分布式能源梯级利用——钢铁工业“十二五”节能的重要方向

熊 超 程小矛

分布式能源梯级利用
——钢铁工业“十二五”节能的重要方向

熊 超 程小矛

钢铁工业“十二五”节能形势严峻，寻找一条符合钢铁工业特色的节能方向对钢铁工业的健康稳定发展具有重要意义。钢铁工业具有很强的能源转换功能及热管理特征，目前在能源利用中存在一定的问题；而分布式能源梯级利用是体现高效、安全、灵活多重优点的能源利用方式，与钢铁工业有很好的契合点，应当作为钢铁工业“十二五”节能的重要方向积极推广。

钢铁工业 分布式能源梯级利用 节能

我国钢铁工业在过去10年间的吨钢能耗逐年下降，节能工作取得了一定的成效。但我们也应清醒地认识到，钢铁工业“十二五”节能的工作难度将增加，节能的边际投入会越来越大，但边际效益会递减。而且我国钢铁工业在“十一五”期间依然存在部分粗放的发展模式，难以满足“十二五”国家节能目标的需要。国家“十二五”节能的总体目标和要求相比“十一五”更加系统全面，规划纲要中提出的24个节能减排指标有12个为约束性指标，其中包括单位国内生产总值能耗降低16%，碳强度降低17%。国家通过碳强度约束来倒推节能强度与任务，给钢铁工业带来了极大的压力。因此，寻找符合钢铁工业特色的节能方向，对钢铁工业的健康稳定发展具有重要意义。

分布式能源利用是体现高效、安全、灵活多重优点的能源利用方式，“十二五”规划纲要明确提出要促进推广。而钢铁工业具有很强的能源转换功能及热管理特征，消费的一次能源中以各种形态、品质的热能释放出，能源供应侧与需求侧存在不匹配的状况。因此，分布式能源梯级利用应当作为钢铁工业“十二五”节能的重要方向。

一、分布式能源的特点及发展

分布式能源是指分布在用户侧的能源综合利用系统，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用；通过用户对能源的不同需求，实现按质用能，能级匹配，综合利用，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能效的最大化；同时可以提高能源利用率和供电安全性，实现按需供能以及为用户提供更多选择，分布式能源利用成为了全球能源及制造产业的重要发展方向。分布式能源利用促进了非传统的燃料使用，清洁的分布式能源活动不仅是一项能源使用技术，更是一项战略新兴产业在世界各国备受重视。其中美国能源部工业技术项目2011年预算1亿美元，其中便有25%用于工业分布式能源，促进热电联产和其他分布式能源解决方案的广泛应用。

二、钢铁工业发展分布式能源

钢铁工业制造流程是一个大规模能源循环系统，在构成该系统的工序内部，在各工序之间进行复杂的能量消耗、转换、再生、输送，而且钢铁联合企业是具有很强的热管理特征的企业。钢铁生产消费的一次能源中约40%以某种形式的热能释放出，其温度上至1500℃，下至近于环境温度的广泛范围，目前我国生产1吨钢产生的余热资源量约为8GJ-9GJ，主要分为副产煤气、排气余热、固体余热及废汽废水余热：副产煤气包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，一般归为余能，但其显热及压力能属于余热；排气余热多为炉窑排出废气带走的热，占余热资源总量的一半左右，温度范围250℃-1000℃；固体余热包括烧结矿、红焦炭、高炉渣、转炉渣及铸坯等，一般在500℃以上；废汽废水余热包括蒸汽冷凝水、锅炉汽包的排污水（90℃-100℃）、高炉冲渣水（70℃-90℃）等。

1.钢铁工业能源利用存在的问题

钢铁工业的余热余能具有布局分散、品质参差不齐的特点，造成了以传统方式回收利用能源存在一定问题。而且二次能源生产总量总要大于消费量，在一定程度上存在能量供、需不匹配。目前钢铁工业能源利用普遍存在如下问题：

(1)余热余能的回收往往重视回收轻视利用效率，造成了严重的无效回收。例如副产煤气的回收都经过煤气除尘设施和煤气加压输配设施，消耗了一定的成本，如回收的煤气没有找到合适的用户而放散，这就是严重的无效回收现象。

(2)传统的能源回收利用普遍采用长距离输送方式，造成能流传输能耗高、传输损失大。例如长距离输送中低温的饱和蒸汽，会造成大量热损失，不仅使回收能源又浪费掉，还会造成软水流失形成新的损失。

(3)蒸汽系统没有得到高效利用，钢铁企业目前普遍存在蒸汽大量放散现象，尤其是夏季，有很大的回收利用空间；与此同时，往往热电配减温减压器供蒸汽管网，中间环节没有任何对外做功过程，能量贬值非常大。

(4)部分耗能设备介质使用不合理，没有做到能级匹配和温度对口。由于部分企业缺乏统一的用能管理及经济调节措施，使得各用能工序纷纷争抢优质能源，最后往往就造成了高能低用的现象，从全局的角度来看能效低下。

2.分布式能源梯级利用先进理念

针对目前钢铁工业能源利用存在的一系列问题，发展分布式能源梯级利用有着重要的现实意义。我们这里所说的分布式能源利用，并不单指传统意义上的分布式发电，而是站在更高层面根据不同品质的能源介质及不同区域，按照“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的科学用能原则实现能源的就地转换利用，形成多个区域性能源利用体系。

（1）根据煤气资源的数量、品质和用户需求不同，合理分配使用煤气，完善煤气缓冲系统。煤气的平衡与调度尽量做到物尽其用、就近利用、介质单一和管网简化，同时做到能源梯级利用，低热值煤气充分利用，富余出的高热值燃料优先考虑作为原料气或集中制氢，实现副产煤气资源化利用及高碳能源低碳化利用。

（2）余热以蒸汽的形式回收较为普遍，对于蒸汽系统的研究，须研究热源的稳定性、回收品质、热用户及输送方式。热力学第二定律指出在任何不可逆转换过程中能质是逐渐贬值的。因此要使能量得到有效利用，须尽可能减少没必要的能量转换，回收的余热尽可能在本工序生产过程中直接利用，预热助燃空气及煤气或者干燥物料，减少转换熵增造成的能量损失，最后再考虑向电力及动力转换。

（3）根据不同能源介质的特性充分考虑经济输送半径，在经济输送半径内集中尽可能多的能量，把多种废热和废动力集中在同一个系统内，以形成经济规模提高设备的开工率，而且考虑能量的贮存，建立具有一定规模效应的地区式热能利用系统。提高余热质量，高低温余热不要混合并尽可能集中高温余热。

3.分布式能源梯级利用典型技术

根据分布式能源梯级利用的先进理念，列举以下几项值得在行业内推广的技术：

（1） 高炉鼓风热电联产

高炉鼓风机站的作用是通过高炉鼓风机将高炉所需参数的空气送至热风炉供高炉生产使用，是高炉的心脏部分。遵循分布式能源梯级利用理念，在高炉区域内建设高炉汽动鼓风及热电联产装置，能够实现高炉煤气就地转化及热能的梯级利用，形成区域性热能利用系统。某工程新建2座2500m3高炉，配套建设高炉鼓风热电联产，采用高温高压参数系列的前置背压式汽轮机的鼓风形式，1台220t/h高温高压锅炉产生的540℃、9.8MPa蒸汽进入12MW前置背压发电机组发电，背压汽轮机的排汽进入中温中压蒸汽母管，带动汽动鼓风机组运行，从而实现高炉煤气→蒸汽→热电联产→冷风的能源转换，同时避免了煤气经加压输配送至其他区域利用。为了保证高炉鼓风运行的稳定性及充分利用煤气，在该区域另建1台220t/h高温高压锅炉及1台50MW汽轮发电机，2台锅炉高温高压蒸汽母管连通，当有1台锅炉发生故障时，牺牲发电效率优先保障鼓风机，保证高炉炼铁的正常生产。高炉鼓风热电联产工艺流程见图1。

(2)转炉蒸汽直供精炼集成利用技术

国内各钢铁厂VD、RH真空精炼系统深度真空的获得主要依靠蒸汽引射，而转炉汽化冷却产生的蒸汽具有不连续性和波动性的特点，不少企业选择采取专用快速锅炉或热电厂中温中压蒸汽减温减压等方式保证真空精炼系统用汽，而转炉自产蒸汽往往得不到有效利用而放散造成能源损失。目前部分钢铁企业开发了转炉蒸汽直供精炼集成利用技术，通过提高转炉汽包工作压力和蓄热器蓄积热量，以相对稳定的压力和流量进入蒸汽滤洁器除水垢后，进入低压蒸汽燃气式过热装置将饱和蒸汽加热为过热蒸汽后，实现“一机两用”，优先直供VD、RH真空精炼装置，富余蒸汽并入全厂蒸汽管网。值得注意的是，过热装置以转炉煤气为燃料，做到了就地取材、综合利用余热余能，实现能源的梯级利用、循环利用，形成了一个高效的区域性热能利用系统。

(3)分布式热、电、冷联产

热电冷联产，是将制热（包括供暖和供热水）、制冷及发电过程集成化的能量系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来发电，而发电后的低品位蒸汽用于工业生产或制冷，同时将汽轮发电机冷凝器的废热用于供暖和供应生活热水。钢铁企业在热电联产方面相对比较重视，广泛应用的燃气蒸汽联合循环发电机组(CCPP)及抽汽凝汽式热电机组均属于热电联产的范畴，CCPP的装机容量从50MW至300MW，热电机组的装机容量最大也达到300MW，在一定程度上实现了能源的梯级利用。但是企业往往忽视了冷负荷需求，没有实现热、电、冷最具经济潜力的组合方式，工艺冷却及企业的办公楼和车间操作室一般采用电压缩机空调制冷，此方面的电量消耗也不可小视。因此，应根据实际情况在靠近用户侧建立热、电、冷三联产循环系统或者热、冷联产系统，结合现场余热资源及热负荷、冷负荷的具体情况，采用热泵技术、吸收式制冷技术、喷射制冷技术在内的热电冷联产技术应用以提高系统能源利用效率。

根据区域分布式利用原则，在高炉区域可利用高炉冲渣水余热驱动吸收式制冷机，作为高炉鼓风脱湿系统的冷源；在焦化区域可利用焦炉煤气或干熄焦蒸汽驱动吸收式制冷机，作为焦炉煤气净化工艺冷源；利用焦炉、烧结、热风炉等中低温烟气驱动制冷机组；同时采用吸收式或喷射式制冷方式也可以平衡热电厂的冬、夏热负荷，提高热电厂的节能和经济效益，使整个系统按能源品位分级利用和循环利用，是标准的循环经济模式。

4.1000万吨级钢铁企业典型案例分析

以下选取某1000万吨级钢铁企业作为典型案例进行分析。该企业现粗钢规模800万吨，产品以板材及棒线材等一次材为主。根据企业“十二五”节能规划，经产品结构调整、淘汰落后及装备升级，粗钢规模将达到1080万吨。在节能规划中充分考虑了分布式能源利用原则，同时根据企业总图布局，重点实施了焦化干熄焦、烟气煤调湿、烧结余热补汽凝汽式发电、高炉鼓风热电联产、饱和蒸汽发电、转炉蒸汽直供精炼技术、高炉冲渣水余热利用、蒸汽溴化锂制冷等节能技术，煤气、蒸汽等能源介质得到区域性优化利用，最终形成全厂数十个能源转换子系统，极大地提高了全厂能源利用效率。企业利用余热余能发电合计装机容量达到524MW，使企业的自发电比例超过70%，达到行业最先进水平。

三、结束语

现今对能源的利用已经从规模决定经济的理念逐步向经济决定规模理念转变，根据能源的实际需求从经济的角度确定能源供应的规模。分布式能源梯级利用的核心在于高效、灵活、靠近用户，对于分布式能源利用系统要强调分布式，不能热衷于扩大项目规模及投资规模，而更应该去关注效益规模，积极寻求资源代价、环境代价、资金代价最低，经济效益和社会效益最佳的项目。分布式能源系统不仅是一种技术、一种能源利用方式，更是一项新兴的战略产业和经济发展重要的着力点。分布式能源将在调整能源结构转变经济增长方式的大变革中发挥重大作用，同时分布式能源也是合理控制能源消费总量的重大举措。我国钢铁工业具有发展分布式能源的优越条件，又恰逢国家政策的空前支持，“十二五”期间钢铁工业分布式能源利用的前景值得我们期待。

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冶金工业规划研究院）