雙碳目標下的鋼鐵節能理念創新與能源結構重塑分析

傅搏

（陽春新鋼鐵有限責任公司，廣東 陽春 529600）

2020年中國正式提出了3060雙碳戰略，即中國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實行碳中和。鋼鐵行業作為重點碳排放行業，因此受到世界各國的廣泛關注。據相關數據調查顯示，全球鋼鐵行業生產時所排放的二氧化碳在全球溫室氣體排放總量中約占4%～5%，而中國鋼鐵行業的二氧化碳排放在全國總排放量中所占的比例要比全球平均水平高?？梢?，鋼鐵行業的節能減排現狀并不樂觀，中國鋼鐵工業的生存與發展面臨著資源和環境的雙重制約，從長遠來看，中國鋼鐵工業要走碳脫化發展道路，其中最關鍵的是節能與能效提升，這是實現二氧化碳減排的重要手段之一，也是實現“雙碳目標”最重要、最經濟的手段。

1 鋼鐵用能現狀及特點

鋼鐵行業一直以來是我國重點開發和發展的行業之一，目前，中國鋼鐵工業迅速發展，且取得了積極的進展。但是迫于國家對鋼鐵行業的限制政策及市場競爭的壓力，鋼鐵行業作為能源、資源高度密集型的行業，面臨著節能降耗、降本增效的發展瓶頸。從鋼鐵行業節能降耗、降本增效的現狀來看，存在工藝流程結構不合理、節能技術創新水平不高、鋼鐵生產與能源利用難以匹配等問題，可見鋼鐵行業具有較大的節能潛力。

從鋼鐵企業用能的情況來看，煤炭和電力是主要消耗的能源，余熱余能資源巨大。副產煤氣是相對較好可二次利用的能源，其不僅能供應生產系統，而且富余的煤氣還可送至煤氣電廠轉化為電能。隨著發電技術的不斷進步，當前超高溫亞臨界參數機組的效率已經超過了40%，但在煤氣、蒸汽耦合利用方面仍有較大的潛力。

圖1為傳統鋼鐵用能的流程。從該流程中可看出，余熱資源波動問題較突出，主要包括焦化燃燒室排液余熱、高爐余熱、轉爐煉鋼余熱、燒結余熱、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較低，且流量波動非常大。即便許多鋼鐵企業會通過設置蒸汽蓄熱器的方式來解決余熱資源的問題，但是，實際的效果并不理想。這是因為鋼鐵企業對于蒸汽的需求并不多，用于發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，也存在嚴重的高能低用的現象，比如，北方地區的解凍庫，許多企業在冬季時會簡單地通過高品位焦爐煤氣燃燒所產生煙氣進行烘干解凍。

圖1 傳統鋼鐵用能流程圖

2 鋼鐵用能的基本原則

2.1 熱力學定律

熱力學定律是鋼鐵用能的最基本原則之一。在熱力學定律中，強調能量在數量上是守恒的，同時由于各種形式的能力在質量上有所差異，因此能源的轉換也是有方向性的。在能源利用過程中，應實現所輸入系統的能力與供應所需的能力之間在數量上的達到平衡，在質量上達到匹配，這樣才能夠保證系統熱效率和?效率實現最大化。

2.2 最佳推動力原則

鋼鐵用能中，也應實現最佳動力原則。一切動力的傳輸及轉換，均是在一定的熱力勢差推動下進行的，包括溫度差、壓力差、電位差、化學位差等。而要想實現過程進行的最佳動力，就需要采取多種有效措施優化，尤其是要按照用戶所需能力的數量等級及品位要求，選擇適當的輸入和輸出能力進行匹配。實際上，用能的過程，也是用能質量、品位合理優化及尋求最佳推動力的過程。比如，在工藝加熱溫度只需要120℃時，所供給加熱的蒸汽應保持在0.3～0.5MPa范圍內，不宜使用0.8MPa以上的壓力蒸汽，同時，溫度也應保持在130～150℃之間。

2.3 系統最小外部損失原則

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。在鋼鐵用能過程中，應確保這些表面的損失降至最小。目前，大多數表面的損失都已經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 能源梯級利用原則

能源梯級利用原則也是鋼鐵用能過程中一項最基本的原則，這一原則主要強調分配得當、各得所需、溫度對口及梯級利用，其中最關鍵的是溫度對口，同時，也需要站在系統的高度對各種能源進行利用，絕非是片面化地追求單一生產設備或工業的能源利用效率。

3 鋼鐵節能理念創新及能源結構重塑

得益于節能技術的不斷進步，中國鋼鐵工業節能工作也在不斷進步，最重要的是，應堅持上述所提出的幾項用能原則，從而進行系統節能。在雙碳目標及鋼鐵節能空間日趨變窄的嚴峻形勢下，鋼鐵行業應加快傳統節能理念的創新，不斷提升鋼鐵能效，實現鋼鐵能源結構的重塑。

3.1 節電技術措施

電能是非常重要的二級能源，也是保障鋼鐵企業生產的命脈所在。隨著鋼鐵行業機械化水平的提高，鋼鐵企業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的用電安全問題愈發突出。實際上，環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設備節約用電，這是有效降低鋼鐵企業成本和提高設備安全經濟性的重要手段，體現了節能理念創新，也是鋼鐵能效提升的重要途徑。

在具體的做法上，可以從這幾個方面著手：

（1）實施科學的管理辦法。首先，要建立完善的用電管理制度，基于全國供電規則及有關文件精神基礎，結合本單位的用電實際，建立健全各項節電管理制度，尤其是要建立節獎超罰制度，通過多節多獎、少節少獎的方式，充分調動廣大職工的節電積極性，讓節電工作常態化開展，也使節電效果和經濟效益顯著提升。其次，要強化計量管理，完善企業的計量設備，確保電度表等設備安裝配備齊全，同時，也要做好計量設備的正確選型、安裝、調試、定期保養及檢定等工作。之后從具體的用電設備的用電情況出發，對內部高峰負荷進行合理調整，對大容量用電設備的用電時間、生產班次、工作時間等進行調整，提高設備利用率的同時，使內部用電負荷趨于平衡。最后是做好企業內部員工管理工作，加大節電意識的宣傳普及，充分調動職工的節電積極性和主動性，同時，常態化開展節電監察工作，針對檢查出的不足之處，及時采取有效的措施解決，確保用電合理和節約用電。

（2）抓住主要用電設備，系統化開展節電工作。在鋼鐵用能流程中，主要的用電設備為高爐系統、燒結系統、煉鋼系統、軋制系統等。這些用電設備具有較大的節能潛力，應加強這些用電設備的操作管理，以達到節能的目的。具體需要以系統節能的思路為導向開展節電工作。首先，應選用高效電力設施，包括高效電機、高效節能輸配電設備、合理的供電系統及節能燈具等。其次，選用高效的設施輸送流體，包括高效水泵、高效風機技術等。再次，遵循系統最小外部損失原則，著重解決設備能力富余問題，避免引起節流損失。最后，改進優化工序，如轉爐煙氣除塵改干法、減少漏風、軋鋼加熱爐改汽化冷卻、減少管路長度與結構等。

（3）實現變壓器經濟運行。在鋼鐵企業的用電設備中，變壓器的應用數量最多、容量最大，同時，其損耗巨大，損耗量一般是額定容量的3%。在整個電力系統損失中約占30%。但是，變壓器的損耗往往不被重視，為提升節能效果，要實現變壓器的經濟運行，應使變壓器空載損耗等同于負載損耗，提高變壓器的效率，從而減少變壓器的損耗。同時，針對運行中的變壓器，應大力推廣使用節能型變壓器，替換輕載及過載變壓器。

（4）減少電機損耗。節能工作的開展，還需要減少電機的損耗。據統計，電機運行損耗的電量在總耗電量中占60%左右。因此，要提高電機運行效率，減少電機損耗。首先，正確選擇電機容量，一般電機的額定負載在72%～88%時，效率最高。同時提高功率因數，減少無功功率損耗。選用高效節能型電機時，減少輕載及空載運行的時間。其次，提升電機系統能效，應及時更新低效電機及高耗能設備，大力推廣高效節能電動機的使用，同時，積極推廣變頻調速、永磁調速等先進電機調速技術，由此提高電機系統效率。再次，改造傳統的機械傳動方式，用先進的電力電子技術傳動方式，如電動機智能模糊控制器，可根據負載調整電動機做功大小，從而滿足實際生產需要。最后，優化電機系統的運行控制，推廣使用計算機控制系統、無功補償裝置等，以過程控制保證能力配置合理，進而實現電機系統經濟運行。

（5）降低無功功率，提高力率。選擇磁阻小、氣隙小的電氣設備，如在選擇電動機時，在沒有別的限制條件下，盡可能地選擇鼠籠式電機。針對同容量下的電氣設備，應優選磁路體積小的設備，如高速開啟式電動機。針對不需要調速持續運行的大容量電氣設備，盡可能地選擇同步電動機。提高功率因數，降低無功功率。采取人工補償無功功率，減少電能損失，具體的補償措施有：高壓集中補償，即在母線上集中安裝電容器，優勢是方便管理和調節，但補償效果不佳；低壓成組補償，即將低壓電容器和無功自動補償裝置安裝在車間或井下動力變壓器的母線上，優勢是運行維護管理方便，且補償區大；就地不錯，主要是將電容器組分別安裝在各組用電設備和電動機進線處，與電動機同步運行，可讓電動機無功功率就地獲得補償，而且簡單易行。

3.2 能源多能互補創新

得益于發電技術的進步，目前，多數鋼鐵企業已有煤氣發電、余熱發電、余壓發電的基礎，應持續進行精綜合發電，實現能源的多能互補創新，即在不同條件下按不同方式合理應用，包括不同類能源的互補，也包括同一類能源不同燃料之間的互補，從而實現1+1＞2的產出效益，這也是能源合理利用極為重要的方法措施。在節能理念創新中，可進行化學能釋放與利用理論的創新，在此基礎上發展多能互補的分布式能源系統，實施節能、發電的能源循環經濟模式，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。

對比其他行業，鋼鐵企業具有豐富的二次能源，因此，更具有發展多能互補與儲能系統的條件。具體從以下幾個方面實現能源多能互補：

（1）鋼鐵二次能源與可再生能源互補。目前，光伏發電和風力發電是鋼鐵行業可發展的可再生能源利用，鋼鐵企業大多擁有大面積的廠房，所以具有發展屋頂光伏發電的天然優勢，尤其是臨江靠海的鋼鐵企業，還具有風力發電的優勢條件。鋼鐵企業的副產高爐煤氣、高爐煤氣及焦爐煤氣，在經濟性和潔凈度方面具有優勢，可利用這些副產煤氣的可調節性特點，與只能間斷功能的太陽能、風能組成一個多能互補的供能系統，并積極探索智慧電力供應網絡的建設，促使可再生能源與副產煤氣、余熱余壓發電機組有效銜接，從而實現能源結構低碳化、清潔化。另外，鋼鐵企業中也具有豐富的低溫余熱資源，可用其轉化為制備生物智能，實現鋼鐵余熱與生物質能的綜合利用，一方面，可提升鋼廠生物質能的利用；另一方面，可擴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。煤氣屬于鋼鐵余熱余能中的高品位能源，相對煤氣，煙氣的品位較低，且能量波動性較大，加之鋼鐵生產對低壓蒸汽的需求量較少，大多只能用于低壓力、溫度的蒸汽進行冷凝式發電，導致發電效率不高。針對這些情況，應積極探索不同高低品位能源的互補。首先，針對燒結過程中所產生的大量煙氣余熱，可補燃部分副產煤氣，將先產生的高溫煙氣與部分低溫煙氣混合，使煙氣溫度滿足燃燒室溫度要求，也使飽和蒸汽過熱至450℃，可一定程度上解決負荷波動大、蒸汽參數不穩定的問題，進而提升發電能力。其次，將焦爐與軋鋼加熱爐余熱與煤氣進行多能互補，利用蓄熱器加熱焦爐及加熱爐系統中的空氣和煤氣，并盡可能地提高助燃空氣的溫度。然后增設一套抽凝汽輪機發電機組，充分考慮系統中互補部分高位熱能，利用背壓蒸汽高效加熱空氣，轉變系統冷熱混合的過程，從而提升助燃空氣溫度的同時，提高發電能力。

（3）創新應用儲能系統。新形勢下，在鋼鐵生產中，應重視儲能系統的創新應用。針對燒結、轉爐等波動較大的能源，設置儲能裝置進行熱量儲存，若煙氣不足，儲能裝置可切換為放熱模式，并進入鍋爐中用以維持鍋爐煙氣溫度的穩定及發電機組進汽量、進汽穩定的穩定。另外，也能利用儲能裝置解決爐側短路時故障引起的緊急停機、系統防凍能功能問題。

4 結語

總的來說，在雙碳背景下，鋼鐵行業在實現資源環境、高效清潔低碳一體化方面有著重要潛能及作用，鋼鐵行業應從更高的站位，構建化工、能源、生態一體化的用能系統，遵循用能基本原則，采取有效的節能措施，轉變傳統的節能理念，增加再生能源的應用比例，從而實現合理優化與集成，進而實現能效提升與碳減排協同。