林森   王天令

（包頭市大安鋼鐵有限責任公司  包頭市  014000）

摘要：提升余熱余能發(fā)電水平是提高鋼鐵系統(tǒng)能效和競爭力的有效途徑，也是實現(xiàn)鋼鐵綠色低碳發(fā)展的重要舉措。余熱余能自發(fā)電率是鋼鐵能源轉(zhuǎn)換功能的關鍵表征指標，通過制定行業(yè)標準科學評判余熱余能自發(fā)電率具有重要意義。研究認為，按目前成熟技術(shù)和管理能力，鋼鐵行業(yè)有提升二十個百分點自發(fā)電率的潛力，將帶來顯著的經(jīng)濟效益和節(jié)能降碳效益。以提升自發(fā)電為突破口，能夠加快推進鋼鐵綠色低碳發(fā)展。

關鍵詞：鋼鐵；能源轉(zhuǎn)換；余熱余能；自發(fā)電；綠色低碳

生態(tài)文明建設是國家戰(zhàn)略，進一步強化綠色低碳發(fā)展，對從根本上破解資源環(huán)境約束、建設生態(tài)文明、推動高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。鋼鐵工業(yè)是國家生態(tài)文明建設的重要參與者、貢獻者、引領者。殷瑞鉉院士提出鋼鐵工業(yè)是流程工業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)過程具有鋼鐵產(chǎn)品制造、能源轉(zhuǎn)換、廢棄物消納處理三大功能^[1]，鋼鐵的能源轉(zhuǎn)換功能越來越受到業(yè)界關注。余熱余能自發(fā)電率是能源轉(zhuǎn)換功能的關鍵表征指標，提升余熱余能發(fā)電水平是提高鋼鐵系統(tǒng)能效和競爭力的有效途徑^[2-6]，以后也是實現(xiàn)鋼鐵綠色低碳發(fā)展的重要舉措。因此本文提出，以提升自發(fā)電為突破口能夠加快推進鋼鐵綠色低碳發(fā)展。

1 提升鋼鐵余熱余能發(fā)電水平的重要性

現(xiàn)階段中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能進展主要體現(xiàn)在：（1）鋼鐵工藝結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，主體裝備水平大幅提升，部分焦爐、燒結(jié)、高爐技術(shù)經(jīng)濟指標，轉(zhuǎn)爐負能煉鋼水平以及軋鋼生產(chǎn)線控制技術(shù)已處于世界領先水平；（2）重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)能源轉(zhuǎn)換效率不斷提高，主要工序能耗逐年下降，2019年重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗（標煤）已降至554kg^[7]；（3）高參數(shù)煤氣發(fā)電、高溫高壓干熄焦、焦爐上升管余熱回收等一批先進適用節(jié)能技術(shù)快速推廣，為行業(yè)節(jié)能降耗提供了有力的支撐；（4）百余家鋼鐵企業(yè)建立了能源管理體系并有效實施，一批能源管控中心的建設促進了兩化融合并提升了能源管控信息化水平。

中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作取得積極進展，但仍存在工術(shù)創(chuàng)新水平不高等諸多問題，依然存在較大的節(jié)能潛力^[8-10]。鋼鐵企業(yè)一旦流程結(jié)構(gòu)、裝備水平確定下來，并且相應的節(jié)能措施配套齊全，則傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)節(jié)能、技術(shù)節(jié)能及管理節(jié)能的空間就日趨變窄。而提升自發(fā)電水平成為降低能源成本最直接、也是效益最明顯的抓手，自發(fā)電已成為影響鋼鐵企業(yè)能源成本的重要因素。余熱余能自發(fā)電影響噸鋼能源成本約100元以上^[4]，而2020年重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)平均噸鋼利潤為177元。足以看出，自發(fā)電帶來的效益對鋼鐵企業(yè)的效益及競爭力造成重要影響。

2 鋼鐵行業(yè)余熱余能發(fā)電進展及最佳實踐

2.1鋼鐵行業(yè)余熱余能發(fā)電進展

鋼鐵工業(yè)是流程工業(yè)，當前鋼鐵生產(chǎn)過程具有的鋼鐵產(chǎn)品制造、能源轉(zhuǎn)換、廢棄物消納處理三大功能中，鋼鐵流程的能源轉(zhuǎn)換功能越來越受到業(yè)界關注。鋼鐵制造（生產(chǎn)）的流程實際是一種動態(tài)運行的過程，其運行的物理本質(zhì)是鐵素物質(zhì)流在能量流的驅(qū)動和作用下，按照設定的程序在流程網(wǎng)絡作動態(tài)、有序的運行^[11]。

鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的大量余熱余能資源具有較高回收利用價值。鋼鐵余熱余能除生產(chǎn)預熱、加熱燃料、外供周邊外.通過能源轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為電力依然是當前主要利用方式^[12]。余熱余能自發(fā)電率是能源轉(zhuǎn)換功能的關鍵表征指標，可以用余熱余能自發(fā)電率來評價企業(yè)或行業(yè)的節(jié)能水平。

政府對鋼鐵余熱余能發(fā)電技術(shù)的獎補力度也很大，國家、地方節(jié)能獎補資金均將高參數(shù)煤氣發(fā)電、高溫高壓干熄焦等余熱余能利用項目列為重點支持項目。

2.2  鋼鐵行業(yè)余熱余能自發(fā)電最佳實踐

鋼鐵行業(yè)近年來自發(fā)電水平提高很快，一些企業(yè)的余熱余能自發(fā)電率超過90%。鋼鐵余熱余能發(fā)電技術(shù)主要包括煤氣發(fā)電、干熄焦發(fā)電、高爐干式余壓發(fā)電（TRT）、燒結(jié)余熱發(fā)電等。

以煤氣發(fā)電技術(shù)為例.其近年來快速發(fā)展，由原來的中溫中壓、高溫高壓發(fā)展到目前主流的高溫超高壓、超高溫超高壓、超高溫亞臨界參數(shù)發(fā)電，高爐煤氣單耗由5降至2.6m³/（kW-h）,先進機組的熱效率超過40%。鋼鐵企業(yè)通過主動淘汰中、低參數(shù)機組，結(jié)合將高爐汽動鼓風改為電動鼓風措施，集中煤氣資源建設高參數(shù)機組。高參數(shù)機組在中小型化方面取得突破，35MW超高壓及80、100MW亞臨界煤氣發(fā)電均已有數(shù)十臺（套）成熟工程案例。2020年初中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)有限公司、冶金工業(yè)規(guī)劃研究院等單位主編的行業(yè)標準《鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣發(fā)電技術(shù)規(guī)范MYB/T4881-2020）已發(fā)布，該標準的發(fā)布實施將進一步規(guī)范鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣發(fā)電技術(shù)，以提高發(fā)電效率。該規(guī)范中對不同規(guī)模的煤氣發(fā)電純凝機組做出了熱效率的規(guī)定，見表l

表1熱效率規(guī)定

Table1  Rule of thermal efficiency

其他幾項典型的節(jié)能發(fā)電技術(shù)方面，高爐TRT（含BPRT）、燒結(jié)余熱發(fā)電、干熄焦發(fā)電等配置率也逐年提高，今后的趨勢仍是提高效率?？稍偕茉窗l(fā)電方面，寶武集團利用廠房屋頂建設光伏發(fā)電裝機容量已達90MW,鞍鋼集團飯魚圈基地建設了總裝機容量為14MW的風力發(fā)電機組^[13]。

3  科學評判余熱余能自發(fā)電率

3.1  余熱余能自發(fā)電率影響因素

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)方式、流程結(jié)構(gòu)、裝備水平、工序范圍有所差異，統(tǒng)計口徑、計算方法、評價程序方法也不一致，影響了行業(yè)的對標評價以及政府部門的節(jié)能監(jiān)察工作。鋼鐵企業(yè)余熱余能自發(fā)電率是一個綜合指標，影響因素眾多，主要包括工藝流程結(jié)構(gòu)、能源購入及輸出、余熱余能、發(fā)電工藝裝置效率、用電側(cè)管理和裝置效率以及相關對應指標，見表2^[14]

在以上影響因素中，工藝流程結(jié)構(gòu)、能源購入及輸出這兩個關鍵因素及相應指標直接影響了企業(yè)之間自發(fā)電率的可比性。針對目前鋼鐵行業(yè)對自發(fā)電率不可比性的困惑以及行業(yè)對標及政府節(jié)能監(jiān)察的需要，冶金工業(yè)規(guī)劃研究院提出立項并研制《鋼鐵企業(yè)余熱余能自發(fā)電率評價導則H2019-0389T-YB）行業(yè)標準，以統(tǒng)一計算口徑、計算方法及評價程序方法。

表2余熱余能自發(fā)電率影響因素

Table2 Influencing factors for rate of power generation by surplus heat/energy

3.2 統(tǒng)一計算口徑

（1）計算時，工序上只到熱軋工序，冷軋及深加工工序耗用的煤氣、蒸汽折算為發(fā)電量進入計算，用電量不含冷軋及深加工工序。

（2）將購入天然氣折算為發(fā)電量進行抵扣；將外銷煤氣及蒸汽折算為發(fā)電量。

（3）為了使南、北方地區(qū)統(tǒng)一口徑，北方地區(qū)冬季以余熱蒸汽和余熱水采暖的，釆暖消耗的余熱蒸汽發(fā)電按夏季發(fā)電水平計入，利用余熱水釆暖的不予考慮。

3.3統(tǒng)一計算方法

自發(fā)電率基準值

SGR₁=（SG-SC)/EC×100%                               （1）

自發(fā)電率折算值

SGR₂=（SG+SG₁+SG₂-SG₃-SC)/EC×100%                     （2）

式中：SG為自發(fā)電量,10⁴kW•h；SC為機組自耗電量,10⁴kW•h；EC為全廠總用電量，10⁴kW•h；SG₁為外銷煤氣（包括供冷軋、制化產(chǎn)、外賣等）折算成的電量，10⁴kW•h；SG₂為外銷蒸汽折算成的電量，10⁴kW•h；SG₃為購入天然氣折算成的電量，10⁴kW•h。

3.4自發(fā)電率評價程序

（1）建立專家評審小組，負責開展鋼鐵余熱余能自發(fā)電率的評價工作。，

（2）查看統(tǒng)計報表、原始記錄，根據(jù)實際情況開展實地調(diào)研等工作，確保數(shù)據(jù)完整和正確。

（3）對資料進行分析，計算自發(fā)電率。

（4）依據(jù)余熱余能自發(fā)電率評價標準（表3）,評判企業(yè)自發(fā)電水平。

表3余熱余能自發(fā)電率評價標準

Table3 Evaluation standards for rate of self-power

Generation by surplus heat/energy

3.5科學評判余熱余能自發(fā)電率的重要意義

科學評判余熱余能自發(fā)電率的重要意義在于：通過統(tǒng)一計算口徑及計算方法準確測算自發(fā)電率，可以客觀比較鋼鐵企業(yè)之間自發(fā)電水平的差距，推動企業(yè)提高能效，進而合理評價鋼鐵企業(yè)節(jié)能工作的水平，其也能成為政府強化節(jié)能監(jiān)察管理的重要抓手。

4 提升自發(fā)電水平路徑措施

鋼鐵行業(yè)自發(fā)電水平不斷提高，但仍有較大的提升空間。自發(fā)電提升工作是一個系統(tǒng)工程，在表2余熱余能自發(fā)電率影響因素中，余熱余能、發(fā)電工藝裝置效率、用電側(cè)管理和裝置效率這三個關鍵因素及相應指標決定鋼鐵企業(yè)自發(fā)電水平高低。鋼鐵企業(yè)應積極促進高能效轉(zhuǎn)化工藝、裝備、管理技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)，特別要在分布式能源耦合及集成優(yōu)化、優(yōu)化煤氣發(fā)電機組配置、加大可再生能源應用實現(xiàn)多能互補、推廣應用節(jié)能節(jié)電技術(shù)方面釆取措施，以提高自發(fā)電水平。

4.1分布式能源耦合及集成優(yōu)化

（1）根據(jù)煤氣的資源量、品質(zhì)及工藝用戶需求不同，合理分配煤氣資源。

（2）考慮不同能源介質(zhì)的經(jīng)濟輸送半徑，形成經(jīng)濟規(guī)模，提高設備的開工率，建立多個區(qū)域性能源利用體系。

（3）優(yōu)化以蒸汽為載體的能源運行方式，避免將連續(xù)能源流供給不連續(xù)能源用戶，例如用機械真空泵替代蒸汽噴射泵;減少設置甚至取消蒸汽管網(wǎng)，余熱蒸汽就地發(fā)電上網(wǎng)，構(gòu)建科學、合理、高效的能源網(wǎng)絡。

（4）根據(jù)區(qū)域分布式利用原則，在高爐、焦化、燒結(jié)區(qū)域分別回收相應余熱作為吸收式制冷系統(tǒng)驅(qū)動熱源，使整個系統(tǒng)按能源品位分級利用和循環(huán)利用。

（5）跟自發(fā)電密切相關的煤氣-蒸汽-電力系統(tǒng)存在相互耦合關系，應遵循相互協(xié)同、優(yōu)勢互補的優(yōu)化利用原則.多系統(tǒng)耦合優(yōu)化是下一步的重要著力點。

4.2優(yōu)化煤氣發(fā)電機組配置

（1）科學系統(tǒng)制定煤氣平衡。由于煤氣產(chǎn)生與消耗作業(yè)制度不匹配，因此煤氣發(fā)電裝機規(guī)模應與鋼鐵企業(yè)富余煤氣資源量相適應，裝機規(guī)模宜為富余煤氣按日平均值計算的發(fā)電規(guī)模的1.1?1.25倍。

（2）兼顧高效與安全可靠性。煤氣發(fā)電機組優(yōu)先選取高溫超高壓及以上參數(shù)大容量單元制機組，并且宜按機組效率高低的優(yōu)先級次序合理規(guī)劃利用。結(jié)合鋼鐵企業(yè)電力系統(tǒng)接入便利性、總圖布局及煤氣調(diào)度靈活性等因素，發(fā)電機組可選用1臺或多臺。

（3）技術(shù)經(jīng)濟比選以保證投資效益最大化。節(jié)能發(fā)電的最終目的是降本增效，因此需對煤氣發(fā)電選型、配置組合等進行技術(shù)經(jīng)濟比選，以保證投資效益的最大化。

（4）向高參數(shù)機組發(fā)展。鋼鐵行業(yè)存在一定數(shù)量的中低參數(shù)機組，鋼鐵企業(yè)應加快淘汰低效機組，建設大型高參數(shù)發(fā)電機組，提高企業(yè)的自發(fā)電水平。

4.3加大可再生能源應用實現(xiàn)多能互補

鋼鐵行業(yè)可發(fā)展的可再生能源有光伏發(fā)電和風力發(fā)電，鋼鐵企業(yè)大面積的廠房具有發(fā)展屋頂光伏發(fā)電的天然優(yōu)勢，臨江靠海的鋼鐵企業(yè)具有發(fā)展風力發(fā)電的資源條件。今后具備條件的鋼鐵企業(yè)應逐步加大可再生能源發(fā)電的應用比例，使多能互補成為余熱余能發(fā)電的必要補充.從而促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及低碳發(fā)展。

4.4推廣應用節(jié)能節(jié)電技術(shù)

中國鋼鐵行業(yè)節(jié)能工作的進步得益于節(jié)能技術(shù)的不斷創(chuàng)新，未來技術(shù)的不斷創(chuàng)新仍將是進一步提高能源利用水平的關鍵。面對節(jié)能空間日趨變窄的嚴峻形勢，實現(xiàn)低碳冶金工藝技術(shù)、鋼鐵熔渣顯熱回收等關鍵技術(shù)的突破是破解現(xiàn)階段節(jié)能瓶頸的關鍵，這需要相關科研院所、設備制造企業(yè)以及鋼鐵企業(yè)的共同協(xié)作和努力。表4中列舉了當前鋼鐵行業(yè)各工序主要的先進適用節(jié)能技術(shù)。

表4當前鋼鐵行業(yè)主要先進適用節(jié)能技術(shù)表

Table4 List of main advanced and available energy saving technologies of iron and steel industry

5 效益

2019年全國粗鋼產(chǎn)量9.96億t,平均噸鋼耗電455kW•h,平均自發(fā)電率為53%。通過對百余家鋼鐵企業(yè)的調(diào)研，根據(jù)企業(yè)的不同情況，潛力最大的企業(yè)能夠提升四十個百分點的自發(fā)電率。研究認為，按目前成熟技術(shù)和管理能力，鋼鐵行業(yè)有提升二十個百分點自發(fā)電率的潛力，全行業(yè)每年可以減少外購電量906億kW•h,接近于三峽工程的年發(fā)電量968.8億kW•h,降低能源成本498億元,并將大幅提升全行業(yè)的能效水平、工藝潔凈度、盈利水平和競爭能力。

在節(jié)能降碳方面，鋼鐵企業(yè)自發(fā)電率的提高可以減少企業(yè)外購電量，每年相應減少社會電廠發(fā)電煤耗(標煤)2781萬t(折標系數(shù)按2019年全國火電供電煤耗(標煤)307g/(kW•h)取值)，降低二氧化碳排放5528萬t(取全國統(tǒng)一外購電力排放因子(COQO.6101t/(MW•h)),為破解鋼鐵行業(yè)能源、資源、碳約束做出積極貢獻。

6 結(jié)論

(1) “十四五”期間“控煤減碳”將成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的硬約束，鋼鐵流程能源轉(zhuǎn)換效率及功能價值亟待深度開發(fā)。在鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)成本差異不大的情況下，提高能效多發(fā)電已然成為最大效益點。未來誰搶占了余熱余能發(fā)電制高點，誰將會在激烈的市場競爭中贏得先機。

(2) 通過制定行業(yè)標準科學評判余熱余能自發(fā)電率具有重要意義，建議相關政府部門將余熱余能自發(fā)電率納入統(tǒng)計數(shù)據(jù)系列，作為開展節(jié)能監(jiān)察及“能效領跑者”評選的重要指標。

(3) 鋼鐵企業(yè)應積極促進高能效轉(zhuǎn)化工藝、裝備、管理技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)。在分布式能源耦合及集成優(yōu)化、煤氣發(fā)電機組配置優(yōu)化、提高可再生能源應用實現(xiàn)多能互補、推廣應用節(jié)能節(jié)電技術(shù)方面采取措施，以提高自發(fā)電水平。

(4) 提高余熱余能自發(fā)電具有顯著經(jīng)濟效益和節(jié)能降碳效益，能夠為破解鋼鐵行業(yè)能源、資源、碳約束做出積極貢獻.從而加快推進鋼鐵行業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

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