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                            以能源結構優化促轉型 ——對鋼鐵行業推進極致能效工程的思考和建議(下)

                            2023-06-20 10:30:00


                              《工業領域碳達峰實施方案》明確提出優化用能結構等鋼鐵企業節能降碳的實施路徑,提出加強新能源利用,增強源網荷儲協調互動,加快新型儲能規?;瘧玫纫?。此前,國家相關部委也圍繞“雙碳”目標推出多項政策,如《“十四五”現代能源體系規劃》(國家發展改革委、國家能源局)、《“十四五”工業綠色發展規劃》(工信部)、《“十四五”新型儲能發展實施方案》和《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》(國家發展改革委、國家能源局)等都明確提出加快鋼鐵行業綠色升級,通過建設儲能電站、源網荷儲一體化示范項目等,促進高耗能企業能源結構轉型。
                              當前,鋼鐵行業處于向“多能互補”用能新格局轉型的時期,多數鋼鐵企業仍比較迷茫,僅進行了屋頂光伏、鋼化聯產、余熱供暖等方面的探索。在傳統管理模式下,鋼鐵能量流基本無序,且運行效率低、耗散損失大。為此,鋼鐵行業亟須構建以儲能為核心的閉環運行網絡,提高現有能源流系統能效。類似于煤炭在我國能源體系中的“壓艙石”作用,鋼鐵行業穩定的二次能源發電也是“壓艙石”,如何做好與光伏等新能源的協調互補,是當前行業面臨的重要議題。
                              在追求極致能效的同時,創新優化能源結構是助力鋼鐵企業實現碳中和的重要手段。其中,新型低碳多能互補能源體系及儲能系統的構建對鋼鐵企業尤為關鍵。鋼鐵企業通過構建新型低碳多能互補能源體系及儲能系統,形成企業用戶側“源網荷儲一體化和多能互補系統”,既可系統提升能效,又可增加新能源應用、優化能源結構。
                              多能互補 實現能源利用“1+1>2”
                              多能互補的目的是在不同條件下按照不同方式對能源進行合理利用,實現“1+1>2”的產出效益。該方式能夠通過不同種類能源和燃料的相互補充與綜合利用,大幅提升能效并合理利用可再生能源。
                              用能的核心是能源的“?”值,即最大做功能力,從而改變以往用能重視數量、忽略品質的弊端。同時更主要的是要考慮“?”平衡、重視“?”效率,這對于挖掘節能潛力、采取節能措施,均有較大推動作用。
                              大多數情況下,鋼鐵行業主要涉及對能源的“?”值利用,但有時候只需要低品位熱能的利用,能源的“?”效率很低。例如工藝上側重于低品位熱能的利用,但企業往往使用高品位的熱能,出現了高能低用的能量損失情況。鋼鐵企業對低品位能源的需求量相對較少,多為利用中高品位能源發電,發電過程既消耗大量熱能,又需要電能對低品位熱能進行冷凝,能源系統效率較低。針對這些情況,各個工藝環節可以考慮采取一些多能互補的優化路徑——
                              針對燒結煙氣參數波動、余熱發電效果不佳的情況,可在煙氣中補燃一部分煤氣,產生1000攝氏度高溫煙氣,并與部分400攝氏度煙氣混合,在補氣燃燒室中煙氣溫度達到700攝氏度以上,將飽和蒸汽加熱成為450攝氏度的過熱蒸汽,可使綜合系統效率達到最大化,提升發電效率。
                              針對煉鋼煙氣波動對余熱鍋爐產汽的影響,可補燃一定量的煤氣,綜合系統即可實現不同品位余熱余能的綜合梯級利用。
                              針對焦爐、加熱爐換向閥混入冷空氣造成排煙溫度較低的情況,利用低壓蒸汽先對進氣進行加溫以提高排煙溫度,再補燃高爐煤氣進行高溫燃燒,實現高、低位煙氣互補以提高發電效率。
                              針對全廠大量40攝氏度~50攝氏度低溫冷卻水,采用溴化鋰熱泵技術,輔以少量蒸汽,提高循環水的溫度后再供出。
                              拓展傳統儲能系統功能 提高發電效率和峰谷效益
                              儲能技術可以解決能源供求的時空不匹配問題,是提高能源利用效率的有效手段。長期以來,煤氣柜、蓄熱器作為鋼鐵生產中傳統的儲能設施,在調節能源參數平衡、保障用能儲備、提供安全保障等方面發揮著重要作用。
                              在鋼鐵生產中,煤氣柜可用于調節煤氣動態平衡、平衡熱值波動,是鋼鐵企業重要的能源設備。煤氣柜的傳統作用主要有儲存煤氣、平衡管網壓力、保障管網安全等。在新形勢下,煤氣柜需要進一步發揮調峰作用,根據峰谷時段實時自動充柜、降柜,提高峰谷發電差效益。谷段升柜,適當降低發電量,多用低價電,為峰段發電儲存煤氣;峰段降柜,供發電使用,提高發電量,減少外購高價電,降低購電成本。
                              傳統蒸汽蓄熱器用于解決轉爐余熱蒸汽波動問題,可將間斷性供汽轉變為穩定、連續供汽,減小對全廠蒸汽管網的沖擊。對于蓄熱器的優化使用,需要采取進一步核定蓄熱器能力、將多臺并列的臥式筒形蓄熱器改造為球形蓄熱器、蓄熱器后配備低壓蒸汽燃氣式過熱裝置等措施。
                              在新的發展形勢下,煤氣柜、蓄熱器也需要在傳統功能的基礎上進一步拓展優化,在提高煤氣蒸汽發電效率、煤氣峰谷發電差效益等方面發揮作用。
                              創新應用新型儲能系統 解決能源供求時空不匹配問題
                              在鋼鐵企業,有一定應用場景的新型儲能系統包括儲熱系統、電化學儲能系統、液化空氣儲能系統等。在新的發展形勢下,新型儲能將有更大的發展空間,有助于解決能源供求時空不匹配問題。
                              儲熱系統。鋼鐵企業通過余熱鍋爐回收熱能,經蓄熱器后傳送至余熱發電機組,熱能利用率不高。熔鹽儲熱系統可以存儲間歇性和周期性的余熱,提高回收蒸汽的參數值和穩定性,從而提升余熱發電的效率和靈活性;也可與煤氣發電機組耦合,結合峰谷電價、能源數字化、生產電力負荷調控等措施,既提高自發電率,又提升能源系統調節能力。除煤氣機組外,儲熱技術還可用于余熱發電調峰,如干熄焦儲熱調峰系統、燒結余熱發電儲熱調峰系統。目前,山西建龍正在建設鋼鐵行業首套煤氣熔鹽儲熱調峰項目,預計2023年下半年投運。
                              通過配置儲熱系統調峰,可以起到3個方面作用:一是穩定波動較大的余熱余能,提升余熱發電機組發電效率;二是利用峰谷價差創效,降低企業生產成本;三是促進可再生能源消納,實現鋼鐵生產流程低碳運行。圖1為儲熱系統示意圖。
                              電化學儲能。電化學儲能轉化效率高、比能量(即單位重量或單位體積電池對外輸出的能量)和比功率高(即單位時間電池的比能量)、響應速度快(毫秒級)。在電源側,能夠實現平滑能源出力等功能;在電網側,可參與電網調峰調頻等電力輔助服務和電能質量改善。
                              當鋼鐵企業引入新能源發電時,由于新能源電站發電量隨風、光強度而波動,導致電網結構和電力波動較為復雜,存在棄“風”棄“光”等現象,因此,需要儲能系統對富余發電量進行儲存,同時對電網波動進行調頻處理。電化學儲能作為新能源發電的強制配套措施,配套過少易導致電能質量差,過多又會大幅增加投資成本。為了確保新能源電力質量滿足并網和用戶要求,通常在新能源發電項目中配置10%~20%的儲能比例。
                              與單一的新能源電站不同,在鋼鐵企業中引入新能源后,會形成一個“源—網—荷—儲”的企業微網系統;由于鋼鐵企業內的電力調度更為復雜,需要同時考慮鋼鐵企業各生產工序的用能及負荷波動情況,對儲能系統進行重新設計。
                              液化空氣儲能??辗盅b置是一種以消耗電能為主,生產大規模氧氣、氮氣、氬氣等工業氣體的設備??諝夥蛛x工序在鋼鐵企業中通常消耗1/5~1/4的電力,具備很大的調峰潛力??辗盅b置本身具備一定的變負荷生產能力,可利用分時電價進行錯峰生產,在電價高時低負荷生產,在電價低時高負荷生產,大幅降低生產用電成本;還可以通過調節壓縮機在不同時間段的功耗,控制空氣液化量和存儲量,利用液化空氣儲能實現用電負荷的調節。
                              液化空氣儲能技術的原理是通過低溫液化技術利用過剩電能,將常溫常壓空氣液化存儲在貯槽,將電能轉化成深冷能;發電時,液化空氣經過增壓加熱氣化后輸入到發電膨脹機,深冷能轉化成電能補充到電網系統中。
                              鋼鐵企業具備液化空氣儲能所需的空分裝置,通過液化空氣儲能與空分設備有機耦合,可以最大化節約設備投資成本,提高儲能經濟效益。此外,鋼鐵企業有大量低品位余熱,也可以與液化空氣儲能實現多能互補,提高儲能的綜合效率。圖2為液化空氣儲能與空氣分離耦合流程示意圖。
                              氫儲能。氫儲能具有響應時間短、調節靈活性高、調峰周期長、存儲逸散等優點,可對可再生能源高峰時節發出的風電、光電通過電解制氫進行存儲,促進新能源平滑并網,緩解棄“風”棄“光”現象,提高鋼鐵企業對新能源的消納能力。
                              與其他燃料相比,氫的質量能量密度大,但體積能量密度低(汽油的1/3000),因此,構建氫儲能系統的一大前提條件就是在較高體積能量密度下儲運氫氣。尤其是當氫氣應用到交通領域時,還要求有較高的質量能量密度。此外,以氫的燃燒值為基準,“將氫的儲存運輸所消耗的能量控制在氫燃燒熱的10%以內”為理想狀態。目前,氫氣的儲存可分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和金屬固態儲氫,對儲氫技術的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。
                              整體來看,鋼鐵企業與氫能應用有著良好的協同促進關系,鋼鐵企業既是產氫單位又是用氫單位,應用氫能可助力鋼鐵產業實現高質量綠色發展。氫能作為理想的新型能源載體,在“雙碳”背景下,氫儲能系統具有明顯的優越性,但因為技術和材料限制,目前還存在效率低、成本高問題。結合鋼鐵企業能源特點,建議積極跟蹤低溫液態氫存儲技術路徑。低溫法存儲液氫可以與空氣液化、空氣分離耦合儲能,通過氫氣/空氣液化冷量互補,提高能源使用效率。
                              集成應用儲能系統 經濟可行性良好
                              以國內某北方鋼企進行儲能系統集成應用為例,該企業采用長流程(無焦化工序)工藝,生產總電耗約350兆瓦,其中空氣分離電耗約占總電耗的24%。發電系統現有2臺100兆瓦亞臨界煤氣機組,實際發電功率為180兆瓦,可在50%~103%范圍內調節;2臺燒結余熱發電機組(1臺12兆瓦、1臺9兆瓦),實際發電功率為13.4兆瓦,可在60%~100%范圍內調節;1臺TRT(高爐煤氣余壓透平發電裝置)發電功率為5.9兆瓦。自備電廠總發電功率合計199.3兆瓦,為滿足生產需要(350兆瓦),需向電網購電150余兆瓦。
                              該企業規劃建設20兆瓦屋頂光伏發電、100兆瓦湖面光伏發電以及200兆瓦地面光伏發電項目,合計320兆瓦,從而降低了企業購電成本和碳排放。320兆瓦光伏發電項目投產后,在晴天午間,光伏最大功率為288兆瓦。引入新能源前,企業自發電電力缺口僅為150余兆瓦,因而光伏發電最大富余功率為138兆瓦。整個午間光伏發電富余量預計約65.6萬千瓦時,光伏富余電量只能以較低價格上網(低于谷電價格上網)。而在17:00—23:00時段,為彌補150兆瓦的電力缺口,企業又以峰電甚至尖峰電價從電網購入,減少了企業的應有效益。與此同時,引入新能源發電會對鋼廠現有余熱發電及電力系統造成影響,從用能安全性考慮,同樣有必要引入儲能系統,并開發出相應的企業電力調控機制。
                              針對新能源引入后的用能安全性和經濟性問題,該企業構建了基于鋼鐵生產流程的多能儲能系統,根據企業實際情況以及儲能投資成本,構建起由電化學儲能、液化空氣儲能、煤氣和儲熱組成的儲能系統(考慮到氫儲能目前不具備應用經濟性,暫未引入)。具體而言,企業將電化學儲能用于光伏發電一次調峰,以提高光伏發電電能質量;以空分裝置為基礎,構建液化空氣儲能系統;通過煤氣柜存儲煤氣,調節自備電廠電力負荷變化;選用高溫熔鹽儲熱方式,對高爐煤氣燃燒加熱;通過熔鹽換熱產生高溫超高壓蒸汽,共用原有煤氣發電機組發電。儲能系統建成后,還需對其電力調度進行優化,最大化發揮其儲能調峰作用,節約企業購電成本。
                              該企業將儲能系統分布式植入鋼鐵工藝流程中,減少了設備投資,增大了儲能容量,促進了新能源發電與鋼鐵的進一步結合。在儲能效率85%、電網電價0.6元/千瓦時的情況下,該企業儲能系統年收益9000萬元,靜態投資回收期僅4.5年,經濟可行性良好。圖3為鋼鐵企業儲能系統構建示意圖。
                              結論與建議
                              當前,鋼鐵行業處于向“多能互補”用能新格局轉型的時期,鋼鐵行業及企業應擔當作為,攜手挖掘能源轉換潛力,實現極致能效,同時創新優化能源結構,助力實現碳中和。
                              國家及行業層面。一是選擇優秀企業、優秀流程,進行鋼鐵流程多能互補、低碳高效運行模式及能源技術改造示范開發。二是立項支持能源高效轉換技術創新突破,如燒結豎式換熱裝置、焦爐荒煤氣余熱高效回收發電、轉爐煙氣余熱回收發電、冶金渣余熱高效回收等。三是對于能效標桿企業給予綠色信貸、減免停限產等方面的政策支持,并嚴格貫徹執行可再生能源不納入能源總量的政策。
                              企業層面。其一,能效提升是鋼鐵行業當前乃至未來相當長一段時間的中心工作,鋼鐵企業都應以鋼鐵行業能效標桿三年行動方案為總綱,制訂本企業能效提升三年行動計劃,指導企業全系統分步實施節能降碳工作。
                              其二,主體工序能效達標桿是近期相對迫切的工作。此項工作建議緊緊圍繞國家相關政策、中國鋼鐵工業協會的《鋼鐵行業能效標桿三年行動方案》以及“三清單、兩標準、一系統”的總體部署來完成,特別是要高度重視并積極參與 “雙碳最佳實踐能效標桿示范廠”培育工作。
                              其三,能效提升是一項系統工程,建議鋼鐵企業在主體工序能效達標的基礎上,從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多維度進行系統能效提升,切實降本增效。
                              其四,鋼鐵企業應高度重視能源結構優化,充分利用鋼鐵余熱余能資源豐富的優勢,嘗試構建符合自身特點的低碳多能互補能源體系以及多能存儲的儲能系統,推動太陽能、綠電等清潔能源應用比例增加,實現綠色低碳高質量發展。(熊超 溫燕明
                              上篇詳見6月8日02版
                            (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

                            版權說明

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