钢铁行业错峰生产降本增效实践

2024-02-28黄厚亮沙锦荣

冶金动力 2024年1期

陆培，施亚，周艳，黄厚亮，沙锦荣

（江苏永钢集团有限公司，江苏张家港 215600）

引言

在钢铁生产过程中，由于碳元素的不完全燃烧，多个工序会副产煤气资源，包括焦炉煤气、高炉煤气以及转炉煤气。焦炉煤气热值约18 000 kJ∕m3、高炉煤气热值约3 600 kJ∕m3、转炉煤气热值约7 000 kJ∕m3。这些煤气资源除用于生产工艺用气外，剩余部分主要供给煤气发电机组发电。煤气发电可减少富余煤气放散引起的环境污染，同时通过对其资源化利用，可减少企业外购电量，降低吨钢外购能源费用，提高企业竞争力。因此，近年来，国内钢铁企业几乎都建成了煤气发电装置，且迅速往大型化、高效化发展，如宝钢300 MW 煤气发电机组，马钢北湖发电厂183 MW CCPP 发电机组、津西钢铁135 MW超超临界煤气发电机组等。

由于日间和夜间对电网供电需求的不平衡，工业用电基本已采取峰平谷差额电价供给方式，各地根据当地电力结构及用电负荷调整价差。一般日间用电集中，对电网供电需求大的为峰电期，电价会适当上浮，而夜间需求量小的为谷电期，电价会适当下调［1］。2021 年7 月国家发改委发布《国家发展改革委关于进一步完善分时电价机制的通知》（发改价格〔2021〕1093 号），明确要求各地划分峰谷时段、合理确定峰谷电价差。上海、湖北、河南、江西、山东、河北等多地开启峰谷分时电价机制，如河南省发布通知规定2022 年12 月起峰平谷电价比调整为1.71∶1∶0.47；江西省通知适当扩大峰谷价差，高峰时段电价上浮50%，低谷时段电价下浮50%，较此前扩大了20%；湖北省调整后最大峰谷电价差达到1.01 元∕kWh，较原来增加了0.15 元∕kWh。［2］

基于峰谷电差额电价供给方式，以江苏永钢集团为例，提出一种煤气全流程错峰发电及错峰生产用电的模式，利用钢铁企业煤气发电机组调控外购电比例，在不影响生产的前提下，减少峰电期间企业从电网的购电量。通过错峰用能实施案例，分析煤气的贮存、使用过程，结合产线生产节奏，以错峰用电的管理思路进一步创新用能管控模式。

1 用能情况

1.1 江苏地区分时电价

2021年10月江苏省发改委发布《省发展改革委关于进一步做好深化燃煤发电上网电价市场化改革工作的通知》（苏发改价格发〔2021〕1008 号），规定高峰、平段、低谷时段电价以市场交易购电价格为基础按照统一比例进行调整，其中大工业用电高峰时段上浮71.96%，平期时段按市场交易价格，低谷时段下浮58.15%。2021 年江苏省外购分时电价见表1，其中峰谷电价差高达0.832 4 元∕kWh，错峰用电降本效益潜力巨大。

表1 2021年江苏省外购分时电价

1.2 永钢用能情况

由于钢铁行业富余煤气资源主要用于煤气发电，因此对于外购电力降本分为发电侧及用电侧降本。发电侧主要以煤气错峰负荷控制为主，通过减少峰电时段煤气用量，提升该时段煤气发电负荷，从而降低外购电成本。用电侧主要依靠生产单位进行错峰生产，主要以优化检修排产为主。本文主要分析研究煤气峰平谷管理理念，从煤气错峰使用上寻找降本空间。

统计永钢煤气资源使用情况，除发电外各炉窑设备用气量及其占比见表2，其中高炉热风炉、加热炉、烧结点火炉、石灰窑的用气量占比相对较高，分别为48.07%、31.81%、4.56%、3.99%。

表2 各炉窑设备用气量及其占比

统计2022年一季度各煤气发电机组发电负荷，峰、平、谷煤气消耗比例分别为33.9%、33.5%、32.6%。综合各机组满负荷发电时煤气消耗能力，峰、平、谷时段的煤气缺口分别为6.32 万m3∕h、6.96 万m3∕h、8.89 万m3∕h，具备开展错峰用能的空间。

2 发电错峰

2.1 煤气柜储气调整

煤气柜储气调整是利用高炉、转炉煤气柜的储气能力，在谷、平价电时段内对煤气进行收气，在峰价电时段将煤气供发电使用，以提高发电价值的方法，该法目前在行业中应用较为普遍。以10 万m3高炉煤气柜、12 万m3转炉煤气柜以及5 万m3转炉煤气柜为例，当预测峰价电时段煤气存在不足，发电不能满发时，在谷价及平价电时段进行收气。收气柜容控制标准为：10 万m3高炉煤气柜容≥6 万m3；12 万m3转炉煤气柜容≥8 万m3；5 万m3转炉煤气柜容≥4 万m3。若预测峰价电时段煤气有富余，存在放散可能，则气柜柜容可保持低位运行，同时设置气柜送气下限：10 万m3高炉煤气柜为2 万m3；12 万m3转炉煤气柜为5 万m3；5 万m3转炉煤气柜为1 万m3。

根据现场实际数据，正常生产下单月可错峰收、送煤气约300 万m3，按每月早峰、晚峰各送气150 万m3计算，月产生经济效益约60 万元。根据煤气发电效率，3 m3高炉煤气发电1 kWh，自耗电为7.5%，峰价电时段节约的煤气用于发电，产生效益为60万元。

2.2 热风炉错峰烧炉

根据现场生产实际，永钢热风炉煤气消耗约占煤气总消耗的48%，正常生产阶段热风炉煤气消耗峰、平、谷比例分别为33.54%、33.27%、33.19%，各时段用气比例差异较小。通常高炉热风炉周期性运行包括4 个阶段：燃烧1.75 h、焖炉0.25 h、送风1 h、休止4 min。正常情况下热风炉拱顶温度烧至1 250～1 300 ℃，送风时开启混风阀，保证进入高炉的风温在1 200 ℃左右，当热风炉以最大能力蓄热时拱顶温度可达1 330 ℃，送风结束后燃烧初期的炉温仍可保持在1 270 ℃以上，证明热风炉格子砖的蓄热能力有富余，具备实施错峰用气的条件［3］。

根据经验，为确保送风末期风温＞1 200 ℃，烟道温度不低于375 ℃，同时考虑炉箅子的安全使用温度为450 ℃，规定烟道温度上限为410 ℃，确定烟道温度控制范围为375～410 ℃。烟道温度每升高1 ℃约消耗煤气242 m3，则每座热风炉烧炉过程中可调节的煤气量为242 ×(410 -375)=8 470 m3。每个烧炉周期为1.75 h，则高炉煤气调节上限为8 470 ÷ 1.75=4 840 m3∕h。通过24 h 热风炉燃烧周期排序表，对3 座热风炉的周期性运行状态进行排序，模拟谷电向峰电过渡期间的炉座及其当时的运行状态，推算该炉座提前至谷电5：00 时开始蓄热，并在8：00前将烟道温度烧至410 ℃，峰电8：00时逐步下调煤气流量，将烟道温度控制在360～370 ℃。

经实践，在谷电0：00～8：00 向峰电8：00～11：00过渡期间实施错峰烧炉，峰、平、谷时段用气比例分别为32.70%、33.53%、33.77%，峰电时段用气比例较实施前下降0.84 个百分点。根据煤气发电效率，3 m3高炉煤气发电1 kWh，自耗电按7.5%，峰价电时段节约的煤气用于发电，产生效益为678万元。

2.3 高炉中修期间热风炉错峰保温

高炉中修期间热风炉实施保温操作，正常工作时热风炉热量80%通过热风送走，保温时用气量仅需正常的20%。高炉中修时有大量的焖炉时间，为保持炉内温度＞900 ℃，需每间隔4 h 烧炉一次，每次烧炉2 h，据统计峰价电占比一般较高，峰、平、谷价电时段用气占比约为32%、30%、38%，存在错峰烧炉空间。

2.3.1 错峰保温注意事项

实施错峰保温需注意以下几点：

（1）控制燃烧室温度下限，防止通入煤气后无法燃烧出现安全隐患。

（2）保温期间热量在炉底聚集，烟道温度过高将影响炉箅子的使用安全。

（3）计算格子砖膨胀系数，避免温度变化过大影响硅砖寿命。

（4）考虑炉皮热量损失，避免温度过低。

2.3.2 错峰方案

煤气进入热风炉后，燃烧室温度需达到900 ℃才能确保煤气完全燃烧，因此需确保热风炉燃烧室温度不低于950 ℃，考虑炉箅子使用安全，控制烟道温度不大于350 ℃。按上述控制标准将热风炉2 烧1送改为3座热风炉同时烧炉、同时焖炉。在高炉中修热风炉保温期间用足谷价气，充分利用热风炉格子砖的蓄热能力，在谷价电期间进行燃烧蓄热，保证8：00 时燃烧室温度＞1 050 ℃，平价电期间根据情况进行1～2次烧炉，补充燃烧室温度，峰价电期间焖炉保温。

2.3.3 核算格子砖膨胀影响

热风炉格子砖中膨胀系数最大的硅砖在1 000 ℃时热膨胀系数≤1.25%。热风炉燃烧室内保持900 ℃时，格子砖横、纵向产生的最大膨胀缝分别为7.4 mm、31.5 mm，现场实际预留的膨胀缝及耐材尺寸可满足正常使用。

2.3.4 核算炉体热量损失

根据《高炉热风炉平衡测定与计算方法》（GB∕T 32287—2015）计算炉皮热量损失，热风炉焖炉8 h损失热量为46 330 240 kJ（即14 478 m3高炉煤气），燃烧室温降200 ℃，焖炉8 h后燃烧室温度仍然大于950 ℃，满足保温工艺要求。

经实践，某1 080 m3高炉在为期29 天的中修期间共消耗高炉煤气269.7 万m3，峰、平、谷用气比例为0.51%、53.74%、45.75%，根据煤气发电效率，3 m3高炉煤气发电1 kWh，自耗电为7.5%，峰价电时段节约的煤气用于发电，产生效益为14.5万元。

2.4 铁水包错峰烘烤

铸铁车间铁水包砌筑完毕放置超过24 h 后需进行烘烤，铁水包烘烤时间要求为（28±1）h。原烘烤时间一般为8：00 至次日13：00，期间有1 个谷价电，3 个峰价电，3 个平价电。根据2021 全年铁水包烘烤用气情况统计，年用气总量约为800 万m3，其中峰电时段用气量最大，用气占比38.6%，平电用气占比32.6%，谷电用气占比28.8%。为提高煤气使用价值，考虑通过调整铁水包烘烤的开始和截止时间增加谷价气用量的占比。实施方案为3：00 开始小火烘烤，7：00 转中火，13：00 进入大火阶段直至次日 8：00 烘烤结束。调整后的峰、平、谷用气占比分别为29.68%、31.1%、39.22%，该方案可降低峰价气占比8.92 个百分点，且新包上线时间为上午，便于操作人员跟踪第一包铁水受铁情况。根据煤气发电效率，3 m3高炉煤气发电1 kWh，自耗电为7.5%，峰价电时段节约的煤气用于发电，实施错峰烘烤期间产生效益为12.5万元。

3 用电错峰

3.1 排产优化

在保证生产稳定的前提下，应提倡谷价电时段满负荷生产，杜绝谷价电时段安排检修。

此外将重点用能设备纳入错峰停机管控，如当高炉停炉，喷煤用量减少时，及时调整喷煤车间磨机生产节奏，避免谷电时段仓满停机的情况。矿渣微粉则根据微粉的销价与水渣成本价的价差，分成全天生产、避峰生产、谷电生产、外卖等4 种模式。利用成品仓容量大于产能的特性，充分发挥球团成品仓库的储存能力，调节不同时段的生产负荷。

3.2 轧制品种优化

分析各品种钢生产电耗，合理安排生产，高效利用峰、谷时段。根据不同规格、材质的品种钢电单耗差异，在谷电时段生产高电耗产品，在峰电时段生产低电耗产品。表3、表4为某棒材车间产品电单耗，可以看出相同材质间不同规格产品电耗差异最高达27.76 kWh∕t，同规格下不同材质间产品电耗差异最高达14.31 kWh∕t，存在较大优化空间。

表3 同材质不同规格品种钢轧线电耗

表4 不同材质同规格品种钢轧线电耗

4 储能调峰

4.1 化学电池储能

储能电站利用化学电池进行电力储放，规模为5 MW∕20 MWh，实行“两充两放”的日运行模式。每日谷电、平电时段充电，峰电时段放电。经实践统计，电站充、放电转换效率约88%，运行稳定，故障率较低，基本不受其他生产因素影响，年运行时长可达8 000 h，根据峰平谷电价差，年可产生错峰效益约590 万元。

4.2 熔盐储能

熔盐储热是一种显热储热技术，目前广泛应用于太阳能光热电站，熔盐在常压下具有200～600 ℃高温差，因此蓄热能力大，能产生高温高压的蒸汽，实现热能的高效利用。企业可考虑利用煤气进行熔盐加热和储能，在谷电时，煤气不发电而直接加热熔盐储热；峰电时，熔盐中的热量通过盐水换热器产生高温蒸汽用以发电，起到调峰作用。目前行业内已有较多钢企关注该项技术，新型储能发电技术的接受度也越来越高。