雙碳目標(biāo)下的鋼鐵節(jié)能理念創(chuàng)新與能源結(jié)構(gòu)重塑分析

傅搏

（陽(yáng)春新鋼鐵有限責(zé)任公司，廣東 陽(yáng)春 529600）

2020年中國(guó)正式提出了3060雙碳戰(zhàn)略，即中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)行碳中和。鋼鐵行業(yè)作為重點(diǎn)碳排放行業(yè)，因此受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，全球鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)時(shí)所排放的二氧化碳在全球溫室氣體排放總量中約占4%～5%，而中國(guó)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放在全國(guó)總排放量中所占的比例要比全球平均水平高。可見(jiàn)，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排現(xiàn)狀并不樂(lè)觀，中國(guó)鋼鐵工業(yè)的生存與發(fā)展面臨著資源和環(huán)境的雙重制約，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，中國(guó)鋼鐵工業(yè)要走碳脫化發(fā)展道路，其中最關(guān)鍵的是節(jié)能與能效提升，這是實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的重要手段之一，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”最重要、最經(jīng)濟(jì)的手段。

1 鋼鐵用能現(xiàn)狀及特點(diǎn)

鋼鐵行業(yè)一直以來(lái)是我國(guó)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和發(fā)展的行業(yè)之一，目前，中國(guó)鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，且取得了積極的進(jìn)展。但是迫于國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)的限制政策及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，鋼鐵行業(yè)作為能源、資源高度密集型的行業(yè)，面臨著節(jié)能降耗、降本增效的發(fā)展瓶頸。從鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗、降本增效的現(xiàn)狀來(lái)看，存在工藝流程結(jié)構(gòu)不合理、節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新水平不高、鋼鐵生產(chǎn)與能源利用難以匹配等問(wèn)題，可見(jiàn)鋼鐵行業(yè)具有較大的節(jié)能潛力。

從鋼鐵企業(yè)用能的情況來(lái)看，煤炭和電力是主要消耗的能源，余熱余能資源巨大。副產(chǎn)煤氣是相對(duì)較好可二次利用的能源，其不僅能供應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)，而且富余的煤氣還可送至煤氣電廠轉(zhuǎn)化為電能。隨著發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前超高溫亞臨界參數(shù)機(jī)組的效率已經(jīng)超過(guò)了40%，但在煤氣、蒸汽耦合利用方面仍有較大的潛力。

圖1為傳統(tǒng)鋼鐵用能的流程。從該流程中可看出，余熱資源波動(dòng)問(wèn)題較突出，主要包括焦化燃燒室排液余熱、高爐余熱、轉(zhuǎn)爐煉鋼余熱、燒結(jié)余熱、電爐余熱、軋鋼加熱爐煙氣余熱等余熱資源，這些余熱資源溫度相對(duì)較低，且流量波動(dòng)非常大。即便許多鋼鐵企業(yè)會(huì)通過(guò)設(shè)置蒸汽蓄熱器的方式來(lái)解決余熱資源的問(wèn)題，但是，實(shí)際的效果并不理想。這是因?yàn)殇撹F企業(yè)對(duì)于蒸汽的需求并不多，用于發(fā)電的主要是低品位飽和蒸汽，而且效率不高。而部分容易被忽視的用能單位，也存在嚴(yán)重的高能低用的現(xiàn)象，比如，北方地區(qū)的解凍庫(kù)，許多企業(yè)在冬季時(shí)會(huì)簡(jiǎn)單地通過(guò)高品位焦?fàn)t煤氣燃燒所產(chǎn)生煙氣進(jìn)行烘干解凍。

圖1 傳統(tǒng)鋼鐵用能流程圖

2 鋼鐵用能的基本原則

2.1 熱力學(xué)定律

熱力學(xué)定律是鋼鐵用能的最基本原則之一。在熱力學(xué)定律中，強(qiáng)調(diào)能量在數(shù)量上是守恒的，同時(shí)由于各種形式的能力在質(zhì)量上有所差異，因此能源的轉(zhuǎn)換也是有方向性的。在能源利用過(guò)程中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)所輸入系統(tǒng)的能力與供應(yīng)所需的能力之間在數(shù)量上的達(dá)到平衡，在質(zhì)量上達(dá)到匹配，這樣才能夠保證系統(tǒng)熱效率和?效率實(shí)現(xiàn)最大化。

2.2 最佳推動(dòng)力原則

鋼鐵用能中，也應(yīng)實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)力原則。一切動(dòng)力的傳輸及轉(zhuǎn)換，均是在一定的熱力勢(shì)差推動(dòng)下進(jìn)行的，包括溫度差、壓力差、電位差、化學(xué)位差等。而要想實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行的最佳動(dòng)力，就需要采取多種有效措施優(yōu)化，尤其是要按照用戶所需能力的數(shù)量等級(jí)及品位要求，選擇適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵瞿芰M(jìn)行匹配。實(shí)際上，用能的過(guò)程，也是用能質(zhì)量、品位合理優(yōu)化及尋求最佳推動(dòng)力的過(guò)程。比如，在工藝加熱溫度只需要120℃時(shí)，所供給加熱的蒸汽應(yīng)保持在0.3～0.5MPa范圍內(nèi)，不宜使用0.8MPa以上的壓力蒸汽，同時(shí)，溫度也應(yīng)保持在130～150℃之間。

2.3 系統(tǒng)最小外部損失原則

外部損失主要指的是由廢棄、廢液、廢渣、冷卻水及各種中間物壓縮氣體產(chǎn)品所帶走的能量損失，跑、冒、滴、漏等引起的損失，以及因保溫效果不好所造成的散熱損失等。這些損失屬于有形的損失，也多為表面的損失。在鋼鐵用能過(guò)程中，應(yīng)確保這些表面的損失降至最小。目前，大多數(shù)表面的損失都已經(jīng)得到有效的緩解和利用，但在保溫方面，還有較大的改善空間。

2.4 能源梯級(jí)利用原則

能源梯級(jí)利用原則也是鋼鐵用能過(guò)程中一項(xiàng)最基本的原則，這一原則主要強(qiáng)調(diào)分配得當(dāng)、各得所需、溫度對(duì)口及梯級(jí)利用，其中最關(guān)鍵的是溫度對(duì)口，同時(shí)，也需要站在系統(tǒng)的高度對(duì)各種能源進(jìn)行利用，絕非是片面化地追求單一生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)的能源利用效率。

3 鋼鐵節(jié)能理念創(chuàng)新及能源結(jié)構(gòu)重塑

得益于節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作也在不斷進(jìn)步，最重要的是，應(yīng)堅(jiān)持上述所提出的幾項(xiàng)用能原則，從而進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能。在雙碳目標(biāo)及鋼鐵節(jié)能空間日趨變窄的嚴(yán)峻形勢(shì)下，鋼鐵行業(yè)應(yīng)加快傳統(tǒng)節(jié)能理念的創(chuàng)新，不斷提升鋼鐵能效，實(shí)現(xiàn)鋼鐵能源結(jié)構(gòu)的重塑。

3.1 節(jié)電技術(shù)措施

電能是非常重要的二級(jí)能源，也是保障鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的命脈所在。隨著鋼鐵行業(yè)機(jī)械化水平的提高，鋼鐵企業(yè)的用電量也在逐漸上升。而用電量的增加，也一定程度上使得鋼鐵企業(yè)的用電安全問(wèn)題愈發(fā)突出。實(shí)際上，環(huán)保改造與降本增效并不沖突，反而有著相輔相成的作用。因此，有必要采取有效的管理手段及技術(shù)設(shè)備節(jié)約用電，這是有效降低鋼鐵企業(yè)成本和提高設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)性的重要手段，體現(xiàn)了節(jié)能理念創(chuàng)新，也是鋼鐵能效提升的重要途徑。

在具體的做法上，可以從這幾個(gè)方面著手：

（1）實(shí)施科學(xué)的管理辦法。首先，要建立完善的用電管理制度，基于全國(guó)供電規(guī)則及有關(guān)文件精神基礎(chǔ)，結(jié)合本單位的用電實(shí)際，建立健全各項(xiàng)節(jié)電管理制度，尤其是要建立節(jié)獎(jiǎng)超罰制度，通過(guò)多節(jié)多獎(jiǎng)、少節(jié)少獎(jiǎng)的方式，充分調(diào)動(dòng)廣大職工的節(jié)電積極性，讓節(jié)電工作常態(tài)化開(kāi)展，也使節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。其次，要強(qiáng)化計(jì)量管理，完善企業(yè)的計(jì)量設(shè)備，確保電度表等設(shè)備安裝配備齊全，同時(shí)，也要做好計(jì)量設(shè)備的正確選型、安裝、調(diào)試、定期保養(yǎng)及檢定等工作。之后從具體的用電設(shè)備的用電情況出發(fā)，對(duì)內(nèi)部高峰負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)整，對(duì)大容量用電設(shè)備的用電時(shí)間、生產(chǎn)班次、工作時(shí)間等進(jìn)行調(diào)整，提高設(shè)備利用率的同時(shí)，使內(nèi)部用電負(fù)荷趨于平衡。最后是做好企業(yè)內(nèi)部員工管理工作，加大節(jié)電意識(shí)的宣傳普及，充分調(diào)動(dòng)職工的節(jié)電積極性和主動(dòng)性，同時(shí)，常態(tài)化開(kāi)展節(jié)電監(jiān)察工作，針對(duì)檢查出的不足之處，及時(shí)采取有效的措施解決，確保用電合理和節(jié)約用電。

（2）抓住主要用電設(shè)備，系統(tǒng)化開(kāi)展節(jié)電工作。在鋼鐵用能流程中，主要的用電設(shè)備為高爐系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、煉鋼系統(tǒng)、軋制系統(tǒng)等。這些用電設(shè)備具有較大的節(jié)能潛力，應(yīng)加強(qiáng)這些用電設(shè)備的操作管理，以達(dá)到節(jié)能的目的。具體需要以系統(tǒng)節(jié)能的思路為導(dǎo)向開(kāi)展節(jié)電工作。首先，應(yīng)選用高效電力設(shè)施，包括高效電機(jī)、高效節(jié)能輸配電設(shè)備、合理的供電系統(tǒng)及節(jié)能燈具等。其次，選用高效的設(shè)施輸送流體，包括高效水泵、高效風(fēng)機(jī)技術(shù)等。再次，遵循系統(tǒng)最小外部損失原則，著重解決設(shè)備能力富余問(wèn)題，避免引起節(jié)流損失。最后，改進(jìn)優(yōu)化工序，如轉(zhuǎn)爐煙氣除塵改干法、減少漏風(fēng)、軋鋼加熱爐改汽化冷卻、減少管路長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)等。

（3）實(shí)現(xiàn)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在鋼鐵企業(yè)的用電設(shè)備中，變壓器的應(yīng)用數(shù)量最多、容量最大，同時(shí)，其損耗巨大，損耗量一般是額定容量的3%。在整個(gè)電力系統(tǒng)損失中約占30%。但是，變壓器的損耗往往不被重視，為提升節(jié)能效果，要實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)使變壓器空載損耗等同于負(fù)載損耗，提高變壓器的效率，從而減少變壓器的損耗。同時(shí)，針對(duì)運(yùn)行中的變壓器，應(yīng)大力推廣使用節(jié)能型變壓器，替換輕載及過(guò)載變壓器。

（4）減少電機(jī)損耗。節(jié)能工作的開(kāi)展，還需要減少電機(jī)的損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)運(yùn)行損耗的電量在總耗電量中占60%左右。因此，要提高電機(jī)運(yùn)行效率，減少電機(jī)損耗。首先，正確選擇電機(jī)容量，一般電機(jī)的額定負(fù)載在72%～88%時(shí)，效率最高。同時(shí)提高功率因數(shù)，減少無(wú)功功率損耗。選用高效節(jié)能型電機(jī)時(shí)，減少輕載及空載運(yùn)行的時(shí)間。其次，提升電機(jī)系統(tǒng)能效，應(yīng)及時(shí)更新低效電機(jī)及高耗能設(shè)備，大力推廣高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的使用，同時(shí)，積極推廣變頻調(diào)速、永磁調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，由此提高電機(jī)系統(tǒng)效率。再次，改造傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式，用先進(jìn)的電力電子技術(shù)傳動(dòng)方式，如電動(dòng)機(jī)智能模糊控制器，可根據(jù)負(fù)載調(diào)整電動(dòng)機(jī)做功大小，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。最后，優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，推廣使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償裝置等，以過(guò)程控制保證能力配置合理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（5）降低無(wú)功功率，提高力率。選擇磁阻小、氣隙小的電氣設(shè)備，如在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，在沒(méi)有別的限制條件下，盡可能地選擇鼠籠式電機(jī)。針對(duì)同容量下的電氣設(shè)備，應(yīng)優(yōu)選磁路體積小的設(shè)備，如高速開(kāi)啟式電動(dòng)機(jī)。針對(duì)不需要調(diào)速持續(xù)運(yùn)行的大容量電氣設(shè)備，盡可能地選擇同步電動(dòng)機(jī)。提高功率因數(shù)，降低無(wú)功功率。采取人工補(bǔ)償無(wú)功功率，減少電能損失，具體的補(bǔ)償措施有：高壓集中補(bǔ)償，即在母線上集中安裝電容器，優(yōu)勢(shì)是方便管理和調(diào)節(jié)，但補(bǔ)償效果不佳；低壓成組補(bǔ)償，即將低壓電容器和無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置安裝在車間或井下動(dòng)力變壓器的母線上，優(yōu)勢(shì)是運(yùn)行維護(hù)管理方便，且補(bǔ)償區(qū)大；就地不錯(cuò)，主要是將電容器組分別安裝在各組用電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)進(jìn)線處，與電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，可讓電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率就地獲得補(bǔ)償，而且簡(jiǎn)單易行。

3.2 能源多能互補(bǔ)創(chuàng)新

得益于發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，目前，多數(shù)鋼鐵企業(yè)已有煤氣發(fā)電、余熱發(fā)電、余壓發(fā)電的基礎(chǔ)，應(yīng)持續(xù)進(jìn)行精綜合發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源的多能互補(bǔ)創(chuàng)新，即在不同條件下按不同方式合理應(yīng)用，包括不同類能源的互補(bǔ)，也包括同一類能源不同燃料之間的互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)1+1＞2的產(chǎn)出效益，這也是能源合理利用極為重要的方法措施。在節(jié)能理念創(chuàng)新中，可進(jìn)行化學(xué)能釋放與利用理論的創(chuàng)新，在此基礎(chǔ)上發(fā)展多能互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)，實(shí)施節(jié)能、發(fā)電的能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，從而大幅度提升能源利用效率，也使可再生能源得以最佳利用。

對(duì)比其他行業(yè)，鋼鐵企業(yè)具有豐富的二次能源，因此，更具有發(fā)展多能互補(bǔ)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的條件。具體從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)能源多能互補(bǔ)：

（1）鋼鐵二次能源與可再生能源互補(bǔ)。目前，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是鋼鐵行業(yè)可發(fā)展的可再生能源利用，鋼鐵企業(yè)大多擁有大面積的廠房，所以具有發(fā)展屋頂光伏發(fā)電的天然優(yōu)勢(shì)，尤其是臨江靠海的鋼鐵企業(yè)，還具有風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)條件。鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)高爐煤氣、高爐煤氣及焦?fàn)t煤氣，在經(jīng)濟(jì)性和潔凈度方面具有優(yōu)勢(shì)，可利用這些副產(chǎn)煤氣的可調(diào)節(jié)性特點(diǎn)，與只能間斷功能的太陽(yáng)能、風(fēng)能組成一個(gè)多能互補(bǔ)的供能系統(tǒng)，并積極探索智慧電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，促使可再生能源與副產(chǎn)煤氣、余熱余壓發(fā)電機(jī)組有效銜接，從而實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)低碳化、清潔化。另外，鋼鐵企業(yè)中也具有豐富的低溫余熱資源，可用其轉(zhuǎn)化為制備生物智能，實(shí)現(xiàn)鋼鐵余熱與生物質(zhì)能的綜合利用，一方面，可提升鋼廠生物質(zhì)能的利用；另一方面，可擴(kuò)大鋼鐵余熱利用的途徑，所形成的生物炭可用于荒漠治理。

（2）鋼鐵不同高低品位能源的互補(bǔ)。煤氣屬于鋼鐵余熱余能中的高品位能源，相對(duì)煤氣，煙氣的品位較低，且能量波動(dòng)性較大，加之鋼鐵生產(chǎn)對(duì)低壓蒸汽的需求量較少，大多只能用于低壓力、溫度的蒸汽進(jìn)行冷凝式發(fā)電，導(dǎo)致發(fā)電效率不高。針對(duì)這些情況，應(yīng)積極探索不同高低品位能源的互補(bǔ)。首先，針對(duì)燒結(jié)過(guò)程中所產(chǎn)生的大量煙氣余熱，可補(bǔ)燃部分副產(chǎn)煤氣，將先產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c部分低溫?zé)煔饣旌?，使煙氣溫度滿足燃燒室溫度要求，也使飽和蒸汽過(guò)熱至450℃，可一定程度上解決負(fù)荷波動(dòng)大、蒸汽參數(shù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，進(jìn)而提升發(fā)電能力。其次，將焦?fàn)t與軋鋼加熱爐余熱與煤氣進(jìn)行多能互補(bǔ)，利用蓄熱器加熱焦?fàn)t及加熱爐系統(tǒng)中的空氣和煤氣，并盡可能地提高助燃空氣的溫度。然后增設(shè)一套抽凝汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，充分考慮系統(tǒng)中互補(bǔ)部分高位熱能，利用背壓蒸汽高效加熱空氣，轉(zhuǎn)變系統(tǒng)冷熱混合的過(guò)程，從而提升助燃空氣溫度的同時(shí)，提高發(fā)電能力。

（3）創(chuàng)新應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)。新形勢(shì)下，在鋼鐵生產(chǎn)中，應(yīng)重視儲(chǔ)能系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用。針對(duì)燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等波動(dòng)較大的能源，設(shè)置儲(chǔ)能裝置進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，若煙氣不足，儲(chǔ)能裝置可切換為放熱模式，并進(jìn)入鍋爐中用以維持鍋爐煙氣溫度的穩(wěn)定及發(fā)電機(jī)組進(jìn)汽量、進(jìn)汽穩(wěn)定的穩(wěn)定。另外，也能利用儲(chǔ)能裝置解決爐側(cè)短路時(shí)故障引起的緊急停機(jī)、系統(tǒng)防凍能功能問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在雙碳背景下，鋼鐵行業(yè)在實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境、高效清潔低碳一體化方面有著重要潛能及作用，鋼鐵行業(yè)應(yīng)從更高的站位，構(gòu)建化工、能源、生態(tài)一體化的用能系統(tǒng)，遵循用能基本原則，采取有效的節(jié)能措施，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的節(jié)能理念，增加再生能源的應(yīng)用比例，從而實(shí)現(xiàn)合理優(yōu)化與集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能效提升與碳減排協(xié)同。