熊 超 程小矛

分布式能源梯級利用
——鋼鐵工業(yè)“十二五”節(jié)能的重要方向

熊 超 程小矛

鋼鐵工業(yè)“十二五”節(jié)能形勢嚴(yán)峻，尋找一條符合鋼鐵工業(yè)特色的節(jié)能方向?qū)︿撹F工業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。鋼鐵工業(yè)具有很強的能源轉(zhuǎn)換功能及熱管理特征，目前在能源利用中存在一定的問題；而分布式能源梯級利用是體現(xiàn)高效、安全、靈活多重優(yōu)點的能源利用方式，與鋼鐵工業(yè)有很好的契合點，應(yīng)當(dāng)作為鋼鐵工業(yè)“十二五”節(jié)能的重要方向積極推廣。

鋼鐵工業(yè) 分布式能源梯級利用 節(jié)能

我國鋼鐵工業(yè)在過去10年間的噸鋼能耗逐年下降，節(jié)能工作取得了一定的成效。但我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識到，鋼鐵工業(yè)“十二五”節(jié)能的工作難度將增加，節(jié)能的邊際投入會越來越大，但邊際效益會遞減。而且我國鋼鐵工業(yè)在“十一五”期間依然存在部分粗放的發(fā)展模式，難以滿足“十二五”國家節(jié)能目標(biāo)的需要。國家“十二五”節(jié)能的總體目標(biāo)和要求相比“十一五”更加系統(tǒng)全面，規(guī)劃綱要中提出的24個節(jié)能減排指標(biāo)有12個為約束性指標(biāo)，其中包括單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低16%，碳強度降低17%。國家通過碳強度約束來倒推節(jié)能強度與任務(wù)，給鋼鐵工業(yè)帶來了極大的壓力。因此，尋找符合鋼鐵工業(yè)特色的節(jié)能方向，對鋼鐵工業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

分布式能源利用是體現(xiàn)高效、安全、靈活多重優(yōu)點的能源利用方式，“十二五”規(guī)劃綱要明確提出要促進推廣。而鋼鐵工業(yè)具有很強的能源轉(zhuǎn)換功能及熱管理特征，消費的一次能源中以各種形態(tài)、品質(zhì)的熱能釋放出，能源供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)存在不匹配的狀況。因此，分布式能源梯級利用應(yīng)當(dāng)作為鋼鐵工業(yè)“十二五”節(jié)能的重要方向。

一、分布式能源的特點及發(fā)展

分布式能源是指分布在用戶側(cè)的能源綜合利用系統(tǒng)，實現(xiàn)以直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用；通過用戶對能源的不同需求，實現(xiàn)按質(zhì)用能，能級匹配，綜合利用，將輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低，從而實現(xiàn)能效的最大化；同時可以提高能源利用率和供電安全性，實現(xiàn)按需供能以及為用戶提供更多選擇，分布式能源利用成為了全球能源及制造產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。分布式能源利用促進了非傳統(tǒng)的燃料使用，清潔的分布式能源活動不僅是一項能源使用技術(shù)，更是一項戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)在世界各國備受重視。其中美國能源部工業(yè)技術(shù)項目2011年預(yù)算1億美元，其中便有25%用于工業(yè)分布式能源，促進熱電聯(lián)產(chǎn)和其他分布式能源解決方案的廣泛應(yīng)用。

二、鋼鐵工業(yè)發(fā)展分布式能源

鋼鐵工業(yè)制造流程是一個大規(guī)模能源循環(huán)系統(tǒng)，在構(gòu)成該系統(tǒng)的工序內(nèi)部，在各工序之間進行復(fù)雜的能量消耗、轉(zhuǎn)換、再生、輸送，而且鋼鐵聯(lián)合企業(yè)是具有很強的熱管理特征的企業(yè)。鋼鐵生產(chǎn)消費的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放出，其溫度上至1500℃，下至近于環(huán)境溫度的廣泛范圍，目前我國生產(chǎn)1噸鋼產(chǎn)生的余熱資源量約為8GJ-9GJ，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱：副產(chǎn)煤氣包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，一般歸為余能，但其顯熱及壓力能屬于余熱；排氣余熱多為爐窯排出廢氣帶走的熱，占余熱資源總量的一半左右，溫度范圍250℃-1000℃；固體余熱包括燒結(jié)礦、紅焦炭、高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣及鑄坯等，一般在500℃以上；廢汽廢水余熱包括蒸汽冷凝水、鍋爐汽包的排污水（90℃-100℃）、高爐沖渣水（70℃-90℃）等。

1.鋼鐵工業(yè)能源利用存在的問題

鋼鐵工業(yè)的余熱余能具有布局分散、品質(zhì)參差不齊的特點，造成了以傳統(tǒng)方式回收利用能源存在一定問題。而且二次能源生產(chǎn)總量總要大于消費量，在一定程度上存在能量供、需不匹配。目前鋼鐵工業(yè)能源利用普遍存在如下問題：

(1)余熱余能的回收往往重視回收輕視利用效率，造成了嚴(yán)重的無效回收。例如副產(chǎn)煤氣的回收都經(jīng)過煤氣除塵設(shè)施和煤氣加壓輸配設(shè)施，消耗了一定的成本，如回收的煤氣沒有找到合適的用戶而放散，這就是嚴(yán)重的無效回收現(xiàn)象。

(2)傳統(tǒng)的能源回收利用普遍采用長距離輸送方式，造成能流傳輸能耗高、傳輸損失大。例如長距離輸送中低溫的飽和蒸汽，會造成大量熱損失，不僅使回收能源又浪費掉，還會造成軟水流失形成新的損失。

(3)蒸汽系統(tǒng)沒有得到高效利用，鋼鐵企業(yè)目前普遍存在蒸汽大量放散現(xiàn)象，尤其是夏季，有很大的回收利用空間；與此同時，往往熱電配減溫減壓器供蒸汽管網(wǎng)，中間環(huán)節(jié)沒有任何對外做功過程，能量貶值非常大。

(4)部分耗能設(shè)備介質(zhì)使用不合理，沒有做到能級匹配和溫度對口。由于部分企業(yè)缺乏統(tǒng)一的用能管理及經(jīng)濟調(diào)節(jié)措施，使得各用能工序紛紛爭搶優(yōu)質(zhì)能源，最后往往就造成了高能低用的現(xiàn)象，從全局的角度來看能效低下。

2.分布式能源梯級利用先進理念

針對目前鋼鐵工業(yè)能源利用存在的一系列問題，發(fā)展分布式能源梯級利用有著重要的現(xiàn)實意義。我們這里所說的分布式能源利用，并不單指傳統(tǒng)意義上的分布式發(fā)電，而是站在更高層面根據(jù)不同品質(zhì)的能源介質(zhì)及不同區(qū)域，按照“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對口、梯級利用”的科學(xué)用能原則實現(xiàn)能源的就地轉(zhuǎn)換利用，形成多個區(qū)域性能源利用體系。

（1）根據(jù)煤氣資源的數(shù)量、品質(zhì)和用戶需求不同，合理分配使用煤氣，完善煤氣緩沖系統(tǒng)。煤氣的平衡與調(diào)度盡量做到物盡其用、就近利用、介質(zhì)單一和管網(wǎng)簡化，同時做到能源梯級利用，低熱值煤氣充分利用，富余出的高熱值燃料優(yōu)先考慮作為原料氣或集中制氫，實現(xiàn)副產(chǎn)煤氣資源化利用及高碳能源低碳化利用。

（2）余熱以蒸汽的形式回收較為普遍，對于蒸汽系統(tǒng)的研究，須研究熱源的穩(wěn)定性、回收品質(zhì)、熱用戶及輸送方式。熱力學(xué)第二定律指出在任何不可逆轉(zhuǎn)換過程中能質(zhì)是逐漸貶值的。因此要使能量得到有效利用，須盡可能減少沒必要的能量轉(zhuǎn)換，回收的余熱盡可能在本工序生產(chǎn)過程中直接利用，預(yù)熱助燃空氣及煤氣或者干燥物料，減少轉(zhuǎn)換熵增造成的能量損失，最后再考慮向電力及動力轉(zhuǎn)換。

（3）根據(jù)不同能源介質(zhì)的特性充分考慮經(jīng)濟輸送半徑，在經(jīng)濟輸送半徑內(nèi)集中盡可能多的能量，把多種廢熱和廢動力集中在同一個系統(tǒng)內(nèi)，以形成經(jīng)濟規(guī)模提高設(shè)備的開工率，而且考慮能量的貯存，建立具有一定規(guī)模效應(yīng)的地區(qū)式熱能利用系統(tǒng)。提高余熱質(zhì)量，高低溫余熱不要混合并盡可能集中高溫余熱。

3.分布式能源梯級利用典型技術(shù)

根據(jù)分布式能源梯級利用的先進理念，列舉以下幾項值得在行業(yè)內(nèi)推廣的技術(shù)：

（1） 高爐鼓風(fēng)熱電聯(lián)產(chǎn)

高爐鼓風(fēng)機站的作用是通過高爐鼓風(fēng)機將高爐所需參數(shù)的空氣送至熱風(fēng)爐供高爐生產(chǎn)使用，是高爐的心臟部分。遵循分布式能源梯級利用理念，在高爐區(qū)域內(nèi)建設(shè)高爐汽動鼓風(fēng)及熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高爐煤氣就地轉(zhuǎn)化及熱能的梯級利用，形成區(qū)域性熱能利用系統(tǒng)。某工程新建2座2500m3高爐，配套建設(shè)高爐鼓風(fēng)熱電聯(lián)產(chǎn)，采用高溫高壓參數(shù)系列的前置背壓式汽輪機的鼓風(fēng)形式，1臺220t/h高溫高壓鍋爐產(chǎn)生的540℃、9.8MPa蒸汽進入12MW前置背壓發(fā)電機組發(fā)電，背壓汽輪機的排汽進入中溫中壓蒸汽母管，帶動汽動鼓風(fēng)機組運行，從而實現(xiàn)高爐煤氣→蒸汽→熱電聯(lián)產(chǎn)→冷風(fēng)的能源轉(zhuǎn)換，同時避免了煤氣經(jīng)加壓輸配送至其他區(qū)域利用。為了保證高爐鼓風(fēng)運行的穩(wěn)定性及充分利用煤氣，在該區(qū)域另建1臺220t/h高溫高壓鍋爐及1臺50MW汽輪發(fā)電機，2臺鍋爐高溫高壓蒸汽母管連通，當(dāng)有1臺鍋爐發(fā)生故障時，犧牲發(fā)電效率優(yōu)先保障鼓風(fēng)機，保證高爐煉鐵的正常生產(chǎn)。高爐鼓風(fēng)熱電聯(lián)產(chǎn)工藝流程見圖1。

(2)轉(zhuǎn)爐蒸汽直供精煉集成利用技術(shù)

國內(nèi)各鋼鐵廠VD、RH真空精煉系統(tǒng)深度真空的獲得主要依靠蒸汽引射，而轉(zhuǎn)爐汽化冷卻產(chǎn)生的蒸汽具有不連續(xù)性和波動性的特點，不少企業(yè)選擇采取專用快速鍋爐或熱電廠中溫中壓蒸汽減溫減壓等方式保證真空精煉系統(tǒng)用汽，而轉(zhuǎn)爐自產(chǎn)蒸汽往往得不到有效利用而放散造成能源損失。目前部分鋼鐵企業(yè)開發(fā)了轉(zhuǎn)爐蒸汽直供精煉集成利用技術(shù)，通過提高轉(zhuǎn)爐汽包工作壓力和蓄熱器蓄積熱量，以相對穩(wěn)定的壓力和流量進入蒸汽濾潔器除水垢后，進入低壓蒸汽燃氣式過熱裝置將飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽后，實現(xiàn)“一機兩用”，優(yōu)先直供VD、RH真空精煉裝置，富余蒸汽并入全廠蒸汽管網(wǎng)。值得注意的是，過熱裝置以轉(zhuǎn)爐煤氣為燃料，做到了就地取材、綜合利用余熱余能，實現(xiàn)能源的梯級利用、循環(huán)利用，形成了一個高效的區(qū)域性熱能利用系統(tǒng)。

(3)分布式熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)

熱電冷聯(lián)產(chǎn)，是將制熱（包括供暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程集成化的能量系統(tǒng)。其最大的特點就是對不同品質(zhì)的能量進行梯級利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來發(fā)電，而發(fā)電后的低品位蒸汽用于工業(yè)生產(chǎn)或制冷，同時將汽輪發(fā)電機冷凝器的廢熱用于供暖和供應(yīng)生活熱水。鋼鐵企業(yè)在熱電聯(lián)產(chǎn)方面相對比較重視，廣泛應(yīng)用的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)及抽汽凝汽式熱電機組均屬于熱電聯(lián)產(chǎn)的范疇，CCPP的裝機容量從50MW至300MW，熱電機組的裝機容量最大也達到300MW，在一定程度上實現(xiàn)了能源的梯級利用。但是企業(yè)往往忽視了冷負荷需求，沒有實現(xiàn)熱、電、冷最具經(jīng)濟潛力的組合方式，工藝?yán)鋮s及企業(yè)的辦公樓和車間操作室一般采用電壓縮機空調(diào)制冷，此方面的電量消耗也不可小視。因此，應(yīng)根據(jù)實際情況在靠近用戶側(cè)建立熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)或者熱、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場余熱資源及熱負荷、冷負荷的具體情況，采用熱泵技術(shù)、吸收式制冷技術(shù)、噴射制冷技術(shù)在內(nèi)的熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用以提高系統(tǒng)能源利用效率。

根據(jù)區(qū)域分布式利用原則，在高爐區(qū)域可利用高爐沖渣水余熱驅(qū)動吸收式制冷機，作為高爐鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)的冷源；在焦化區(qū)域可利用焦?fàn)t煤氣或干熄焦蒸汽驅(qū)動吸收式制冷機，作為焦?fàn)t煤氣凈化工藝?yán)湓?；利用焦?fàn)t、燒結(jié)、熱風(fēng)爐等中低溫?zé)煔怛?qū)動制冷機組；同時采用吸收式或噴射式制冷方式也可以平衡熱電廠的冬、夏熱負荷，提高熱電廠的節(jié)能和經(jīng)濟效益，使整個系統(tǒng)按能源品位分級利用和循環(huán)利用，是標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)經(jīng)濟模式。

4.1000萬噸級鋼鐵企業(yè)典型案例分析

以下選取某1000萬噸級鋼鐵企業(yè)作為典型案例進行分析。該企業(yè)現(xiàn)粗鋼規(guī)模800萬噸，產(chǎn)品以板材及棒線材等一次材為主。根據(jù)企業(yè)“十二五”節(jié)能規(guī)劃，經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后及裝備升級，粗鋼規(guī)模將達到1080萬噸。在節(jié)能規(guī)劃中充分考慮了分布式能源利用原則，同時根據(jù)企業(yè)總圖布局，重點實施了焦化干熄焦、煙氣煤調(diào)濕、燒結(jié)余熱補汽凝汽式發(fā)電、高爐鼓風(fēng)熱電聯(lián)產(chǎn)、飽和蒸汽發(fā)電、轉(zhuǎn)爐蒸汽直供精煉技術(shù)、高爐沖渣水余熱利用、蒸汽溴化鋰制冷等節(jié)能技術(shù)，煤氣、蒸汽等能源介質(zhì)得到區(qū)域性優(yōu)化利用，最終形成全廠數(shù)十個能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，極大地提高了全廠能源利用效率。企業(yè)利用余熱余能發(fā)電合計裝機容量達到524MW，使企業(yè)的自發(fā)電比例超過70%，達到行業(yè)最先進水平。

三、結(jié)束語

現(xiàn)今對能源的利用已經(jīng)從規(guī)模決定經(jīng)濟的理念逐步向經(jīng)濟決定規(guī)模理念轉(zhuǎn)變，根據(jù)能源的實際需求從經(jīng)濟的角度確定能源供應(yīng)的規(guī)模。分布式能源梯級利用的核心在于高效、靈活、靠近用戶，對于分布式能源利用系統(tǒng)要強調(diào)分布式，不能熱衷于擴大項目規(guī)模及投資規(guī)模，而更應(yīng)該去關(guān)注效益規(guī)模，積極尋求資源代價、環(huán)境代價、資金代價最低，經(jīng)濟效益和社會效益最佳的項目。分布式能源系統(tǒng)不僅是一種技術(shù)、一種能源利用方式，更是一項新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展重要的著力點。分布式能源將在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式的大變革中發(fā)揮重大作用，同時分布式能源也是合理控制能源消費總量的重大舉措。我國鋼鐵工業(yè)具有發(fā)展分布式能源的優(yōu)越條件，又恰逢國家政策的空前支持，“十二五”期間鋼鐵工業(yè)分布式能源利用的前景值得我們期待。

[1]王振銘.熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能源與能源節(jié)約[J].節(jié)能，2005(5)：4-9.

[2]蔡九菊.以科學(xué)用能應(yīng)對未來的能源挑戰(zhàn)[A].全國能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)論文集[C].江西：中國金屬學(xué)會，2008.22-28

[3]丁毅.余熱高效利用及煤氣發(fā)電經(jīng)濟性研究[A].第七屆中國鋼鐵年會論文集[C].北京：中國金屬學(xué)會，2009

[4]甄玉科.分布式電站補汽技術(shù)的應(yīng)用 [J].節(jié)能與環(huán)保，2009(4)：41-42.

冶金工業(yè)規(guī)劃研究院）