基于投入产出模型的武钢炼铁系统能耗与节能潜力分析

田玉前，戴方钦，周章华，许学成

(1. 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 武汉钢铁股份有限公司制造部，湖北 武汉，430083)

基于投入产出模型的武钢炼铁系统能耗与节能潜力分析

田玉前1，戴方钦1，周章华2，许学成1

(1. 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 武汉钢铁股份有限公司制造部，湖北 武汉，430083)

针对武钢炼铁系统建立多级能源投入产出模型，采集并分析武钢炼铁系统2010～2013年生产及能源数据，通过该模型计算焦炭、烧结矿及铁水的能值与能耗，运用吨钢能耗e-p分析法计算工序节能量，采用指数平滑法预测未来一年的能源需求量。结果表明，降低焦化、烧结、高炉工序能耗，加大回收余热、余能等二次能源的力度，增加喷煤量以提高煤焦置换比以及优化生产结构等措施均有助于该炼铁系统的能耗降低。

投入产出模型；炼铁系统；能耗；能值；节能

据统计，2014年全国粗钢产量为8.2亿吨，同比增长0.9%，钢材产量为11.26亿吨(含重复材)，同比增长4.5%，产业能耗约占全国总能耗的7%。随着产量的增加，钢铁企业如何在产能过剩、价格下滑和需求低迷的形势下实现节能降耗，成为亟需解决的问题之一。为此，本文通过建立能源投入产出数学模型对武钢炼铁系统2010～2013年度能源消耗情况进行分析，运用吨钢能耗e-p分析法计算系统节能量，采用指数平滑法对下一年度能源需求及消耗量进行预测，探讨了该企业节能方向与途径，以期为武钢炼铁系统的生产运行和能源管理提供决策依据。

1 投入产出分析方法

投入产出数学模型是通过编制投入产出表，运用线性代数工具建模，进而揭示国民经济各部门和再生产各环节间内在联系的一种方法[1]。而能源投入产出模型则突出解决企业产品生产过程中的能源消耗问题，包括计算直接与间接消耗系数、产品能值、节能量以及预测产品能耗等[2]。能源投入产出表在钢铁企业已得到广泛的应用，然而其在处理钢铁企业能源投入复杂以及产品种类繁多等问题时略显困难，主要体现在以下方面：

(1)将投入的产品只分为自产和外购两类，不能清楚地体现钢铁生产过程中复杂的投入产出情况。

(2)若将所有自产产品列在直接消耗系数矩阵中，矩阵将包含很多零值，占用大量空间，造成矩阵维数过大，导致计算复杂，进而影响计算速度。

(3)不能直观地显示本工序产生和消耗的能源、非能源的种类及数量。

(4)不能清楚地显示本工序被下一道工序消耗的产品种类及数量。

文献[3]虽从产品分类、能值计算及工序能耗模型的建立三方面对投入产出表做出改进，并以炼铁系统为实例进行验证分析，但其将烧结、焦化、球团和炼铁均作为中间产品来处理，增加了计算难度。Du等[4]则通过简化表结构，将全厂工序分为炼铁、炼钢和轧钢三部分分别建表，建立企业多级投入产出模型。基于此，本研究拟建立的模型沿用多级投入产出思想，进一步将焦化、烧结和球团工序从炼铁系统中分离出来，分级建表，由此建立更为完善的炼铁系统多级投入产出模型。

2 炼铁系统多级投入产出模型的建立

炼铁系统包括烧结、球团、焦化和高炉炼铁四个工序。针对武钢青山本部用能情况，球团矿能值采用累加法计算所得为32.21 kgce/t，烧结、焦化和高炉炼铁工序产品能值采用投入产出表进行计算。将上述工序通过关联矩阵形成武钢炼铁系统多级投入产出模型，模型结构如图1所示，高炉炼铁工序投入产出表如表1所示。由表1可见，优化后的模型将投入产品分为关联产品、中间产品、辅助产品、企业自产产品、回收转供产品和外购产品，并增加工序外关联产品列，由此解决直接消耗系数矩阵数据冗余和维数过大的问题。模型的开发采用C#结合MySQL数据库完成。

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

表1中：L为关联矩阵，表示高炉炼铁对烧结矿、焦炭、球团矿的消耗系数矩阵；A、F、Z、H、D分别为中间产品对中间产品、辅助产品、自产产品、回收产品和外购产品的直接消耗系数矩阵(直接消耗系数为以实物量表示的单耗指标)；EL、EF、EZ、EH、Q分别为关联产品、辅助产品、自产产品、回收产品和外购产品能值的列向量(能值为单位质量物体的发热值及其加工过程中所耗费能量的总和)，一次能源产品能值为其发热值，非能源物质的能值由研究者确定，有时取零值，有时取非零值；E为自产产品能值的列向量；Y为最终产品列向量，包括外销或库存量；X为总产品数量的列向量；W为高炉产品被转炉工序和CSP工序消耗数量矩阵。

高炉铁水能值计算式可表示为

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)

铁水总产量计算式可表示为

AX+Y+W=X

(3)

整理后得

X=(I-A)-1·(Y+W)

(4)

产品直接能耗为单位产品在其生产过程中直接消耗的能源量，在概念上与工序能耗相同，即

(5)

产品间接能耗为单位产品在生产过程中间接消耗的能源量，包括消耗非能源产品的载能量和消耗能源产品在制备过程中所消耗的能量两部分。产品间接能耗J可表示为

J=E-Ze-q

(6)

上述式中：e代表各产品列中的能源产品，q为能源产品本身发热值的列向量，非能源产品q值为零。

3 工序能耗计算与分析

采集武钢本部炼铁系统2010～2013年焦化、烧结和高炉炼铁工序的生产与能源数据，输入该模型进行能耗与能值计算。

3.1 焦化工序

表2为武钢本部炼铁系统2010～2013年焦化工序能耗情况，图2为焦炭能值随年份的变化趋势。武钢能源处根据实际生产情况，将焦炭热值q设定为973 kgce/t。

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

由图2可见，5#、6#焦炉产品能值较高，相对于其他焦炉能值高出36～96 kgce/t。这是由于5#、6#焦炉未采用干熄焦技术，即无法有效回收和利用红焦显热，造成余热大量浪费，导致其直接能耗较高。根据2013年产量计算可知，采用干熄焦技术每年可平均节约标煤4199.6 t。此外，9#、10#焦炉自2011年起消耗煤气量比其它焦炉平均高出0.8 GJ/t，使得其产品能值明显上升。

综上所述，武钢2010～2013年焦炭能值受直接能耗影响而上下波动，甚至有增加的趋势。由表2计算可得，焦化工序四年平均直接能耗(工序能耗)约占总能耗的99.25%，间接能耗占0.75%；其中，2010年直接能耗占99.14%，2013年则占99.64%，直接能耗所占比重相对增加。由此可见，武钢焦化工序在降低非能源消耗方面有所进步，但在降低能源消耗和回收余热余能方面的技术还不够成熟。因此，焦化工序未来节能方向可从降低工序能耗方面入手，措施主要包括降低吨焦能耗(如煤、电、水、气等的消耗)，采用干熄焦、荒煤气余热利用技术，采用以焦炉烟道废气为热源的煤调湿技术，高效回收与利用余热、余能[5]等。

3.2 烧结工序

表3为武钢本部炼铁系统2010～2013年烧结工序能耗情况，图3为烧结矿能值随年份的变化趋势。

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

由表3和图3可见，武钢2010～2013年烧结矿能值随直接能耗的降低整体呈下降趋势，且5个烧结厂的烧结矿能值总体差别不大。但由于2#、3#烧结厂采用焦粉作为固体燃料，而其它烧结厂采用煤、焦混用，使得2#、3#烧结厂焦粉单耗量比其它烧结厂高30～40 kg/t，能值也相应高出3.5～15 kgce/t。

根据表3计算可得，烧结工序四年平均直接能耗约占产品能值的99.4%，间接能耗约占0.6%。其中，焦粉单耗的下降对烧结工序直接能耗的下降贡献最大：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；而间接能耗变化不大，趋于稳定，表明武钢烧结工序在降低直接能耗方面取得了显著成果，且非能源消耗基本保持稳定。由此可见，烧结工序应坚持从工序节能方面入手，即降低煤、电、焦粉等能源单耗。针对烧结工序余热余能等二次能源，应遵循“分级回收、温度对口、梯级利用”的原则，在充分利用高温热源产生蒸汽和发电的同时，加强对烧结烟气中低温热源的回收利用，用于预热或干燥烧结原料或作为点火炉的助燃空气，为烧结生产提供热风等[6]。

3.3 高炉炼铁工序

表4为武钢本部炼铁系统2010～2013年高炉炼铁工序能耗情况，图4为铁水能值随年份的变化趋势。

表4 高炉炼铁工序能耗(单位：kgce/t)

Table 4 Energy consumption of blast furnace ironmaking procedure

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

由图4可见，2010年2#高炉的铁水能值远高于其他高炉，而2011年以后其铁水能值显著降低。这是由于在2010年前后2#高炉经过大修改造且一直在低负荷状态下运行，很大一部分热量仅用于维持高炉温度，因此造成能量严重损失以及焦比等直接能耗增加，使得2#高炉铁水能值相对较高，而大修改造投产后2#高炉铁水能值大幅降低，表明设备改造升级取得显著的节能效果。此外，7座高炉中4#高炉铁水能值相对较高(除2010年2#高炉)，主要原因是4#高炉焦比相比其它高炉高出3～50 kg/t；而8#高炉铁水能值相对较低，这是由于8#高炉为2009年8月投产的特大高炉，其热损耗小、热效率高且焦比等直接能源消耗较低。

经对比可知，7座高炉的铁水能值在2010～2013年间整体呈下降趋势，但在2012年略有回升。这是由于2012年煤炭质量下降，矿石品位降低，导致焦炭的能值比2011年高23.14 kgce/t，烧结矿消耗量高出50 kg/t，因此铁水能值平均增加6.65 kgce/t。根据表4计算可知，铁水能值构成中，直接能耗约占总能耗的84%，间接能耗占16%且有逐年缓慢增加的趋势。由此可见，高炉工序节能应以降低直接能耗为主，如降低煤、电、焦炭等能源单耗，提高煤气利用率，降低高炉燃料比以及高效率回收高炉煤气等；同时，也可采取措施降低间接能耗，如降低球团矿、烧结矿等非能源介质的消耗。

4 节能量计算与分析

节能量是用于定量描述和分析企业用能现状以及节能潜力的重要指标。吨钢能耗e-p分析是钢铁企业常用的计算节能量的方法[7]，可表示为：

(7)

表5为2010～2013年武钢炼铁系统节能量的计算结果。由表5可见，2010～2013年炼铁系统总节能量为13.5063 kgce/t，节能效果显著，其中烧结工序节能量贡献率最高，其次为高炉炼铁工序。焦化工序以间接节能为主，直接能耗相对增加(见表2)，表明武钢焦比明显下降，但吨焦能耗增加；烧结工序直接节能量占主要部分，间接节能量反而增加，说明烧结工序能耗降低，但吨钢耗烧结矿量增加，进一步说明烧结矿品位下降；高炉炼铁工序直接节能量较大，主要是因为焦比及烧结矿能值降低，间接节能量小幅增加则表明铁钢比基本保持不变，成材率稳定。总体来看，2013年与2010年相比，炼铁系统直接节能量明显增加，而间接节能并未取得效果。因此，从回收余热余能、降低工序能耗等直接节能的方式入手可能更易于节能。

5 能耗预测

根据武钢炼铁系统4年的生产消耗数据，对3个工序下一年的能耗情况进行预测，包括煤、电、煤气、蒸汽、焦比和工业水等，进而计算出能源载体和能源介质在未来一年内的需求量或生产量的预测值，为企业编制生产计划、合理用能提供参考。

预测采用指数平滑法结合修正系数完成。指数平滑法是在移动平均法的基础上，赋予近期观察值较大权重且权数符合指数规律的预测方法。加权移动平均公式[8]表示为

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

(8)

式中：a为权数，且a1>a2>a3>a4>a5，a1+a2+a3+a4+a5=1。

如使权数符合指数规律，则

(9)

式中：γ为公比。

指数平滑公式表示为

Mt=ayt+aγyt-1+aγ2yt-2+…+

aγnyt-n

(10)

Mt-1=ayt-1+aγyt-2+…+

aγn-1yt-n+aγnyt-(n+1)

(11)

整理两式得

Mt=ayt+γMt-1+aγnyt-(n+1)

(12)

由于γ<1，当n很大时，γn很小，可忽略不计，即：

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

(13)

式中：a为平滑常数，表示为离最近数据的权重大小，其它数据权重依次为a(1-a)，a(1-a)2，…，a(1-a)n。

根据历年数据趋势，取a=0.8，并对预测结果增加常数C进行局部修正，2014年焦比预测结果如图5所示。由图5可见，2014年焦比平均下降值为1.7kg/t，下降幅度较小，按照2013年高炉铁水的产量，2014年高炉需消耗焦炭5828.171 kt。高炉喷煤量、高炉烧结矿用量、烧结固体燃料焦炭消耗量、焦炉回收蒸汽量预测结果如图6所示。由图6可见，高炉喷煤量预测值与2013年基本持平；高炉烧结矿单耗预测值与2013年相比有所降低；2#、3#烧结厂烧结固体燃料焦炭消耗量略有降低，1#、4#、5#烧结厂相应消耗量略有升高；焦炉吨焦回收蒸汽量中，1#、2#焦炉略微增加，7#、8#焦炉基本持平，3#、4#、9#、10#焦炉回收蒸汽量下降，5#、6#焦炉没有回收蒸汽。

图6 喷煤量、烧结矿单耗量、烧结固体燃料焦炭消耗量以及焦化回收蒸汽量的预测

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 节能方向及措施

通过对炼铁系统能耗、产品能值、节能量以及预测结果进行分析，针对武钢炼铁系统提出以下节能措施：

(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质量，回收红焦显热，加大对中低温热源(荒煤气、烟道气)的回收利用，从而降低焦炭能值。经计算可得，在保持其它能耗不变的情况下，焦炭能值降低1kgce/t，铁水能值平均降低0.397kgce/t。

(2)降低烧结矿能耗

降低烧结矿能耗的方法主要是用煤粉代替部分焦粉。焦粉与煤粉混用时，分加比例以焦粉内配30%，煤粉外配70%时最佳[9]。根据2013年生产数据，1#、4#、5#烧结厂平均使用无烟煤54.47 kg/t，焦炭10.77 kg/t，2#、3#烧结厂全部使用焦炭66.16 kg/t，平均能值分别为53.16 kgce/t和66.83 kgce/t，可见用煤粉代替部分焦炭可显著降低烧结矿能值。

(3)提高入炉矿石品位

提高精矿粉品位，生产高品位烧结矿和球团矿，适当提高球团矿和块矿比可有效提高高炉利用系数，降低渣量，改善高炉透气性，降低燃料比，从而降低铁水能值。

(4)增加喷煤量，降低焦比

经计算可得，焦炭能耗约占高炉总能耗的77.6%～79.6%。因此，若要降低铁水能值，关键在于降低焦比。降低焦比的措施之一则是在现有生产工艺及条件下适当增加喷煤量，但增加的同时保持较高的煤焦置换比。根据Armco公司Garbee推导出的煤焦置换比的经验公式[10]：

(14)

式中：APC为煤粉灰分，%；AC为焦炭灰分，%。2013年武钢APC=11.72%，AC=12.42%，计算得置换比为0.857，结合焦炭能值为1.1kgce/kg，混合煤能值为0.723kgce/kg，计算得每增加1kg喷煤量可降低铁水的能值为0.2197 kgce/kg。

因此，适量增加喷煤量代替焦炭可达到减少高炉能耗、降低铁水能值的目的，而提高喷煤比的措施主要包括增加煤粉中C、H含量以及升高风温、提高富氧率、减少煤粉颗粒和增大煤粉比表面积等。

7 结语

本文针对武钢炼铁系统建立多级能源投入产出模型，该模型以工序为基本单元分级建表，改进了基本投入产出表结构，简化了直接消耗系数矩阵。利用该模型分析武钢炼铁系统2010～2013年生产及能源数据，计算出炼铁系统焦炭、烧结矿、铁水能值、能耗及产量，并采用吨钢能耗e-p分析法计算4年间炼铁系统的节能量，应用指数平滑法对炼铁系统各能源介质在未来一年的需求量或生产量进行预测，为该企业编制生产计划，合理用能提供参考依据。通过对结果进行分析，总结出该炼铁系统应以回收余热余能、降低工序能耗等直接节能的方向入手实现高炉炼铁工序的节能降耗，包括选择合理的针对中、低温热源的回收利用方式，采用干熄焦技术回收红焦显热，降低焦炭、烧结矿能值及用量，在现有条件下适当增加喷煤量，提高煤焦置换比等。

[1] 陆钟武，蔡九菊．系统节能基础[M]．沈阳：东北大学出版社，2010：67．

[2] 杜涛，蔡九菊．钢铁企业物资流、能量流和污染物流研究[J]．钢铁，2006，41(4)：82-87．

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[7] 蔡九菊，孙文强．中国钢铁工业的系统节能和科学用能[J]．钢铁,2012，47(5)：1-8．

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[10]项钟庸．高炉设计：炼铁工艺设计理论与实践[M]．北京：冶金工业出版社，2007：134．

[责任编辑 董 贞]

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，武汉科技大学硕士生. E-mail:tian112@126.com

戴方钦(1964-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师. E-mail: daifangqin@wust.edu.cn

TF1;TF5

A

1674-3644(2015)06-0424-07