林森   王天令

（包头市大安钢铁有限责任公司  包头市  014000）

摘要：提升余热余能发电水平是提高钢铁系统能效和竞争力的有效途径，也是实现钢铁绿色低碳发展的重要举措。余热余能自发电率是钢铁能源转换功能的关键表征指标，通过制定行业标准科学评判余热余能自发电率具有重要意义。研究认为，按目前成熟技术和管理能力，钢铁行业有提升二十个百分点自发电率的潜力，将带来显著的经济效益和节能降碳效益。以提升自发电为突破口，能够加快推进钢铁绿色低碳发展。

关键词：钢铁；能源转换；余热余能；自发电；绿色低碳

生态文明建设是国家战略，进一步强化绿色低碳发展，对从根本上破解资源环境约束、建设生态文明、推动高质量发展具有重要意义。钢铁工业是国家生态文明建设的重要参与者、贡献者、引领者。殷瑞铉院士提出钢铁工业是流程工业，钢铁生产过程具有钢铁产品制造、能源转换、废弃物消纳处理三大功能^[1]，钢铁的能源转换功能越来越受到业界关注。余热余能自发电率是能源转换功能的关键表征指标，提升余热余能发电水平是提高钢铁系统能效和竞争力的有效途径^[2-6]，以后也是实现钢铁绿色低碳发展的重要举措。因此本文提出，以提升自发电为突破口能够加快推进钢铁绿色低碳发展。

1 提升钢铁余热余能发电水平的重要性

现阶段中国钢铁工业节能进展主要体现在：（1）钢铁工艺结构不断优化，主体装备水平大幅提升，部分焦炉、烧结、高炉技术经济指标，转炉负能炼钢水平以及轧钢生产线控制技术已处于世界领先水平；（2）重点统计钢铁企业能源转换效率不断提高，主要工序能耗逐年下降，2019年重点统计钢铁企业吨钢综合能耗（标煤）已降至554kg^[7]；（3）高参数煤气发电、高温高压干熄焦、焦炉上升管余热回收等一批先进适用节能技术快速推广，为行业节能降耗提供了有力的支撑；（4）百余家钢铁企业建立了能源管理体系并有效实施，一批能源管控中心的建设促进了两化融合并提升了能源管控信息化水平。

中国钢铁工业节能工作取得积极进展，但仍存在工术创新水平不高等诸多问题，依然存在较大的节能潜力^[8-10]。钢铁企业一旦流程结构、装备水平确定下来，并且相应的节能措施配套齐全，则传统的结构节能、技术节能及管理节能的空间就日趋变窄。而提升自发电水平成为降低能源成本最直接、也是效益最明显的抓手，自发电已成为影响钢铁企业能源成本的重要因素。余热余能自发电影响吨钢能源成本约100元以上^[4]，而2020年重点统计钢铁企业平均吨钢利润为177元。足以看出，自发电带来的效益对钢铁企业的效益及竞争力造成重要影响。

2 钢铁行业余热余能发电进展及最佳实践

2.1钢铁行业余热余能发电进展

钢铁工业是流程工业，当前钢铁生产过程具有的钢铁产品制造、能源转换、废弃物消纳处理三大功能中，钢铁流程的能源转换功能越来越受到业界关注。钢铁制造（生产）的流程实际是一种动态运行的过程，其运行的物理本质是铁素物质流在能量流的驱动和作用下，按照设定的程序在流程网络作动态、有序的运行^[11]。

钢铁企业产生的大量余热余能资源具有较高回收利用价值。钢铁余热余能除生产预热、加热燃料、外供周边外.通过能源转换将其转换为电力依然是当前主要利用方式^[12]。余热余能自发电率是能源转换功能的关键表征指标，可以用余热余能自发电率来评价企业或行业的节能水平。

政府对钢铁余热余能发电技术的奖补力度也很大，国家、地方节能奖补资金均将高参数煤气发电、高温高压干熄焦等余热余能利用项目列为重点支持项目。

2.2  钢铁行业余热余能自发电最佳实践

钢铁行业近年来自发电水平提高很快，一些企业的余热余能自发电率超过90%。钢铁余热余能发电技术主要包括煤气发电、干熄焦发电、高炉干式余压发电（TRT）、烧结余热发电等。

以煤气发电技术为例.其近年来快速发展，由原来的中温中压、高温高压发展到目前主流的高温超高压、超高温超高压、超高温亚临界参数发电，高炉煤气单耗由5降至2.6m³/（kW-h）,先进机组的热效率超过40%。钢铁企业通过主动淘汰中、低参数机组，结合将高炉汽动鼓风改为电动鼓风措施，集中煤气资源建设高参数机组。高参数机组在中小型化方面取得突破，35MW超高压及80、100MW亚临界煤气发电均已有数十台（套）成熟工程案例。2020年初中冶南方都市环保工程技术有限公司、冶金工业规划研究院等单位主编的行业标准《钢铁企业副产煤气发电技术规范MYB/T4881-2020）已发布，该标准的发布实施将进一步规范钢铁企业副产煤气发电技术，以提高发电效率。该规范中对不同规模的煤气发电纯凝机组做出了热效率的规定，见表l

表1热效率规定

Table1  Rule of thermal efficiency

其他几项典型的节能发电技术方面，高炉TRT（含BPRT）、烧结余热发电、干熄焦发电等配置率也逐年提高，今后的趋势仍是提高效率。可再生能源发电方面，宝武集团利用厂房屋顶建设光伏发电装机容量已达90MW,鞍钢集团飯鱼圈基地建设了总装机容量为14MW的风力发电机组^[13]。

3  科学评判余热余能自发电率

3.1  余热余能自发电率影响因素

钢铁企业生产方式、流程结构、装备水平、工序范围有所差异，统计口径、计算方法、评价程序方法也不一致，影响了行业的对标评价以及政府部门的节能监察工作。钢铁企业余热余能自发电率是一个综合指标，影响因素众多，主要包括工艺流程结构、能源购入及输出、余热余能、发电工艺装置效率、用电侧管理和装置效率以及相关对应指标，见表2^[14]

在以上影响因素中，工艺流程结构、能源购入及输出这两个关键因素及相应指标直接影响了企业之间自发电率的可比性。针对目前钢铁行业对自发电率不可比性的困惑以及行业对标及政府节能监察的需要，冶金工业规划研究院提出立项并研制《钢铁企业余热余能自发电率评价导则H2019-0389T-YB）行业标准，以统一计算口径、计算方法及评价程序方法。

表2余热余能自发电率影响因素

Table2 Influencing factors for rate of power generation by surplus heat/energy

3.2 统一计算口径

（1）计算时，工序上只到热轧工序，冷轧及深加工工序耗用的煤气、蒸汽折算为发电量进入计算，用电量不含冷轧及深加工工序。

（2）将购入天然气折算为发电量进行抵扣；将外销煤气及蒸汽折算为发电量。

（3）为了使南、北方地区统一口径，北方地区冬季以余热蒸汽和余热水采暖的，釆暖消耗的余热蒸汽发电按夏季发电水平计入，利用余热水釆暖的不予考虑。

3.3统一计算方法

自发电率基准值

SGR₁=（SG-SC)/EC×100%                               （1）

自发电率折算值

SGR₂=（SG+SG₁+SG₂-SG₃-SC)/EC×100%                     （2）

式中：SG为自发电量,10⁴kW•h；SC为机组自耗电量,10⁴kW•h；EC为全厂总用电量，10⁴kW•h；SG₁为外销煤气（包括供冷轧、制化产、外卖等）折算成的电量，10⁴kW•h；SG₂为外销蒸汽折算成的电量，10⁴kW•h；SG₃为购入天然气折算成的电量，10⁴kW•h。

3.4自发电率评价程序

（1）建立专家评审小组，负责开展钢铁余热余能自发电率的评价工作。，

（2）查看统计报表、原始记录，根据实际情况开展实地调研等工作，确保数据完整和正确。

（3）对资料进行分析，计算自发电率。

（4）依据余热余能自发电率评价标准（表3）,评判企业自发电水平。

表3余热余能自发电率评价标准

Table3 Evaluation standards for rate of self-power

Generation by surplus heat/energy

3.5科学评判余热余能自发电率的重要意义

科学评判余热余能自发电率的重要意义在于：通过统一计算口径及计算方法准确测算自发电率，可以客观比较钢铁企业之间自发电水平的差距，推动企业提高能效，进而合理评价钢铁企业节能工作的水平，其也能成为政府强化节能监察管理的重要抓手。

4 提升自发电水平路径措施

钢铁行业自发电水平不断提高，但仍有较大的提升空间。自发电提升工作是一个系统工程，在表2余热余能自发电率影响因素中，余热余能、发电工艺装置效率、用电侧管理和装置效率这三个关键因素及相应指标决定钢铁企业自发电水平高低。钢铁企业应积极促进高能效转化工艺、装备、管理技术创新开发，特别要在分布式能源耦合及集成优化、优化煤气发电机组配置、加大可再生能源应用实现多能互补、推广应用节能节电技术方面釆取措施，以提高自发电水平。

4.1分布式能源耦合及集成优化

（1）根据煤气的资源量、品质及工艺用户需求不同，合理分配煤气资源。

（2）考虑不同能源介质的经济输送半径，形成经济规模，提高设备的开工率，建立多个区域性能源利用体系。

（3）优化以蒸汽为载体的能源运行方式，避免将连续能源流供给不连续能源用户，例如用机械真空泵替代蒸汽喷射泵;减少设置甚至取消蒸汽管网，余热蒸汽就地发电上网，构建科学、合理、高效的能源网络。

（4）根据区域分布式利用原则，在高炉、焦化、烧结区域分别回收相应余热作为吸收式制冷系统驱动热源，使整个系统按能源品位分级利用和循环利用。

（5）跟自发电密切相关的煤气-蒸汽-电力系统存在相互耦合关系，应遵循相互协同、优势互补的优化利用原则.多系统耦合优化是下一步的重要着力点。

4.2优化煤气发电机组配置

（1）科学系统制定煤气平衡。由于煤气产生与消耗作业制度不匹配，因此煤气发电装机规模应与钢铁企业富余煤气资源量相适应，装机规模宜为富余煤气按日平均值计算的发电规模的1.1〜1.25倍。

（2）兼顾高效与安全可靠性。煤气发电机组优先选取高温超高压及以上参数大容量单元制机组，并且宜按机组效率高低的优先级次序合理规划利用。结合钢铁企业电力系统接入便利性、总图布局及煤气调度灵活性等因素，发电机组可选用1台或多台。

（3）技术经济比选以保证投资效益最大化。节能发电的最终目的是降本增效，因此需对煤气发电选型、配置组合等进行技术经济比选，以保证投资效益的最大化。

（4）向高参数机组发展。钢铁行业存在一定数量的中低参数机组，钢铁企业应加快淘汰低效机组，建设大型高参数发电机组，提高企业的自发电水平。

4.3加大可再生能源应用实现多能互补

钢铁行业可发展的可再生能源有光伏发电和风力发电，钢铁企业大面积的厂房具有发展屋顶光伏发电的天然优势，临江靠海的钢铁企业具有发展风力发电的资源条件。今后具备条件的钢铁企业应逐步加大可再生能源发电的应用比例，使多能互补成为余热余能发电的必要补充.从而促进能源结构优化及低碳发展。

4.4推广应用节能节电技术

中国钢铁行业节能工作的进步得益于节能技术的不断创新，未来技术的不断创新仍将是进一步提高能源利用水平的关键。面对节能空间日趋变窄的严峻形势，实现低碳冶金工艺技术、钢铁熔渣显热回收等关键技术的突破是破解现阶段节能瓶颈的关键，这需要相关科研院所、设备制造企业以及钢铁企业的共同协作和努力。表4中列举了当前钢铁行业各工序主要的先进适用节能技术。

表4当前钢铁行业主要先进适用节能技术表

Table4 List of main advanced and available energy saving technologies of iron and steel industry

5 效益

2019年全国粗钢产量9.96亿t,平均吨钢耗电455kW•h,平均自发电率为53%。通过对百余家钢铁企业的调研，根据企业的不同情况，潜力最大的企业能够提升四十个百分点的自发电率。研究认为，按目前成熟技术和管理能力，钢铁行业有提升二十个百分点自发电率的潜力，全行业每年可以减少外购电量906亿kW•h,接近于三峡工程的年发电量968.8亿kW•h,降低能源成本498亿元,并将大幅提升全行业的能效水平、工艺洁净度、盈利水平和竞争能力。

在节能降碳方面，钢铁企业自发电率的提高可以减少企业外购电量，每年相应减少社会电厂发电煤耗(标煤)2781万t(折标系数按2019年全国火电供电煤耗(标煤)307g/(kW•h)取值)，降低二氧化碳排放5528万t(取全国统一外购电力排放因子(COQO.6101t/(MW•h)),为破解钢铁行业能源、资源、碳约束做出积极贡献。

6 结论

(1) “十四五”期间“控煤减碳”将成为钢铁行业发展的硬约束，钢铁流程能源转换效率及功能价值亟待深度开发。在钢铁产品生产成本差异不大的情况下，提高能效多发电已然成为最大效益点。未来谁抢占了余热余能发电制高点，谁将会在激烈的市场竞争中赢得先机。

(2) 通过制定行业标准科学评判余热余能自发电率具有重要意义，建议相关政府部门将余热余能自发电率纳入统计数据系列，作为开展节能监察及“能效领跑者”评选的重要指标。

(3) 钢铁企业应积极促进高能效转化工艺、装备、管理技术创新开发。在分布式能源耦合及集成优化、煤气发电机组配置优化、提高可再生能源应用实现多能互补、推广应用节能节电技术方面采取措施，以提高自发电水平。

(4) 提高余热余能自发电具有显著经济效益和节能降碳效益，能够为破解钢铁行业能源、资源、碳约束做出积极贡献.从而加快推进钢铁行业的绿色低碳发展。

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