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                            向極致能效提升要效益 ——對鋼鐵行業推進極致能效工程的思考和建議(上)

                            2023-06-09 16:11:00

                              編者按
                              能效提升是鋼鐵工業實現綠色低碳高質量發展的核心舉措?!半p碳”目標提出以來,我國鋼鐵產業結構持續優化,節能工作取得積極成效。中國鋼鐵工業協會數據顯示,重點統計鋼鐵企業噸鋼綜合能耗由2012年的602.7千克標準煤/噸下降至2022年的551.4千克標準煤/噸。國家相關部委以及《“十四五”現代能源體系規劃》等政策文件對能源轉型提出了新要求;2022年12月9日,《鋼鐵行業能效標桿三年行動方案》正式啟動,第三大鋼鐵改造工程——極致能效工程進入實質性實施階段。結合國家要求及行業形勢,鋼鐵企業應當堅定不移地發揮自身的能源轉換功能優勢及能效潛力,創新優化能源結構,突出原料用能導向,實現綠色低碳高質量發展。本文結合實際談談對鋼鐵行業推進極致能效工程的思考和建議,上篇主題為“挖掘能源轉換潛力,實現極致能效提升”,下篇主題為“創新優化能源結構,助力鋼鐵流程碳中和”。本期為上篇。
                              我國鋼鐵工業以高爐—轉爐長流程生產為主,一次能源消耗結構主要為煤炭,節能降碳、改造升級潛力較大。國家在能效方面啟動的相關工作,意在以能效標桿為切入點,全面提升鋼鐵行業的競爭力,實現綠色低碳高質量發展。
                              能效提升是目前鋼鐵行業減碳的優先工作,是一項系統工程。筆者認為,鋼鐵企業應深度開發能源轉換功能價值,以實現極致能效提升,主要路徑包括主體工序能耗達標、余熱深度回收及梯級利用、能源網絡分布式耦合優化、煤氣發電能效(自發電)提升、跨行業協同與碳氫元素原料利用耦合等。
                              主體工序達能效標桿值比例較低 著力推動到2025年超30%產能達標
                              國家發展改革委發布的《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》提出:到2025年,通過實施節能降碳行動,鋼鐵等重點行業達到標桿水平的產能比例超過30%,行業整體能效水平明顯提升,碳排放強度明顯下降,綠色低碳發展能力顯著增強。到2030年,重點行業能效基準水平和標桿水平進一步提高,達到標桿水平企業比例大幅提升,行業整體能效水平和碳排放強度達到國際先進水平。
                              中國鋼鐵工業協會數據顯示,2020年—2022年,高爐工序達到能效基準值的產量占比分別為100%、99.3%、99.41%,達到能效標桿值的比例分別為7.54%、7.02%、3.35%;轉爐工序達到能效基準值的產量占比分別為67.62%、64.29%、84.92%,達到能效標桿值的比例分別為5.9%、6.39%、12.93%??梢?,鋼鐵行業高爐工序達到能效基準值的產量占比均在99%以上,遠高于轉爐工序,但整體而言,各主體工序達到能效標桿值的比例,距“2025年能效達到標桿值的產能占比超30%”的政策要求有較大差距。由于高爐經濟爐料使用比例上升、節能技術創新不夠、精細化系統節能意識不足、工序能耗統計口徑存在差異等原因,推進主體工序能耗達標工作遇到一定挑戰。
                              針對國家推進的能效標桿、能效約束、極致能效工程,鋼協發布《鋼鐵行業能效標桿三年行動方案》,啟動開展“雙碳最佳實踐能效標桿示范廠”培育工作,以及“三清單、兩標準、一系統”組合設計,有序推動鋼鐵行業重點工序能效達到標桿,促進鋼鐵工業綠色低碳高質量發展。
                              “三份清單”包括最佳可行技術清單、全球范圍內極致能效相關技術合作伙伴清單和以國家文件及綠色信貸為主的政策清單。其中,技術清單是能效達標的關鍵。面對節能空間日趨縮小的嚴峻形勢,深刻認知鋼鐵流程能源高效轉換的優勢,創新能源流網絡模式、開發高效的能量轉換工藝技術是破解現階段節能瓶頸的關鍵。
                              “兩標準”,一是指《粗鋼生產主要工序單位產品能源消耗限額》(GB21256)和《電弧爐冶煉單位產品能源消耗限額》(GB32050)合并修訂形成的新的強制性國標,已進入征求意見階段;二是指《鋼鐵企業重點工序能效標桿對標指南》(T/CISA 293-2022)團體標準,已于去年發布。
                              “一系統”指數據系統,是針對焦爐、高爐、轉爐、電爐重點工序能效對標開發的鋼廠數據填報系統。數據治理是實現能效對標的基礎,目前基礎仍較為薄弱,國家相關部委正在推動這項工作,鋼鐵行業也應系統設計、長期投入、逐步完善。
                              我國鋼鐵業余熱回收利用率低于50% 余熱深度回收及梯級利用水平亟待提升
                              鋼鐵工業是流程型制造業,存在復雜的能量消耗、轉換、回收以及輸送過程,能源流網絡龐大交錯。
                              其中,鋼鐵余熱余能資源包括各種煙氣(廢氣)攜帶的顯熱(包括高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣等可燃氣體),最終軋制成材或材前鐵水、鋼水、坯料具有的顯熱,燒結礦、球團礦具有的顯熱,高爐渣和鋼渣等熔渣顯熱,生產中各種冷卻水及產生的蒸汽攜帶的熱能,高爐爐頂煤氣的余壓,少許帶有壓力的冷卻水,等等。
                              針對不同品位的余熱資源,鋼企通常采取3種利用方式:第一,對高溫介質的顯熱,通常先由蒸發器進行回收,后通過汽輪機等設備轉換發電;第二,對中低溫介質顯熱,通常進行換熱后用于生產過程,比如供應飽和蒸汽、預熱空氣或煤氣、富余蒸汽用于發電;第三,對于壓力類的余能,通常是利用壓差進行膨脹做功。
                              不過,我國鋼鐵企業在余熱利用方面普遍存在著技術手段少、轉換效率低、回收利用價值低等問題。其中,高溫余熱由于熱量較集中,溫度較高,目前此類項目大部分均已有效回收利用。大量的中低溫氣體余熱由于比較分散且熱源波動,不易集中回收,尚未得到高效回收利用。多數企業設置蒸汽蓄熱器來解決余熱資源波動問題,效果不佳。據研究,我國鋼鐵行業余熱回收利用率低于50%,還有大量余熱資源直接排放,導致能源浪費。
                              值得關注的是,已有部分企業在余熱利用方面有所突破,如山西新石能源科技有限公司180萬噸/年焦化項目配套250噸/小時干熄焦項目投產,實現噸焦發電量超過200千瓦時,比高溫高壓機組提高約15%;建龍西鋼首次應用煙氣隔爆型中低溫余熱回收技術,對180℃以上轉爐煙氣余熱全部回收利用,為行業開展中低溫余熱利用提供了借鑒。下一步,鋼鐵企業典型工序需持續重點研發高參數干熄焦、燒結豎冷余熱回收、爐渣干式?;酂峄厥?、轉爐煙氣汽化煙道后余熱回收、爐窯煙氣低溫余熱發電、中低溫余熱回收等技術。
                              聚焦3條路徑 推動能源網絡分布式耦合優化
                              多數鋼鐵企業存在副產煤氣、余熱蒸汽等二次能源富余的情況。鋼鐵企業實施系統節能時,應重點實施煤氣、蒸汽、余熱系統的能量流網絡協同耦合集成優化,通過構建更加合理高效的能量流網絡實現系統提升。
                              分布式能源是相對于集中供能而言的分布式供能方式,利用一切可以利用的資源,輔以集中能源供應系統,實現直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用,達到更高的能源綜合利用效率。鋼鐵能源網絡分布式耦合優化的重點在于,實現鋼鐵生產工藝過程與“源-網-荷-儲”分布式能源系統的充分耦合,實現煤氣、蒸汽等能源網絡的互聯互儲,具體實施路徑包括煤氣平衡優化、分布式蒸汽自平衡及優化、煤氣—蒸汽—電力協同優化調度等。
                              煤氣平衡優化。煤氣系統優化應遵循“極限回收、高效使用、能級匹配、高效轉化和零放散”的原則,根據煤氣資源的數量、品質和用戶需求不同,高效分配使用煤氣,完善煤氣緩沖系統,優化煤氣管網,實現煤氣閉環管理和零放散。同時,可應用蓄熱式燃燒等高效燃燒技術措施適應工藝用戶的熱工需求,以解決部分企業等效替代的煤氣結構平衡問題。
                              鋼企應科學制訂煤氣平衡方案,不能只關注靜態平衡要素,還要從生產角度出發推動實現動態平衡。包括結合實際情況做好高爐休風、軋鋼產線調整等多個因素的分析,掌握各種關鍵性因素。減緩熱風爐等高爐煤氣“大用戶”的峰谷起伏,對于提升整個高爐煤氣系統的穩定性至關重要。為此,鋼企應通過對熱風爐的燒爐時間進行整體安排,避免發生因熱風爐大燒、小燒時間重疊引起的高爐煤氣峰谷用量波動。
                              鋼企還應構建具備較高能力的煤氣緩沖系統,配備相應規模的煤氣柜;通過獎勵減少放散量的單位等經濟手段,引導各單位向有利于煤氣平衡的方向發展,激勵各單位積極探究節能降耗措施,提高煤氣利用效率。
                              分布式蒸汽自平衡及優化。提高余熱、余壓的回收利用水平,采用技術先進、經濟合理的節能工藝、技術、設備與措施,按照“高質高用、梯級利用、能級匹配、耦合協同”的科學用能原則,實現能源的就地轉換利用。
                              鋼企可以考慮不同能源介質的經濟輸送半徑,建立多個區域性能源利用體系。例如,焦化區域通過實施上升管余熱回收、負壓蒸氨和負壓脫苯技術改造、循環氨水余熱回收等節能技術項目,實現焦化蒸汽自供應,減少干熄焦抽汽,也能避免蒸汽管網長距離輸送造成的能源損失。再如,在高爐、焦化、燒結區域分別回收相應余熱,作為吸收式制冷系統驅動的熱源,使整個系統按能源品位進行分級利用和循環利用。
                              鋼企還可改革以蒸汽為載體的能源運行方式,建立以熱導油、高壓熱水為載體的能量流網絡。包括減少設置甚至取消蒸汽管網,余熱蒸汽高參數回收、就地發電上網,構建科學、合理、高效的能源網絡;針對RH(真空循環脫氣)等間斷用戶的生產情況,煉鋼工序應開發高效機械真空系統,替代蒸汽噴射。如湛江鋼鐵燒結系統就采用“機上爐”技術,直接在燒結環冷機上布置余熱鍋爐,避免煙氣長距離導引的熱損失,并根據余熱資源配備補汽式發電機組,利用煤氣產生低壓蒸汽,確保燒結余熱發電機組的穩定高負荷運行。
                              煤氣—蒸汽—電力協同優化調度。煤氣、蒸汽、電力是鋼鐵企業能源系統中重要的二次能源,并且相互之間存在轉換。鋼鐵企業可以通過煤氣、蒸汽、電力3種能源的協同轉換和優化使用,推進節能減排和能源成本降低。由于歷史原因,鋼鐵流程中的煤氣、蒸汽、電力能源均處于無序狀態,特別是操作換向工藝波動會造成放散損失。要實現二次能源高效閉環有序運行,必須建立以儲能為核心的新能源緩沖及高效轉化能控中心,同時在確保能源穩定供應和安全生產的前提下,優化富余煤氣分配以及蒸汽、電力需求的生產調度,使調度周期內系統能源成本降到最低。
                              抓牢煤氣發電機組改造“關鍵抓手” 力促煤氣發電(自發電)能效提升
                              提升自發電水平是提高流程能源轉換效率、降低能源成本最直接、提升效益最明顯的抓手。余熱余能自發電影響噸鋼能源成本約100元以上,對鋼鐵企業效益及競爭力高低影響較大。鋼鐵余熱余能發電技術主要包括煤氣發電、干熄焦發電、高爐干式余壓發電、燒結余熱發電等。其中,煤氣發電占比最大,抓好這項工作,將對企業的自發電提升和能效提升起到決定性的影響。
                              根據發電原理不同,鋼鐵行業煤氣發電機組分為燃氣—蒸汽聯合循環發電(CCPP)機組和鍋爐發電機組。煤氣鍋爐發電技術近年來快速發展,由原來的中溫中壓、高溫高壓發展到目前主流的超高壓、亞臨界、超臨界參數,高爐煤氣單耗由5立方米/千瓦時降至2.4立方米/千瓦時,先進機組的熱效率達到44%。很多鋼鐵企業通過主動淘汰中、低參數機組并結合高爐汽動鼓風改造,集中煤氣資源建設超高壓、亞臨界、超臨界機組,獲得了較高效益。高參數機組在小型化方面的技術突破,為在中小型鋼鐵企業中推廣創造了條件,35兆瓦~65兆瓦等級超高壓及65兆瓦~150兆瓦等級亞臨界煤氣發電均已有上百臺(套)成熟工程案例,盛隆冶金、津西鋼鐵等企業150兆瓦等級超臨界機組建成投運。其中,3×145兆瓦超臨界煤氣發電機組安全高效穩定運行一年有余,發電效率達到43.5%,2022年3臺機組累計發電18.8億千瓦時。山西建邦集團通才公司通過系統節能以及煤氣發電機組升級改造,實現在沒有焦化工序的情況下,自發電率超過80%。
                              目前在鋼鐵行業,中溫中壓機組的應用很少,基本上已經停下來作為備用機組;還有一定數量的高溫高壓機組,少數企業有高溫高壓汽動鼓風,將在“十四五”期間全部改造完成。預計到“十四五”末,鋼鐵行業35兆瓦等級以下會保留少量的高溫高壓機組,35兆瓦~5兆瓦等級的煤氣發電全部為超高壓機組、65兆瓦~100兆瓦等級煤氣發電為亞臨界機組、100兆瓦~180兆瓦等級煤氣發電為超臨界(亞臨界)機組,且新建的機型多數為超臨界機組。據筆者了解,相關公司正在對100兆瓦燃氣—蒸汽聯合循環發電(CCPP)進行攻關,設計發電效率將超過50%,屆時投運后該機型的競爭力將明顯優于現有機型,也將為鋼鐵企業煤氣發電多一條選擇路徑。
                              煤氣發電能效提升、自發電提升工作同樣是一項系統工程,需促進高能效轉化工藝、裝備、管理技術創新開發,特別要在分布式能源耦合集成優化、科學制定煤氣平衡、兼顧高效與安全可靠性、開展技術經濟比選以保效益最大化、向高參數機組發展、高標準開展項目設計施工等方面采取措施,提高自發電水平。
                              打破能源轉化的行業壁壘 實現跨行業協同與碳氫元素原料耦合利用
                              現有鋼鐵生產流程中的焦化副產品化產利用、副產煤氣及余熱發電、高溫熔渣制備水泥及其他建材等技術已實現規?;a,具有跨冶金、化工、電力、建材等行業聯產的特征??缧袠I協同與碳氫元素原料耦合利用將成為鋼鐵工業實現更大范圍系統節能的重要途徑和運營模式。
                              筆者認為,基于能源綜合梯級利用原理,以提高系統能效為目標,在工業園區等跨行業聯產系統總體規劃的基礎上,通過能源綜合梯級利用和橫向多行業互補,打破能源轉化在行業間的壁壘,實現行業內和跨行業不同能源形式的耦合利用,可進一步提高全社會整體能源利用效率,是當前及未來能源可持續發展的重要技術路徑。主要包括以下幾個方向:煤氣充當周邊水泥窯等的燃料、副產煤氣用于化產、余熱蒸汽用于海水淡化、余熱供暖(供冷)等,使鋼鐵企業成為社區、城市的清潔能源供應中心。
                              煤氣、蒸汽用于周邊企業燃料及熱源。從能效及經濟性角度考慮,對于附近有其他產業的鋼鐵企業而言,把副產煤氣、蒸汽外售的經濟性要優于發電利用。鞍鋼鲅魚圈通過外銷煤氣給華能、外銷蒸汽給嘉里糧油,每年創效近8000萬元;南京鋼鐵通過華潤壓縮空氣等能源保供模式創新,實現區域能源供應有效協同。
                              副產煤氣用于化產,實現降碳、固碳和高價值利用。副產煤氣中含有CO、H2和CH4等成分,可以作為化工合成的基本原料氣。焦爐煤氣制備的化工產品主要有天然氣、甲醇、乙醇、乙二醇等。此外,焦爐煤氣還可以用于合成氨進而生產尿素化肥等,從焦爐煤氣中分離提取的氫也是重要的氫能來源。轉爐煤氣提純的CO可與焦爐煤氣分離的H2結合,合成乙醇、乙二醇或者生產草酸、甲酸等化工產品,也可以采取發酵蒸餾的方式,通過加入氨制成燃料乙醇,同時產生副產沼氣和蛋白粉飼料。目前,已有很多鋼企在這方面開展了應用,如山鋼日照、河北安豐等企業建有焦爐煤氣制天然氣裝置,滄州中鐵、達州鋼鐵、黑龍江建龍等建設了焦爐煤氣聯合高爐煤氣制甲醇裝置,晉南鋼鐵建設了焦爐煤氣聯合轉爐煤氣制乙二醇裝置,石橫特鋼建設了轉爐煤氣制甲酸裝置。
                              余熱蒸汽用于海水淡化。低溫多效蒸餾(LT-MED)海水淡化所需溫度低,采用抽引凝結換熱、氣液兩相防腐換熱、熱水高效閃蒸及蒸汽抽射增壓等技術,可回收鋼鐵低品質余熱作為LT-MED海水淡化裝置的熱源。這一技術已在首鋼京唐應用,該方法實現了能源的梯級利用,以及蒸汽、煤氣、工業廢水及濃海水的零排放。
                              余熱供暖(供冷)、建設城市余能利用中心。鋼企充分開發利用低品位余熱、沖渣水余熱、煙氣余熱等,可為周邊社區、城市供暖供熱,減少地區燃煤設施及相應的碳排放。目前,鋼鐵企業的高品質余熱已基本得到利用,下一步需要深度挖掘余熱資源與節能技術改造,利用生產余熱供應周邊冬季供熱及生活熱水,推進產城融合,實現共融發展。據筆者了解,截至2022年底,撫順新鋼鐵社會供暖面積達887萬平方米,噸鋼供暖面積達到世界領先水平(2.2平方米)。(熊超 溫燕明
                            (作者熊超系冶金工業規劃研究院總設計師,溫燕明系原濟南鋼鐵集團副總經理)

                            來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

                            編輯:張雨恬

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