分布式能源技術在鋼鐵工業應用的現狀與前景

何世文

（馬鞍山鋼鐵股份公司能源管控中心，安徽馬鞍山，243000）

1 概述

“分布式能源技術”(distributed energy resources，簡稱 DER)在鋼鐵工業里是一個傳統的概念，特別是在余熱余能回收方面，一些企業采取“分布式能源”的理念開展余熱余能的回收。但近幾年隨著人們節能意識和能源轉換技術水平的提高，分布式能源技術在鋼鐵行業的發展得到提速。所謂分布式能源，世界分布式能源聯盟 (World Alliance for Decentralized Energy，簡稱 WADE)對其定義為：“安裝在用戶端的高效冷/熱/電聯供系統，系統能夠在用戶端（或附近）發電，高效利用發電產生的廢能生產熱和電”。

與分布式能源相對應的是集中能源系統，所謂集中式能源系統，是采用大容量設備、集中化組產，通過輸送設施(如電網、熱網、燃氣網等)將各種能量長距離輸送給眾多用戶。由于采取集中化生產，其管理成本（包括人力成本）低、自動化程度高、能源設備單機效率高，在大規模工業生產具有很大的優勢。但集中化生產也存在輸送損耗高、事故影響面廣、余熱余能利用水平低等不足；而分布式能源技術，隨著裝備制造水平的提高和能源轉換技術的發展，其具有多種能源的高效轉換、調節靈活、可根據用戶需求設定不同生產模式等多重優點，特別是分散的余熱余能回收方面，具有集中式能源系統不可替代的作用。鋼鐵工業是能耗大戶，根據統計鋼鐵生產能耗占全國總能耗 15%以上，余熱余能資源豐富，采取集中能源系統與分布式能源系統有機結合，充分回收利用余熱余能，是鋼鐵企業能源系統管理的重要發展方向。

2 鋼鐵工業能源系統的特點

鋼鐵工業傳統的生產過程是將鐵礦石及輔料等眾多原料，利用電力、蒸汽、煤氣、重油、天然氣、氫氣和焦炭等多種能源，通過燒結、冶煉、軋制等一系列工序后，加工成成品鋼材，其制造流程是一個大規模的能源消耗吸收、回收轉換、再生及輸送的過程。其主要特點有：

2.1 鋼鐵生產流程中能源系統的主要特征

鋼鐵生產過程由于其生產工藝的特點，其對能源的需求除總量龐大以外，還具有有以下特征：

能源需求的種類繁多。由于鋼鐵生產過程中，長流程的生產工藝需要多品種的能源介質，作為生產輔料、驅動、加熱、吹掃 及密封等；其不同生產工序和設備對能源參數的需求不同，為了與生產工藝和設備相匹配，大都需要對能源進行參數轉換，如減壓/升壓、降溫/升溫等。

能源介質使用制度多樣。根據生產工藝要求，需要各類能源按不同質量參數、生產要求的量及生產節奏的需求供應，其使用制度有連續、間斷或者偶爾使用等，很多工序還要求變參數供應。對于集中式能源系統，往往通過增加損耗來滿足生產工藝的需求。

能源供應戰線長。鋼鐵生產地域廣闊，大型鋼鐵企業占地面積可達十幾公里，集中式能源系統利用各類網絡，通過加壓等手段長距離輸送，過程中會造成大量的損耗；

鋼鐵生產過程中余熱余能量大。投入鋼鐵生產過程中的能量，只有小部分為有效利用，另一部分則以不同形式，如高溫煙氣、熱水、固體顯熱、爐壁散熱等形式排放。根據文獻［1］介紹：“目前我國生產1 t鋼產生的余熱資源量約為8～9 GJ，主要分為副產煤氣、排氣余熱、固體余熱和廢汽廢水余熱?！?/p>

2.2 根據鋼鐵生產能源系統存在的問題

鋼鐵工業在能源系統的設計、建設與運行過程中，是以保證工序生產過程中能源的正常供給為宗旨的。盡管隨著人們節能意識的提高和能源管控中心的推廣運行，能源系統管理水平大幅度提升，但由于鋼鐵生產的特定性，能源系統存在以下問題：

在鋼鐵生產流程中，各類耗能設備繁雜，而對于集中式能源系統由于參數單一，在能源使用過程中，能源的品質、量等與工序生產匹配度不高，很難做到能級匹配和溫度對口，造成高品質能源的浪費；

余熱余能回收技術單一，能源轉換手段不足。常規的回收技術，對于大量低參數、地點分散的余熱余能回收，由于投入成本高回收周期長，很多企業不愿意投入資金，造成大量余熱余能的浪費；

回收與使用不統一。余熱余能回收應該執行“直接使用優先”和“就地回收、就地轉換、就地使用”的原則，而有些企業為追求回收的指標，在回收的方式和使用的途徑上考慮不周，造成回收資源的浪費。如有些企業煤氣回收后未能充分利用而放散、經過“TRT”發電后的低壓煤氣再加壓長距離輸送至用戶發電、經過換熱回收的低壓蒸汽并入管網長距離輸送，不僅造成回收熱能的浪費，還會造成優質凝結水的流失等。

熱能浪費大。鋼鐵生產過程中，能源的消耗大約40%以熱能形式轉換，由于熱能自然損耗的特點，由于保溫措施不好，季節性用量的變化大，造成大量熱能浪費，如鋼鐵企業目前普遍存在蒸汽大量放散現象，尤其是夏季；部分工藝蒸汽減溫減壓等。

工程建設設備選型中，缺乏對能源參數的統一管理。特別是流體能源介質，各企業能源系統供應的能源介質參數是多種多樣的，沒有像電力行業國家統一電壓頻率標準那樣的統一參數。對于新建設備選型時，各設備制造商往往是按自己的標準要求能源介質參數，在實際生產過程會造成能源的浪費。

3 分布式能源技術在鋼鐵工業的應用現狀

鋼鐵工業能源消耗量大，針對工業鋼鐵工業的能源特點，分布式能源技術在鋼鐵工業得到快速發展。特別是在余熱余能回收方面，隨著傳統能源回收技術的完善和新技術的發展，以及綜合系統優化與資源深度利用技術的開發，以及涉及能源回收方面智能控制技術的應用，鋼鐵工業利用分布式能源技術回收余熱余能取得較好的效果。主要方面有：

3.1 采用分布式能源技術，利用轉爐回收蒸汽發電

轉爐冶煉過程回收的蒸汽，由于其含水量大，且受煉鋼工藝的影響，蒸汽參數波動較大，大多數企業都是將回收的蒸汽并入蒸汽管網，供廠區生活使用，由于受季節等多方面因素的影響，大量蒸汽放散或者在蒸汽管網中冷卻排放，未能真正的體現負能煉鋼的作用，利用回收的飽和蒸汽發電在很多企業取得成功。文獻［2］介紹了馬鋼利用轉爐回收蒸汽進行發電技術，通過對回收蒸汽進行脫水，并采用雙汽源做為保安蒸汽，取得較好效果。

3.2 利用鋼鐵工業廠房屋面發展光伏發電

鋼鐵工業有較廣闊的廠房屋面資源，利用屋面資源進行光伏太陽能發電，其具有易接受太陽能光源，利用屋面可節省土地資源，同時靠近電力網絡，節省投資。目前部分企業充分利用屋面進行太陽能光伏發電取得較好效果。文獻［3］介紹寶鋼采用合同能源管理模式，建成屋面光伏發電項目；除了利用屋面太陽能發電外，太陽能光熱的開發也取得成果，文獻［4］對濟鋼在新建車間的太陽能浴室情況作了介紹。

3.3 轉爐蒸汽直供精煉爐

鋼包精煉爐生產過程中需要真空脫氣，目前大部分企業采用蒸汽噴射泵進行真空脫氣。蒸汽噴射泵結構簡單，運行可靠，但對蒸汽品質要求較高，一般要求過熱度10～20℃，這對于無過熱蒸汽汽源的企業就需要設置快裝鍋爐或者長距離輸送來滿足生產需要。目前部分鋼鐵企業開發了轉爐蒸汽直供精煉集成利用技術，通過提高轉爐汽包工作壓力和蓄熱器蓄積熱量，以相對穩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來滿足蒸汽噴射泵的需要［5］。

3.4 蒸汽溴化鋰制冷節能技術

鋼鐵工業生產過程很多場合需要冷源，利用夏季富裕余熱蒸汽，采用雙效吸收式溴化鋰制冷技術，建立制備冷水中心，就近輸送至相關用戶，在很多企業得到推廣使用。

4 分布式能源的發展前景

盡管鋼鐵工業應用分布式能源技術在能源利用及余熱余能回收方面取得巨大成就，但由于鋼鐵工業生產過程中，能源消耗體量大，余熱余能量豐富、點分散、低參數等因素，余熱余能回收總體水平不高。而分布式能源技術的發展，因其具有安全可靠、環境友好、利用率高 、調節靈活等優勢，且國家推廣采取合同能源管理（EMC）等商業化運營機制，在傳統的鋼鐵工業中還有較好的發展前景。具有發展前景的項目有：

4.1 分布式煤氣利用技術

目前鋼鐵工業副產煤氣利用方式，較多的是采用CCPP或者超高溫超高壓火力發電，其具有效率高、煤氣消耗量大等優點，但其投資大、投資回收期長；對煤氣需求剛性強，不易調節；電力上網改造投入量大，很多企業主決策上裹足不前。

針對鋼鐵工業煤氣階段性富裕，煤氣管網遍布廠區的特點，可推廣采用分布式燃氣內燃機發電技術（簡稱CHP），CHP單機組最小可至幾百千瓦，根據文獻［6］介紹，“CHP系統采用模塊化設計，發電單元是一個單獨的模塊，整個電廠可以根據企業煤氣量的上升，增加更多的機組，具有良好的擴展性，不管發電單元的多少，都不影響整體發電的高效率 ”。可在廠區設立若干調峰機組，其啟動靈活、可就近低壓上網，并根據生產需要進行調節。

4.2 分布式余熱回收技術

當前造成余熱回收率不高，回收的余熱未能充分利用，發揮經濟效益的根本原因，一是余熱分散、單點余熱量不高，特別是零散間歇性的余熱和中低溫余熱占比較高，造成投資回收期長，造成投資決策遲疑；二是余熱回收方式僵化，大部分企業對回收的余熱轉換為蒸汽并網，或者發電，單一的回收手段造成回收的熱能利用率不高；三是教條的強調回收設備的熱效率，認為只有高效的熱轉換才能發揮經濟效益。按分布式能源系統的理念，余熱回收必須按“就地回收、就地轉換、就地使用”的原則，根據余熱的特點和周邊系統對能源的需求，建立多個獨立的“能源島”，形成結構聯網，但獨立運行的小供能系統；按直接使用優先的原則。盡量減少中間轉換環節，將低品位的余熱轉化為高品位的電能，但過多的中間環節，不僅降低了回收的效率，也增加回收系統的投資回收期，但很多生產工藝過程可以直接利用余熱進行加熱驅動等；減少轉換環節，縮短流程。目前余熱回收技術發展很快，但在技術的選擇上，應該遵循“按需回收”原則，減少轉換環節，縮短余熱轉換流程，利用余熱回收的能源代替或者部分代替其他高品質能源?？筛鶕a實際情況采取不同的技術。如利用高爐沖渣水進行溴化鋰制冷，冷量夏季用于鼓風脫濕、非脫濕期用于空調；利用電爐高溫煙氣加熱廢鋼；對需要利用蒸汽對鋼材或者酸洗液加熱的冷軋系統，可直接利用煙氣熱量，通過熱管換熱器加熱空氣，生產烘干風，代替蒸汽，實現煙氣高效回收等。

4.3 分布式熱水供應站

目前廠區的生活設施主要為食堂、浴室和取暖，大部分采用蒸汽直接加熱，造成高品質蒸汽的浪費。同時管網的疏水系統直接外排，不僅影響環境也造成高品質凝結水的浪費。在南北區按人員集中度，分別設立熱水加工點，針對蒸汽管網疏水、煤氣水槽加熱等，分段設立熱水集中回收站，通過汽車運輸至熱水站，不足部分 采用蒸汽加熱，不僅減少熱能損失，也可有效回收凝結水。

4.4 分布式廢棄物利用分布式可再生能源系統

鋼鐵生產過程中，會產生大量含碳油破布、含油污泥、橡膠皮帶輪胎等可燃廢棄物，利用現有的生物質發電技術，結合生活垃圾的綜合利用，建立生物質發電機組。

5 結束語

分布式能源技術在鋼鐵工業領域應用是廣泛的，特別是在余熱余能利用方面，利用分布式能源技術，對于提高分散的、低參數的余熱余能回收水平，與集中式能源系統相比較有不可替代的作用。要進一步提高分布式能源技術的應用水平，還要主要一下幾點：

(1)加強能源的管理水平。分布式能源系統并網，對于原有能源系統會產生多方面影響，這需要提升傳統鋼鐵企業能源管控中心管控能力，以確保能源系統的安全。

(2)為進一步推廣分布式能源系統，加大余熱余能回收力度，宜采用靈活的運營機制，應大力當引入外部資金，效益共享。

(3)利用分布式能源技術回收余熱余能，在能源轉換技術選擇方面，必須考慮就近利用的原則。

(4)隨著分布式能源的發展，需要在企業內部能源網絡中大力發展儲能設施及移動能源技術。