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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)的重要參與者、貢獻者、引領(lǐng)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(guān)注。余熱余能自發(fā)電率是能源轉(zhuǎn)換功能的關(guān)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(lǐng)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(shè)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(guān)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(shè)定的程序在流程網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(shè)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。可再生能源發(fā)電方面，寶武集團利用廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電裝機容量已達90MW,鞍鋼集團飯魚圈基地建設(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)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(luò)。

（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(guān)的煤氣-蒸汽-電力系統(tǒng)存在相互耦合關(guān)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(shè)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(guān)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(guān)鍵技術(shù)的突破是破解現(xiàn)階段節(jié)能瓶頸的關(guān)鍵，這需要相關(guān)科研院所、設(shè)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(guān)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(lǐng)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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