我國鋼鐵工業余熱余能發電現狀分析

熊 超 史君杰 翁雪鶴

我國鋼鐵工業余熱余能發電現狀分析

熊 超 史君杰 翁雪鶴

一、引言

近十年來，我國鋼鐵工業粗鋼產量增長了108%，總用能量僅增加了93%；重點生產工序能耗達標率逐年提高，我國鋼鐵工業節能工作取得顯著成效。但依然存在較大的節能潛力，其中很重要的一個方面就是余熱余能的高效利用仍有進一步潛力。

鋼鐵工業制造流程是一個大規模能源循環系統，在構成該系統的工序內部，在各工序之間進行復雜的能量消耗、轉換、再生、輸送，而且鋼鐵聯合流程具有很強的熱管理特征。鋼鐵生產消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放出，其溫度上至1500℃，下至近于環境溫度的廣泛范圍。目前我國生產1噸鋼產生的余熱余能資源量為8吉焦-9吉焦，主要分為副產煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱。副產煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣，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℃；固體余熱包括燒結礦、紅焦炭、高爐渣、轉爐渣及鑄坯等，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。

我國鋼鐵余熱余能除加熱燃料、生產預熱外，最經濟的利用方式是外供周邊用戶。由于大多數鋼鐵企業周邊沒有煤氣、蒸汽用戶，因此通過能源轉換產生電力，成為鋼鐵企業余熱余能利用的主要途徑，自發電率也成為衡量企業節能水平高低的關鍵指標。鋼鐵企業余熱余能發電方式主要包括煤氣發電、蒸汽發電、TRT、燒結余熱發電、干熄焦發電等。

二、煤氣發電

鋼鐵聯合企業的副產煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣，三種煤氣占企業總能耗的近40%。高爐煤氣特點是熱值較低，發生量大，平均每噸鐵產高爐煤氣1500立方米-1800立方米，熱值為2800千焦/立方米-3500千焦/立方米。焦爐煤氣是鋼鐵企業中最為優質的氣體燃料，平均每噸焦炭產焦爐煤氣400立方米-440立方米，熱值為16500千焦/立方米-18000千焦/立方米。轉爐煤氣根據裝備水平和操作水平，噸鋼可回收60立方米-140立方米，熱值為6000千焦/立方米-8000千焦/立方米。

目前鋼鐵行業煤氣發電機組根據發電原理不同分為燃氣—蒸汽聯合循環發電（CCPP）和常規鍋爐發電。由于CCPP機組具有較高發電效率，在“十一五”“十二五”期間推廣較快，但由于投資較大及維護費用較高，近些年逐步被高參數鍋爐發電機組取代。

過去二十年，全燃煤氣鍋爐發電技術為我國鋼鐵工業的二次能源利用做出了重要貢獻，目前正逐步由中溫中壓向高溫高壓、高溫超高壓、超高溫超高壓和亞臨界等高參數方向發展。高溫超高壓、超高溫超高壓煤氣發電是行業主流煤氣發電方式。采用技術成熟的高溫超高壓燃氣鍋爐和一次中間再熱汽輪發電機組，提高熱能利用效率，發電效率介于36%-38%，比鋼鐵企業傳統的中溫中壓發電效率有大幅提升。近些年鋼鐵企業紛紛淘汰中、低參數機組，建設高溫超高壓機組，都獲得了較大效益。

高溫超高壓機組是指蒸汽壓力13.5兆帕，溫度大于535℃的機組 (過去該壓力等級只能用于135兆瓦以上的機組，只適合大中型鋼鐵企業)。由于該機組的小型化發展較快，為在中小型鋼鐵企業中推廣創造了條件，在近3-5年時間內，淘汰中低參數機組、集中煤氣資源、建設高溫超高壓煤氣發電機組將成為主流趨勢。目前國內相關單位正在攻關亞臨界煤氣鍋爐，并在80兆瓦、150兆瓦等級有所突破，從長遠來看，亞臨界煤氣發電將會得到逐步推廣。

三、蒸汽發電

我國鋼鐵企業大多采用轉爐及軋鋼加熱爐余熱蒸汽作為熱源，少部分企業燒結工序、焦爐工序沒有配套燒結余熱發電、干熄焦發電，而是將余熱蒸汽送至全廠蒸汽余熱發電機組集中發電。

轉爐一次煙氣為高溫煙氣，在與二次煙氣混合降溫進入除塵系統前，采用汽化冷卻煙道或余熱鍋爐對煙氣進行降溫，同時回收大量蒸汽。利用余熱鍋爐回收這部分蒸汽的物理熱，蒸汽回收量不小于60千克/噸鋼。

軋鋼加熱爐汽化冷卻系統采用自然循環、蒸汽引射。系統設備構成分為除氧給水系統、汽包熱水循環系統及排污系統。飽和溫度的熱水從汽包經下降管進入爐底管，在爐底管受熱后部分熱水汽化，汽水混合物經上升管進入汽包，蒸汽在汽包內通過汽水分離裝置經調節閥送入車間管網。

我國鋼鐵企業現在主要有飽和蒸汽發電、過熱蒸汽發電及螺桿發電三種蒸汽發電方式。行業中蒸汽發電普遍存在蒸汽壓損較大、產生的飽和蒸汽壓力等級不一、冬季供暖造成汽輪發電機組停運等問題，導致許多企業的蒸汽發電機組不能達到設計指標。針對上述問題，主要以提高蒸汽發電的穩定性，通過了一系列優化措施，主要包括：

（1）提高轉爐蒸汽壓力增加蓄熱器設備合理利用轉爐間斷式蒸汽。

（2）增設汽機集汽箱，將轉爐和軋鋼等加熱爐產生的飽和蒸汽匯入汽機集汽箱內，通過汽機集汽箱穩壓和穩流后再進入汽水分離器，最后進入汽輪機。

（3）充分利用高爐沖渣水、循環水余熱回收以保證冬季供暖，確保蒸汽發電機組不停運。

（4）在汽輪機選型時，少選擇純凝式汽輪機，盡量選擇低品位熱能汽輪機，比如多級除濕汽輪機、機內再熱除濕多級沖動式汽輪機等。

四、TRT

高爐爐頂余壓利用方式分為兩種：一是通過TRT，即高爐煤氣余壓透平發電裝置回收發電；二是采用BPPT，即煤氣透平與電機同軸驅動的高爐鼓風能量回收成套機組的方式回收能量，減少高爐鼓風電耗。BPPT技術創新性地提出了煤氣透平和高爐鼓風機同軸的技術解決方案，用煤氣透平直接驅動高爐鼓風機，將兩臺旋轉機械裝置組合成一臺機組，既能向高爐供風，又能回收煤氣余壓、余熱。此外，隨著高爐煤氣濕法除塵工藝的淘汰，爐頂煤氣壓力和溫度得以提高，余壓利用更加高效。我國高爐余壓利用裝置的配備率已經很高，未配置相關設備的高爐均為小型高爐，鋼鐵行業的淘汰落后產能工作已經進入收尾階段，加之高爐節能降本工作的倒逼，預計未來幾年高爐余壓利用裝置的配備率可以達到100%，下一步的發展趨勢主要集中在如何提高余壓回收效率。我國企業已經成功研發出新一代3HTRT系統—提高高爐冶煉強度的頂壓能量回收系統，在保持和優化原先TRT系統回收發電功能的基礎上，通過對高爐頂壓進行高精度的智能控制，可以升高高爐頂壓的設定值，增大高爐送風的質量和流量，從而提高高爐冶煉強度，達到提高高爐利用系數、降低入爐焦比的功效。其技術核心是根據TRT管網系統流體力學原理，結合高智能控制算法，確定靜葉或旁通閥的動態開度，以保證頂壓的高精度穩定。

BPRT機組可以將回收的能量直接補充到軸系上，避免能量轉換的損失，提高裝置效率，減少環境污染和能量浪費，穩定爐頂壓力，改善高爐生產條件，降低產品成本。此外，BPRT設備建設投資及勞動定員少，具有顯著的經濟、環境及社會效益。隨著國家對重大技術裝備國產化的支持，BPRT必將以其獨特的優勢得到廣泛應用，向全面、大型化趨勢發展。

五、燒結余熱發電

燒結余熱利用是將燒結生產工序中產生的廢氣熱量加以回收再利用的技術。主要分兩大部分：一是占總帶入熱量約24%的燒結煙氣余熱；另一部分是占燒結過程帶入總熱量約45%的燒結礦顯熱。燒結礦余熱高效回收與利用是降低燒結工序能耗的主要方向。目前我國鋼鐵企業燒結余熱回收平均發電量約16千瓦時/噸燒結礦。

燒結余熱發電系統主要有四種類型：單壓系統、雙壓系統、閃蒸補汽系統及帶補燃系統。雙壓系統效率最高，目前在國內應用較廣泛，但雙壓系統投資較高，回收期相對較長；燒結余熱發電主要利用環冷機前兩個風機的廢氣熱量，從目前運行情況看，噸礦發電量最高可以達到21千瓦時，但目前國內大多數機組的作業率普遍在設計指標80%以下，個別甚至在50%左右運行。

我國燒結機裝備不斷實現大型化，新建設備中360平方米及以上的大型燒結機成為主流，隨著淘汰落后進程的進一步加快，大型燒結機、大型密閉性環冷機的比例和產能占比將繼續提升，燒結機余熱發電的潛在裝機總量預計在3500兆瓦以上。在增加燒結機余熱發電設備的同時，提高噸礦發電效率也將是重要課題，主要改進和研究方向有：

（1）提高燒結余熱發電的熱源穩定性。首先提高燒結生產的作業水平、作業率，減少燒結機停機次數與停機時間；其次是通過提高設備和操作水平，降低環冷機的漏風率，采用環冷機底部柔磁性密封、環冷機水密封、臺車橫梁和煙罩密封等技術降低漏風率。

（2）研究燒結礦冷卻新工藝，提高熱量回收效率。目前，我國已有企業采用豎罐冷卻代替環冷機或帶冷機，冷卻風供風總量可減少一半左右，熱煙氣100%全部回收，且溫度約可提高至450℃，余熱回收效率顯著提高，與環冷機余熱發電量相比可提高60%-80%。

（3）提高余熱鍋爐與汽輪機穩定性能與運行水平。通過合理控制出口煙溫，有效布置爐內結構，做好爐墻密封，合理選擇爐管形式與材質，采用涂層保護等措施減少余熱鍋爐的磨損、積灰、漏風和腐蝕等問題。確定合理的汽輪機主蒸汽、再熱蒸汽和二次蒸汽的壓力和溫度參數，尤其是工況波動狀況下汽輪機的變負荷運行方式，提高汽輪機運行的穩定性。

六、干熄焦發電

我國干熄焦技術日趨成熟，已經能夠自主設計、制造和建設50噸/時-260噸/時各種規模的干熄焦裝置。采用干熄焦技術具有很大優點，包括有利于回收利用余熱資源、提高焦炭質量、減少大氣污染物排放、節約熄焦用水。2016年我國擁有焦炭生產能力約6.68億噸，其中常規焦爐產能5.85億噸。

目前我國焦化行業干熄焦率已達到34%（按全部產能計），按常規焦爐產能計已達到38.9%，其中重點大中型鋼鐵企業干熄焦率已達到92%以上。寶鋼股份焦炭已實現100%干熄率，處于領先水平，其他鋼鐵企業雖然也有全部實現干熄焦，但是實際運行中焦炭干熄率只有86%-97%，未能達到100%干熄率。

從干熄焦裝置處理能力大小來看，京唐西山焦化公司擁有4座70孔7.63米頂裝焦爐，配置2套處理能力260噸/時干熄焦裝置，裝備在世界上處于領先水平；其他干熄焦裝置處理能力比較大的企業有唐鋼美錦、寶鋼湛江等。

今后10年，我國常規焦爐發展方向是增加炭化室高度和容積，提高生產效率和焦炭質量、改善環境、多配弱黏結性煉焦煤、減少成本等。如頂裝焦爐發展方向炭化室高度分別為7米、7.5米、7.63米、8米，搗固焦爐發展方向炭化室高度分別為6米、6.25米、6.5米、6.7米等，每組焦爐生產規模分別為100萬噸/年-210萬噸/年甚至更大。因此，干熄焦發展方向首先是裝置大型化，新建焦爐配套干熄焦裝置處理能力都在125噸/時以上，小于110噸/時干熄焦裝置將非常少；其次是改善干熄爐、減少循環風量以及干熄焦鍋爐高溫高壓化，提高熱效率，在不增加焦炭燒損情況下，每噸干熄焦發電超過140千瓦時及以上，凈外送電超過120千瓦時及以上。

七、自發電率

提高自發電率是鋼鐵企業節能減排、降低制造成本的有效手段。根據殷瑞鈺院士提出的鋼鐵工業的三大功能理論，即“產品制造功能、能源轉換功能和廢棄物消納處理功能”，鋼鐵聯合企業完全可以做到“只買煤，不買電”。從理論計算上，有焦化的鋼鐵聯合企業自發電可以做到110%，無焦化的鋼鐵企業可以做到80%。這幾年不少先進企業的成功經驗已證明這是有可能實現的目標。

據統計，2016年109家典型鋼鐵企業合計粗鋼產量為66593萬噸，年電力消費量26146187萬千瓦時，自發量電量總計12144194萬千瓦時，平均自發電率46.45%。應該說，鋼鐵行業自發電率仍然有較大的提升潛力，盡管國家相關部門多次出臺政策鼓勵余熱余能發電，但鋼鐵行業余熱余能自發電設施并網方面存在一定的問題。

八、余熱余能發電建議

我國鋼鐵行業現在平均自發電率為46.45%，隨著發電技術的發展，以及企業節能意識不斷提高，各家企業的自發電水平不斷提高，但仍然有較大的提升空間。

1.分布式能源梯級利用

根據不同品質的能源介質及不同區域，按照“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”的科學用能原則實現能源的就地轉換利用。

（1）根據煤氣資源的數量、品質和用戶需求不同，合理分配使用煤氣，完善煤氣緩沖系統。煤氣的平衡與調度盡量做到物盡其用、就近利用、介質單一和管網簡化，同時做到能源梯級利用。

（2）根據不同能源介質的特性充分考慮經濟輸送半徑，在經濟輸送半徑內集中盡可能多的能量，以形成經濟規模提高設備的開工率，而且考慮能量的貯存，建立具有一定規模效應的地區式熱能利用系統。

（3）根據區域分布式利用原則，在高爐區域，可利用高爐沖渣水余熱驅動吸收式制冷機，作為高爐鼓風脫濕系統的冷源；在焦化區域，可利用焦爐煤氣或干熄焦蒸汽驅動吸收式制冷機，作為焦爐煤氣凈化工藝冷源；利用焦爐、燒結、熱風爐等中低溫煙氣驅動制冷機組；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，提高熱電廠的節能和經濟效益，使整個系統按能源品位分級利用和循環利用。

2.優化煤氣發電機組配置

煤氣發電是提高自發電率的重中之重，鋼鐵企業需做好整體規劃，優化煤氣發電機組配置，最大限度地提高能源利用效率。

（1）科學系統制定煤氣平衡，避免階段性放散。科學系統的全廠煤氣平衡是配置發電機組的基礎條件，由于煤氣的產生與工藝用戶的作業制度存在一定程度的差異，造成富余煤氣的產量和作業小時的不平衡，在配置發電機組時也需要充分考慮。

（2）兼顧高效與安全可靠性。配置機組時既要考慮大型機組的高效率，又要考慮高爐休風、加熱爐檢修、發電機組檢修等因素；一般考慮至少2臺以上機組，作為全廠煤氣的最終緩沖用戶，并保證供電可靠性。根據總圖布局、電力系統接入便利性選擇集中建設大型機組或分布式小型機組。

（3）技術經濟比選以保證投資效益最大化。節能的最終目的是降低成本，建設煤氣發電機組時需對機組選型、組合配置等進行技術經濟分析，在節約能源的同時保證投資效益的最大化。

（4）向高參數機組發展。鋼鐵企業各大企業熱電機組應該逐步向高參數機組發展，行業內存在相當數量的中溫中壓機組，阻礙了能源轉換效率的進一步提高。企業應結合自身發展規劃，整合淘汰小型機組，建設大型高參數發電機組，將能夠較大幅度提高企業的自發電水平。

3.推廣應用節能節電技術

在行業中推廣應用先進適用的節能節電技術，包括焦爐上升管煤氣熱量回收，燒結煙氣循環、漏風治理、大煙道及環冷余熱回收利用、燒結礦豎式冷卻、余熱回收蒸汽拖動風機，高爐熱風爐蓄熱體高輻射涂層、沖渣水熱量回收利用，干式真空泵、低溫軋制及免加熱軋制、提高熱送熱裝溫度、加熱爐黑體強化輻射技術，高效風機、水泵、壓縮機、節電電機、變壓器、變頻調速、無功就地補償、電力需求側管理平臺、電網升級改造智能化控制管理等。

建議政府部門不斷完善政策，在規范管理中，細致分析不同行業的不同問題，制定更科學、更合理的政策，打破電網壟斷，減少或減免電力部門收取自發電機組的過網費、管理費等，應根據大、小不同裝機容量自發電設施并網方式，區分考慮制定并網政策，給余熱余能發電創造有利條件，實現電力和企業的雙贏。

（作者單位：冶金工業規劃研究院）