熊 超 史君杰 翁雪鶴

我國鋼鐵工業(yè)余熱余能發(fā)電現(xiàn)狀分析

熊 超 史君杰 翁雪鶴

一、引言

近十年來，我國鋼鐵工業(yè)粗鋼產(chǎn)量增長了108%，總用能量僅增加了93%；重點生產(chǎn)工序能耗達標率逐年提高，我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作取得顯著成效。但依然存在較大的節(jié)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(yè)制造流程是一個大規(guī)模能源循環(huán)系統(tǒng)，在構(gòu)成該系統(tǒng)的工序內(nèi)部，在各工序之間進行復雜的能量消耗、轉(zhuǎn)換、再生、輸送，而且鋼鐵聯(lián)合流程具有很強的熱管理特征。鋼鐵生產(chǎn)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(huán)境溫度的廣泛范圍。目前我國生產(chǎn)1噸鋼產(chǎn)生的余熱余能資源量為8吉焦-9吉焦，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱。副產(chǎn)煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉(zhuǎn)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(jié)礦、紅焦炭、高爐渣、轉(zhuǎn)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(chǎn)預熱外，最經(jīng)濟的利用方式是外供周邊用戶。由于大多數(shù)鋼鐵企業(yè)周邊沒有煤氣、蒸汽用戶，因此通過能源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電力，成為鋼鐵企業(yè)余熱余能利用的主要途徑，自發(fā)電率也成為衡量企業(yè)節(jié)能水平高低的關(guān)鍵指標。鋼鐵企業(yè)余熱余能發(fā)電方式主要包括煤氣發(fā)電、蒸汽發(fā)電、TRT、燒結(jié)余熱發(fā)電、干熄焦發(fā)電等。

二、煤氣發(fā)電

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的副產(chǎn)煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，三種煤氣占企業(yè)總能耗的近40%。高爐煤氣特點是熱值較低，發(fā)生量大，平均每噸鐵產(chǎn)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(yè)中最為優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，平均每噸焦炭產(chǎn)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(zhuǎn)爐煤氣根據(jù)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(yè)煤氣發(fā)電機組根據(jù)發(fā)電原理不同分為燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）和常規(guī)鍋爐發(fā)電。由于CCPP機組具有較高發(fā)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(shù)鍋爐發(fā)電機組取代。

過去二十年，全燃煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)為我國鋼鐵工業(yè)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(shù)方向發(fā)展。高溫超高壓、超高溫超高壓煤氣發(fā)電是行業(yè)主流煤氣發(fā)電方式。采用技術(shù)成熟的高溫超高壓燃氣鍋爐和一次中間再熱汽輪發(fā)電機組，提高熱能利用效率，發(fā)電效率介于36%-38%，比鋼鐵企業(yè)傳統(tǒng)的中溫中壓發(fā)電效率有大幅提升。近些年鋼鐵企業(yè)紛紛淘汰中、低參數(shù)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(yè))。由于該機組的小型化發(fā)展較快，為在中小型鋼鐵企業(yè)中推廣創(chuàng)造了條件，在近3-5年時間內(nèi)，淘汰中低參數(shù)機組、集中煤氣資源、建設高溫超高壓煤氣發(fā)電機組將成為主流趨勢。目前國內(nèi)相關(guān)單位正在攻關(guān)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(fā)電將會得到逐步推廣。

三、蒸汽發(fā)電

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

轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)采用自然循環(huán)、蒸汽引射。系統(tǒng)設備構(gòu)成分為除氧給水系統(tǒng)、汽包熱水循環(huán)系統(tǒng)及排污系統(tǒng)。飽和溫度的熱水從汽包經(jīng)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(jīng)上升管進入汽包，蒸汽在汽包內(nèi)通過汽水分離裝置經(jīng)調(diào)節(jié)閥送入車間管網(wǎng)。

我國鋼鐵企業(yè)現(xiàn)在主要有飽和蒸汽發(fā)電、過熱蒸汽發(fā)電及螺桿發(fā)電三種蒸汽發(fā)電方式。行業(yè)中蒸汽發(fā)電普遍存在蒸汽壓損較大、產(chǎn)生的飽和蒸汽壓力等級不一、冬季供暖造成汽輪發(fā)電機組停運等問題，導致許多企業(yè)的蒸汽發(fā)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(fā)電的穩(wěn)定性，通過了一系列優(yōu)化措施，主要包括：

（1）提高轉(zhuǎn)爐蒸汽壓力增加蓄熱器設備合理利用轉(zhuǎn)爐間斷式蒸汽。

（2）增設汽機集汽箱，將轉(zhuǎn)爐和軋鋼等加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽匯入汽機集汽箱內(nèi)，通過汽機集汽箱穩(wěn)壓和穩(wěn)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(huán)水余熱回收以保證冬季供暖，確保蒸汽發(fā)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(nèi)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(fā)電裝置回收發(fā)電；二是采用BPPT，即煤氣透平與電機同軸驅(qū)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(shù)創(chuàng)新性地提出了煤氣透平和高爐鼓風機同軸的技術(shù)解決方案，用煤氣透平直接驅(qū)動高爐鼓風機，將兩臺旋轉(zhuǎn)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(jīng)很高，未配置相關(guān)設備的高爐均為小型高爐，鋼鐵行業(yè)的淘汰落后產(chǎn)能工作已經(jīng)進入收尾階段，加之高爐節(jié)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(fā)展趨勢主要集中在如何提高余壓回收效率。我國企業(yè)已經(jīng)成功研發(fā)出新一代3HTRT系統(tǒng)—提高高爐冶煉強度的頂壓能量回收系統(tǒng)，在保持和優(yōu)化原先TRT系統(tǒng)回收發(fā)電功能的基礎(chǔ)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(zhì)量和流量，從而提高高爐冶煉強度，達到提高高爐利用系數(shù)、降低入爐焦比的功效。其技術(shù)核心是根據(jù)TRT管網(wǎng)系統(tǒng)流體力學原理，結(jié)合高智能控制算法，確定靜葉或旁通閥的動態(tài)開度，以保證頂壓的高精度穩(wěn)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(zhuǎn)換的損失，提高裝置效率，減少環(huán)境污染和能量浪費，穩(wěn)定爐頂壓力，改善高爐生產(chǎn)條件，降低產(chǎn)品成本。此外，BPRT設備建設投資及勞動定員少，具有顯著的經(jīng)濟、環(huán)境及社會效益。隨著國家對重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化的支持，BPRT必將以其獨特的優(yōu)勢得到廣泛應用，向全面、大型化趨勢發(fā)展。

五、燒結(jié)余熱發(fā)電

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

燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)主要有四種類型：單壓系統(tǒng)、雙壓系統(tǒng)、閃蒸補汽系統(tǒng)及帶補燃系統(tǒng)。雙壓系統(tǒng)效率最高，目前在國內(nèi)應用較廣泛，但雙壓系統(tǒng)投資較高，回收期相對較長；燒結(jié)余熱發(fā)電主要利用環(huán)冷機前兩個風機的廢氣熱量，從目前運行情況看，噸礦發(fā)電量最高可以達到21千瓦時，但目前國內(nèi)大多數(shù)機組的作業(yè)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(jié)機裝備不斷實現(xiàn)大型化，新建設備中360平方米及以上的大型燒結(jié)機成為主流，隨著淘汰落后進程的進一步加快，大型燒結(jié)機、大型密閉性環(huán)冷機的比例和產(chǎn)能占比將繼續(xù)提升，燒結(jié)機余熱發(fā)電的潛在裝機總量預計在3500兆瓦以上。在增加燒結(jié)機余熱發(fā)電設備的同時，提高噸礦發(fā)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(jié)余熱發(fā)電的熱源穩(wěn)定性。首先提高燒結(jié)生產(chǎn)的作業(yè)水平、作業(yè)率，減少燒結(jié)機停機次數(shù)與停機時間；其次是通過提高設備和操作水平，降低環(huán)冷機的漏風率，采用環(huán)冷機底部柔磁性密封、環(huán)冷機水密封、臺車橫梁和煙罩密封等技術(shù)降低漏風率。

（2）研究燒結(jié)礦冷卻新工藝，提高熱量回收效率。目前，我國已有企業(yè)采用豎罐冷卻代替環(huán)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(huán)冷機余熱發(fā)電量相比可提高60%-80%。

（3）提高余熱鍋爐與汽輪機穩(wěn)定性能與運行水平。通過合理控制出口煙溫，有效布置爐內(nèi)結(jié)構(gòu)，做好爐墻密封，合理選擇爐管形式與材質(zhì)，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(shù)，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(wěn)定性。

六、干熄焦發(fā)電

我國干熄焦技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)能夠自主設計、制造和建設50噸/時-260噸/時各種規(guī)模的干熄焦裝置。采用干熄焦技術(shù)具有很大優(yōu)點，包括有利于回收利用余熱資源、提高焦炭質(zhì)量、減少大氣污染物排放、節(jié)約熄焦用水。2016年我國擁有焦炭生產(chǎn)能力約6.68億噸，其中常規(guī)焦爐產(chǎn)能5.85億噸。

目前我國焦化行業(yè)干熄焦率已達到34%（按全部產(chǎn)能計），按常規(guī)焦爐產(chǎn)能計已達到38.9%，其中重點大中型鋼鐵企業(yè)干熄焦率已達到92%以上。寶鋼股份焦炭已實現(xiàn)100%干熄率，處于領(lǐng)先水平，其他鋼鐵企業(yè)雖然也有全部實現(xiàn)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(lǐng)先水平；其他干熄焦裝置處理能力比較大的企業(yè)有唐鋼美錦、寶鋼湛江等。

今后10年，我國常規(guī)焦爐發(fā)展方向是增加炭化室高度和容積，提高生產(chǎn)效率和焦炭質(zhì)量、改善環(huán)境、多配弱黏結(jié)性煉焦煤、減少成本等。如頂裝焦爐發(fā)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(fā)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(chǎn)規(guī)模分別為100萬噸/年-210萬噸/年甚至更大。因此，干熄焦發(fā)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(huán)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(fā)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(fā)電率

提高自發(fā)電率是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、降低制造成本的有效手段。根據(jù)殷瑞鈺院士提出的鋼鐵工業(yè)的三大功能理論，即“產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能和廢棄物消納處理功能”，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)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(lián)合企業(yè)自發(fā)電可以做到110%，無焦化的鋼鐵企業(yè)可以做到80%。這幾年不少先進企業(yè)的成功經(jīng)驗已證明這是有可能實現(xiàn)的目標。

據(jù)統(tǒng)計，2016年109家典型鋼鐵企業(yè)合計粗鋼產(chǎn)量為66593萬噸，年電力消費量26146187萬千瓦時，自發(fā)量電量總計12144194萬千瓦時，平均自發(fā)電率46.45%。應該說，鋼鐵行業(yè)自發(fā)電率仍然有較大的提升潛力，盡管國家相關(guān)部門多次出臺政策鼓勵余熱余能發(fā)電，但鋼鐵行業(yè)余熱余能自發(fā)電設施并網(wǎng)方面存在一定的問題。

八、余熱余能發(fā)電建議

我國鋼鐵行業(yè)現(xiàn)在平均自發(fā)電率為46.45%，隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，以及企業(yè)節(jié)能意識不斷提高，各家企業(yè)的自發(fā)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(jù)不同品質(zhì)的能源介質(zhì)及不同區(qū)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(xiàn)能源的就地轉(zhuǎn)換利用。

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

（2）根據(jù)不同能源介質(zhì)的特性充分考慮經(jīng)濟輸送半徑，在經(jīng)濟輸送半徑內(nèi)集中盡可能多的能量，以形成經(jīng)濟規(guī)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(guī)模效應的地區(qū)式熱能利用系統(tǒng)。

（3）根據(jù)區(qū)域分布式利用原則，在高爐區(qū)域，可利用高爐沖渣水余熱驅(qū)動吸收式制冷機，作為高爐鼓風脫濕系統(tǒng)的冷源；在焦化區(qū)域，可利用焦爐煤氣或干熄焦蒸汽驅(qū)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(jié)、熱風爐等中低溫煙氣驅(qū)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(jié)能和經(jīng)濟效益，使整個系統(tǒng)按能源品位分級利用和循環(huán)利用。

2.優(yōu)化煤氣發(fā)電機組配置

煤氣發(fā)電是提高自發(fā)電率的重中之重，鋼鐵企業(yè)需做好整體規(guī)劃，優(yōu)化煤氣發(fā)電機組配置，最大限度地提高能源利用效率。

（1）科學系統(tǒng)制定煤氣平衡，避免階段性放散。科學系統(tǒng)的全廠煤氣平衡是配置發(fā)電機組的基礎(chǔ)條件，由于煤氣的產(chǎn)生與工藝用戶的作業(yè)制度存在一定程度的差異，造成富余煤氣的產(chǎn)量和作業(yè)小時的不平衡，在配置發(fā)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(fā)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(jù)總圖布局、電力系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟比選以保證投資效益最大化。節(jié)能的最終目的是降低成本，建設煤氣發(fā)電機組時需對機組選型、組合配置等進行技術(shù)經(jīng)濟分析，在節(jié)約能源的同時保證投資效益的最大化。

（4）向高參數(shù)機組發(fā)展。鋼鐵企業(yè)各大企業(yè)熱電機組應該逐步向高參數(shù)機組發(fā)展，行業(yè)內(nèi)存在相當數(shù)量的中溫中壓機組，阻礙了能源轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。企業(yè)應結(jié)合自身發(fā)展規(guī)劃，整合淘汰小型機組，建設大型高參數(shù)發(fā)電機組，將能夠較大幅度提高企業(yè)的自發(fā)電水平。

3.推廣應用節(jié)能節(jié)電技術(shù)

在行業(yè)中推廣應用先進適用的節(jié)能節(jié)電技術(shù)，包括焦爐上升管煤氣熱量回收，燒結(jié)煙氣循環(huán)、漏風治理、大煙道及環(huán)冷余熱回收利用、燒結(jié)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(shù)，高效風機、水泵、壓縮機、節(jié)電電機、變壓器、變頻調(diào)速、無功就地補償、電力需求側(cè)管理平臺、電網(wǎng)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(guī)范管理中，細致分析不同行業(yè)的不同問題，制定更科學、更合理的政策，打破電網(wǎng)壟斷，減少或減免電力部門收取自發(fā)電機組的過網(wǎng)費、管理費等，應根據(jù)大、小不同裝機容量自發(fā)電設施并網(wǎng)方式，區(qū)分考慮制定并網(wǎng)政策，給余熱余能發(fā)電創(chuàng)造有利條件，實現(xiàn)電力和企業(yè)的雙贏。

（作者單位：冶金工業(yè)規(guī)劃研究院）