneficial to the reduction of energy consumption of this ironmaking system.

input-output model; ironmaking system; energy consumption; energy value; energy conservation

2015-07-05

田玉前(1989-)，男，武漢科技大學碩士生. E-mail:tian112@126.com

戴方欽(1964-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師. E-mail: daifangqin@wust.edu.cn

TF1;TF5

A

1674-3644(2015)06-0424-07