林森   王天令

（包頭市大安鋼鐵有限責任公司  包頭市  014000）

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

關鍵詞：鋼鐵；能源轉換；余熱余能；自發電；綠色低碳

生態文明建設是國家戰略，進一步強化綠色低碳發展，對從根本上破解資源環境約束、建設生態文明、推動高質量發展具有重要意義。鋼鐵工業是國家生態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是流程工業，鋼鐵生產過程具有鋼鐵產品制造、能源轉換、廢棄物消納處理三大功能^[1]，鋼鐵的能源轉換功能越來越受到業界關注。余熱余能自發電率是能源轉換功能的關鍵表征指標，提升余熱余能發電水平是提高鋼鐵系統能效和競爭力的有效途徑^[2-6]，以后也是實現鋼鐵綠色低碳發展的重要舉措。因此本文提出，以提升自發電為突破口能夠加快推進鋼鐵綠色低碳發展。

1 提升鋼鐵余熱余能發電水平的重要性

現階段中國鋼鐵工業節能進展主要體現在：（1）鋼鐵工藝結構不斷優化，主體裝備水平大幅提升，部分焦爐、燒結、高爐技術經濟指標，轉爐負能煉鋼水平以及軋鋼生產線控制技術已處于世界領先水平；（2）重點統計鋼鐵企業能源轉換效率不斷提高，主要工序能耗逐年下降，2019年重點統計鋼鐵企業噸鋼綜合能耗（標煤）已降至554kg^[7]；（3）高參數煤氣發電、高溫高壓干熄焦、焦爐上升管余熱回收等一批先進適用節能技術快速推廣，為行業節能降耗提供了有力的支撐；（4）百余家鋼鐵企業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。

中國鋼鐵工業節能工作取得積極進展，但仍存在工術創新水平不高等諸多問題，依然存在較大的節能潛力^[8-10]。鋼鐵企業一旦流程結構、裝備水平確定下來，并且相應的節能措施配套齊全，則傳統的結構節能、技術節能及管理節能的空間就日趨變窄。而提升自發電水平成為降低能源成本最直接、也是效益最明顯的抓手，自發電已成為影響鋼鐵企業能源成本的重要因素。余熱余能自發電影響噸鋼能源成本約100元以上^[4]，而2020年重點統計鋼鐵企業平均噸鋼利潤為177元。足以看出，自發電帶來的效益對鋼鐵企業的效益及競爭力造成重要影響。

2 鋼鐵行業余熱余能發電進展及最佳實踐

2.1鋼鐵行業余熱余能發電進展

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

鋼鐵企業產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預熱、加熱燃料、外供周邊外.通過能源轉換將其轉換為電力依然是當前主要利用方式^[12]。余熱余能自發電率是能源轉換功能的關鍵表征指標，可以用余熱余能自發電率來評價企業或行業的節能水平。

政府對鋼鐵余熱余能發電技術的獎補力度也很大，國家、地方節能獎補資金均將高參數煤氣發電、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  鋼鐵行業余熱余能自發電最佳實踐

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

以煤氣發電技術為例.其近年來快速發展，由原來的中溫中壓、高溫高壓發展到目前主流的高溫超高壓、超高溫超高壓、超高溫亞臨界參數發電，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%。鋼鐵企業通過主動淘汰中、低參數機組，結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機組。高參數機組在中小型化方面取得突破，35MW超高壓及80、100MW亞臨界煤氣發電均已有數十臺（套）成熟工程案例。2020年初中冶南方都市環保工程技術有限公司、冶金工業規劃研究院等單位主編的行業標準《鋼鐵企業副產煤氣發電技術規范MYB/T4881-2020）已發布，該標準的發布實施將進一步規范鋼鐵企業副產煤氣發電技術，以提高發電效率。該規范中對不同規模的煤氣發電純凝機組做出了熱效率的規定，見表l

表1熱效率規定

Table1  Rule of thermal efficiency

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

3  科學評判余熱余能自發電率

3.1  余熱余能自發電率影響因素

鋼鐵企業生產方式、流程結構、裝備水平、工序范圍有所差異，統計口徑、計算方法、評價程序方法也不一致，影響了行業的對標評價以及政府部門的節能監察工作。鋼鐵企業余熱余能自發電率是一個綜合指標，影響因素眾多，主要包括工藝流程結構、能源購入及輸出、余熱余能、發電工藝裝置效率、用電側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，工藝流程結構、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之間自發電率的可比性。針對目前鋼鐵行業對自發電率不可比性的困惑以及行業對標及政府節能監察的需要，冶金工業規劃研究院提出立項并研制《鋼鐵企業余熱余能自發電率評價導則H2019-0389T-YB）行業標準，以統一計算口徑、計算方法及評價程序方法。

表2余熱余能自發電率影響因素

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

3.2 統一計算口徑

（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電量進行抵扣；將外銷煤氣及蒸汽折算為發電量。

（3）為了使南、北方地區統一口徑，北方地區冬季以余熱蒸汽和余熱水采暖的，釆暖消耗的余熱蒸汽發電按夏季發電水平計入，利用余熱水釆暖的不予考慮。

3.3統一計算方法

自發電率基準值

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

自發電率折算值

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

式中：SG為自發電量,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、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電率的評價工作。，

（2）查看統計報表、原始記錄，根據實際情況開展實地調研等工作，確保數據完整和正確。

（3）對資料進行分析，計算自發電率。

（4）依據余熱余能自發電率評價標準（表3）,評判企業自發電水平。

表3余熱余能自發電率評價標準

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電率的重要意義

科學評判余熱余能自發電率的重要意義在于：通過統一計算口徑及計算方法準確測算自發電率，可以客觀比較鋼鐵企業之間自發電水平的差距，推動企業提高能效，進而合理評價鋼鐵企業節能工作的水平，其也能成為政府強化節能監察管理的重要抓手。

4 提升自發電水平路徑措施

鋼鐵行業自發電水平不斷提高，但仍有較大的提升空間。自發電提升工作是一個系統工程，在表2余熱余能自發電率影響因素中，余熱余能、發電工藝裝置效率、用電側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自發電水平高低。鋼鐵企業應積極促進高能效轉化工藝、裝備、管理技術創新開發，特別要在分布式能源耦合及集成優化、優化煤氣發電機組配置、加大可再生能源應用實現多能互補、推廣應用節能節電技術方面釆取措施，以提高自發電水平。

4.1分布式能源耦合及集成優化

（1）根據煤氣的資源量、品質及工藝用戶需求不同，合理分配煤氣資源。

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

（3）優化以蒸汽為載體的能源運行方式，避免將連續能源流供給不連續能源用戶，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，余熱蒸汽就地發電上網，構建科學、合理、高效的能源網絡。

（4）根據區域分布式利用原則，在高爐、焦化、燒結區域分別回收相應余熱作為吸收式制冷系統驅動熱源，使整個系統按能源品位分級利用和循環利用。

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

4.2優化煤氣發電機組配置

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

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

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

（4）向高參數機組發展。鋼鐵行業存在一定數量的中低參數機組，鋼鐵企業應加快淘汰低效機組，建設大型高參數發電機組，提高企業的自發電水平。

4.3加大可再生能源應用實現多能互補

鋼鐵行業可發展的可再生能源有光伏發電和風力發電，鋼鐵企業大面積的廠房具有發展屋頂光伏發電的天然優勢，臨江靠海的鋼鐵企業具有發展風力發電的資源條件。今后具備條件的鋼鐵企業應逐步加大可再生能源發電的應用比例，使多能互補成為余熱余能發電的必要補充.從而促進能源結構優化及低碳發展。

4.4推廣應用節能節電技術

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

表4當前鋼鐵行業主要先進適用節能技術表

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

5 效益

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

在節能降碳方面，鋼鐵企業自發電率的提高可以減少企業外購電量，每年相應減少社會電廠發電煤耗(標煤)2781萬t(折標系數按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(取全國統一外購電力排放因子(COQO.6101t/(MW•h)),為破解鋼鐵行業能源、資源、碳約束做出積極貢獻。

6 結論

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

(2) 通過制定行業標準科學評判余熱余能自發電率具有重要意義，建議相關政府部門將余熱余能自發電率納入統計數據系列，作為開展節能監察及“能效領跑者”評選的重要指標。

(3) 鋼鐵企業應積極促進高能效轉化工藝、裝備、管理技術創新開發。在分布式能源耦合及集成優化、煤氣發電機組配置優化、提高可再生能源應用實現多能互補、推廣應用節能節電技術方面采取措施，以提高自發電水平。

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

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