能效提升是钢铁工业实现绿色低碳高质量发展的核心举措

· 编者按

提高能源效率是钢铁行业实现绿色低碳高质量发展的核心举措。 “双碳”目标提出以来，我国钢铁产业结构持续优化，节能减排取得积极成效。 中国钢铁工业协会数据显示，重点统计钢铁企业吨钢综合能耗由2012年的602.7公斤标准煤/吨下降到2022年的551.4公斤标准煤/吨。国家相关部委“十四五”现代能源体系规划等委、政策文件对能源转型提出新要求； 2022年12月9日，《钢铁行业节能标杆三年行动计划》正式启动。 改造项目——终极节能项目已进入实质性实施阶段。 钢铁企业要结合国家要求和行业情况，坚定不移地发挥能源转换功能优势和能源效率潜力，创新优化能源结构，突出原材料能源消费导向，实现绿色低碳和高质量发展。 本文结合实际，探讨了推进钢铁行业极限节能工程的思路和建议。 第一篇文章的主题是“探索能源转换潜力，实现最终能效提升”，下一篇文章的主题是“创新优化能源结构，助力钢铁工艺实现碳中和”。 这个问题是上一个问题。

我国钢铁工业以从高炉到转炉的长流程生产为主。 一次能源消费结构以煤炭为主。 节能减碳、转型升级潜力巨大。 国家在能效方面发起的相关工作，旨在以能效对标为切入点，全面提升钢铁行业竞争力，实现绿色低碳高质量发展。

提高能效是当前钢铁行业减碳的重点，是一项系统工程。 笔者认为，钢铁企业应深度挖掘能源转换功能的价值，实现最终的能源效率提升。 主要路径包括主要工艺能耗达标、余热深度回收梯级利用、能源网络分布式耦合优化、提高燃气发电能效（自发电）等。 、碳氢原料利用的跨行业协作与耦合等。

主要工序能效达标比例较低

力争到2025年产能利用率达到30%以上。

国家发展改革委印发的《关于严格能效约束促进重点领域节能减碳的若干意见》提出，到2025年，通过实施节能减碳行动，提高产能比重钢铁等重点行业达到基准水平超过30%，行业整体能效水平显着提升，碳排放强度显着降低，绿色低碳发展能力显着增强显着增强。 到2030年，重点行业能效标杆和标杆水平进一步提高，达到标杆水平的企业比例大幅提升，行业整体能效水平和碳排放强度达到国际先进水平。

中国钢铁工业协会数据显示，2020年至2022年，高炉工序产量达到能效基准值的比例分别为100%、99.3%、99.41%，达到能效基准值的比例分别为100%、99.3%和99.41%。能效基准值分别为7.54%、7.02%、3.35%。 ; 转炉工序产量达到能效基准值的比例分别为67.62%、64.29%和84.92%，达到能效基准值的比例分别为5.9%、6.39%和12.93%。 可以看出，钢铁行业高炉工艺产量达到能效基准值的比例在99%以上，远高于转炉工艺。 但总体来看，各主要工序达到能效基准值的比例与“2025年能效达到基准值”相差甚远。 与“产能比例超过30%”的政策要求存在较大差距。 由于经济高炉炉料比重不断加大、节能技术创新力度不够、精细化系统节能意识不足、工艺能耗统计口径差异等原因，推动节能降耗存在一定挑战。主要工序消耗量达标。

针对国家推动的能效标杆、能效约束、极限能效项目，钢协发布《钢铁行业能效标杆三年行动计划》，启动“钢铁行业能效标杆”培育工作“双碳最佳实践能效标杆示范工厂”，以及“三清单、两标准、一体系”组合设计，将有序推动钢铁行业关键工序能效达标，促进绿色、钢铁工业低碳高质量发展。

“三个清单”包括最佳可用技术清单、与极端能源效率相关的全球技术合作伙伴清单以及基于国家文件和绿色信贷的政策清单。 其中，技术清单是满足能效标准的关键。 面对节能空间萎缩的严峻形势，深入认识钢铁工艺高效能量转换的优势，创新能量流网络模型，开发高效能量转换工艺技术是解决当前节能瓶颈的关键。

“两个标准”，一是指《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限值》（GB21256）和《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限值》合并修订形成的新强制性国家标准。 《电弧炉冶炼》（GB32050），已征集。 意见阶段； 二是去年发布的团体标准《钢铁企业关键工序能效对标指南》（T/CISA 293-2022）。

“一系统”是指数据系统，是针对焦炉、高炉、转炉、电炉关键工序能效对标开发的钢厂数据填报系统。 数据治理是实现能效对标的基础。 目前基础还比较薄弱。 国家相关部委正在推动这项工作。 钢铁行业也应该系统设计，长期投入，逐步完善。

我国钢铁业余余热回收利用率不足50%

余热深度回收和梯级利用水平亟待提高

钢铁行业是流程制造业，能源消耗、转换、回收和运输过程复杂，能源流动网络庞大、交织。

其中，钢铁余热及能源包括各种烟气（包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等可燃气体）携带的显热，以及炼钢前铁水、钢水、坯料的表观热。最终轧制成材料或材料。 热量、烧结矿和球团矿的显热、高炉渣、钢渣等炉渣的显热、生产过程中产生的各种冷却水和蒸汽携带的热能、高炉炉顶煤气的余压、微压冷却水等。

针对不同品位的余热资源，钢铁企业通常采用三种利用方式：一是通常通过蒸发器回收高温介质的显热，然后通过汽轮机等设备转化为发电；二是利用高温介质的显热，通过汽轮机等设备转化为电能。 其次，中低温介质的显热是热量，通常经过热交换后用于生产过程，例如供应饱和蒸汽、预热的空气或煤气、以及多余的蒸汽用于发电； 第三，对于压力型剩余能量，通常利用压差来膨胀做功。

但我国钢铁企业在余热利用方面普遍面临技术手段缺乏、转化效率低、回收价值低等问题。 其中，高温余热由于热量集中，温度较高。 目前，这些项目大部分已得到有效回收。 大量的中低温气体余热由于比较分散、热源波动，不易集中回收，尚未得到有效回收。 大多数企业设置蒸汽蓄热器来解决余热资源波动问题，但效果不佳。 据研究，我国钢铁行业余热回收利用率不足50%，大量余热资源直接排放，造成能源浪费。

值得注意的是，一些企业在余热利用方面取得了突破。 例如，山西新石能源科技有限公司180万吨/年焦化项目配套250吨/小时干熄焦项目已投产，实现吨焦发电能力200吨以上。 千瓦时，比高温高压机组高15%左右； 建龙西钢首次应用烟气防爆中低温余热回收技术，将180℃以上转炉烟气余热全部回收利用，为行业发展中低温余热提供平台热量利用。 借鉴。 下一步，钢铁企业典型工艺需继续重点研发高参数干淬火、烧结立冷余热回收、炉渣干法粒化余热回收、转炉烟气汽化烟道余热回收、窑炉烟气低温余热发电、低温余热回收等技术。

重点关注3条路径

推动能源网络分布式耦合优化

大多数钢铁企业都有剩余的副产煤气、余热蒸汽等二次能源。 钢铁企业在实施系统节能时，应重点实施燃气、蒸汽、余热系统能流网络的协同耦合和集成优化，通过构建更加合理、高效的能流网络实现系统完善。

分布式能源是相对集中式供能而言的一种分布式供能方式。 它利用一切可用资源，辅以集中供能系统，实现能源梯级利用，直接满足用户的多样化需求，实现更高的能源综合利用效率。 钢铁能源网络分布式耦合优化的重点是将钢铁生产过程与“源-网-荷-储”分布式能源系统充分耦合，实现燃气、天然气等能源网络的互联互储。蒸汽。 具体实施路径包括燃气平衡优化、分布式蒸汽自平衡优化、燃气-蒸汽-电力协同优化调度等。

气体平衡优化。 燃气系统优化应遵循“极限回收、高效利用、能级匹配、高效转化、零排放”的原则。 根据燃气资源数量、质量和用户需求，高效配置和使用燃气，完善燃气缓冲系统，优化燃气管道。 管网实现燃气闭环管理和零排放。 同时，可采用蓄热式燃烧等高效燃烧技术措施，满足工艺用户的热力需求，解决部分企业等量置换的气结构平衡问题。

钢铁企业要科学制定气体平衡计划。 他们不仅应该关注静态平衡要素，还应该从生产角度促进动态平衡。 这包括结合实际情况分析高炉停风、轧钢生产线调整等多重因素，掌握各种关键因素。 减缓热风炉等高炉煤气“大用户”的峰谷波动，对于提高整个高炉煤气系统的稳定性至关重要。 为此，钢铁企业应统筹安排热风炉燃烧时间，避免因热风炉大小燃烧时间重叠而造成高炉煤气消耗峰谷波动。

钢铁企业还应建设高性能的气体缓冲系统，并配备相应规模的储气柜； 通过奖励减排单位等经济手段，引导各单位向有利于燃气平衡的方向发展，鼓励各单位积极探索节能措施，降低消耗，提高燃气利用效率。

分布式蒸汽自平衡和优化。 提高余热余压回收利用水平，采用技术先进、经济合理、节能的工艺、技术、设备和措施，遵循“优质高利用率、梯级利用、能级匹配、耦合协作”，实现能源的就地转换和利用。

钢铁企业可以考虑不同能源介质的经济传输半径，建立多个区域能源利用系统。 例如，在焦化区，通过实施提升管余热回收、负压蒸氨及负压脱苯技术、循环利用氨余热回收等节能技术项目，焦化区可实现自供焦化蒸汽，减少干熄焦，避免蒸汽管道。 长距离传输造成的能量损失。 又如，分别在高炉、焦化、烧结区回收相应的余热，作为驱动吸收式制冷系统的热源，使整个系统可以根据需要分级利用和回收。达到能源等级。

钢铁企业还可以改革以蒸汽为载体的能源运行模式，建立以导热油、高压热水为载体的能源流动网络。 包括减少安装甚至取消蒸汽管网、余热蒸汽高参数回收、就地发电并网，构建科学、合理、高效的能源网络； 针对RH（真空循环脱气）等间歇性用户的生产条件，炼钢工艺应开发高效机械真空系统，取代注蒸汽。 例如，湛江钢铁的烧结系统采用“机上炉”技术，将余热锅炉直接布置在烧结环冷机上，避免烟气长距离引导造成的热损失。 还配备了一套利用余热资源的补汽发电机组，利用煤气产生低压蒸汽。 ，保证烧结余热发电机组稳定高负荷运行。

气-汽-电协同优化调度。 燃气、蒸汽、电力是钢铁企业能源系统中重要的二次能源，它们之间存在着转换。 钢铁企业通过燃气、蒸汽、电力三种能源的协调转换和优化利用，促进节能减排、降低能源成本。 由于历史原因，钢铁生产过程中的燃气、蒸汽、电能均处于无序状态。 特别是运行反转过程中的波动会造成辐射损失。 实现二次能源高效闭环有序运行，需要建立以储能为核心的新型能源缓冲器和高效转换能源控制中心。 同时，在保证能源稳定供应和安全生产的前提下，优化剩余燃气、蒸汽、电力的分配。 基于需求的生产调度可最大限度地降低调度周期内的系统能源成本。

把握燃气发电机组改造“关键抓手”

推动燃气发电（自发电）能源效率提升

提高自发电水平是提高工艺能源转换效率、降低能源成本、提高效率的最直接途径。 自产余热余能影响吨钢能源成本100多元，对钢铁企业的效率和竞争力影响较大。 钢铁余热能源发电技术主要有燃气发电、干法熄焦发电、高炉干法余压发电、烧结余热发电等，其中燃气发电占比最大。 做好这项工作，将对公司自发电量和能效提升产生决定性影响。

根据发电原理不同，钢铁行业燃气发电机组分为燃气-蒸汽联合循环发电机组（CCPP）和锅炉发电机组。 燃气锅炉发电技术近年来发展迅速，从原来的中温、中压、高温高压发展到现在主流的超高压、亚临界和超临界参数。 高炉单位煤气消耗由5立方米/千瓦时下降到2.4立方米/千瓦时。 千瓦时，先进机组热效率达到44%。 许多钢铁企业积极淘汰中低参数机组，与高炉气力鼓风改造相结合，集中煤气资源建设超高压、亚临界、超临界机组，取得了高效益。 高参数机组小型化的技术突破，为在中小钢铁企业推广创造了条件。 35兆瓦至65兆瓦的超高压发电和65兆瓦至150兆瓦的亚临界燃气发电已启动。 百台（套）成熟工程案例，盛龙冶金、锦西钢铁等企业150兆瓦超临界机组已投运。 其中3×145MW超临界燃气发电机组已安全、高效、稳定运行一年多，发电效率达43.5%。 到2022年，三台机组累计发电量将达到18.8亿千瓦时。 山西建邦集团总公司通过系统节能和燃气发电机组改造，实现无焦化工序自发电率超过80%。

目前，钢铁行业中温中压机组已很少使用，基本已停产作为备用机组； 仍有一定数量的高温高压机组，少数企业拥有高温高压气动鼓风机，将在“十四五”期间全部改造已完成。 预计“十四五”末，钢铁行业将保留少量35兆瓦以下高温高压机组。 35兆瓦至5兆瓦燃气发电机组将全部采用超高压机组，65兆瓦至100兆瓦燃气发电机组将全部采用超高压机组。 发电为亚临界机组，100MW～180MW燃气发电为超临界（次临界）机组，新建机型大多为超临界机组。 据笔者了解，相关企业正在开展100兆瓦燃气-蒸汽联合循环发电（CCPP），设计发电效率将超过50%。 投产后，该车型的竞争力将明显优于现有车型。 它还将为钢铁公司的燃气发电提供额外的选择。

提高燃气发电和自发电的能源效率也是一个系统工程。 要推动高能效转换工艺、设备、管理技术创新发展。 特别是要优化分布式能源耦合集成，科学制定燃气平衡，兼顾效率和安全可靠性。 采取措施提高自发电水平，包括开展技术经济比较，实现效益最大化，发展高参数机组，高标准进行项目设计和建设。

打破能源转换的行业壁垒

实现碳氢原料的跨行业协作和耦合利用

现有钢铁生产过程中焦化副产物利用、副产煤气及余热发电、高温矿渣制备水泥等建筑材料等技术已实现规模化生产，具有潜力联产横跨冶金、化工、电力、建材等行业。 特征。 碳氢原料跨行业协作、耦合利用将成为钢铁行业实现更大规模系统节能的重要途径和运行模式。

笔者认为，以能源综合梯级利用为原则，以提高系统能效为目标，在工业园区等跨行业联合生产系统总体规划的基础上，通过能源综合梯级利用和多产业横向互补，产业间能源转换差距得以打破。 实现行业内和跨行业不同能源形式的耦合利用，可以进一步提高全社会能源综合利用效率，是当前和未来能源可持续发展的重要技术路径。 主要包括以下方向：煤气作为周边水泥窑等的燃料，副产煤气用于化工生产，余热蒸汽用于海水淡化、余热加热（冷却）等，使钢铁企业为社区和城市提供清洁能源。 中心。

燃气和蒸汽作为周边企业的燃料和热源。 从能源效率和经济性的角度来看，对于附近有其他产业的钢铁企业来说，出售副产燃气和蒸汽比用于发电更为经济。 鞍钢鲅鱼圈向华能出口天然气、向嘉里粮油出口蒸汽，年创效益近8000万元； 南钢通过华润压缩空气等能源供应模式创新，实现了区域能源供应的有效协调。

副产气用于化工生产，实现减碳、固碳和高值利用。 副产气体含有CO、H2、CH4等成分，可作为化学合成的基本原料气。 利用焦炉煤气生产的化工产品主要有天然气、甲醇、乙醇、乙二醇等。此外，焦炉煤气还可用于合成氨，生产尿素肥料等。从焦炉煤气中分离提取氢气也是氢能的重要来源。 转炉煤气提纯的CO可与焦炉煤气分离的H2结合合成乙醇、乙二醇或生产草酸、甲酸等化工产品。 发酵和蒸馏也可通过添加氨来生产燃料乙醇，同时产生副产品。 沼气和蛋白粉饲料。 目前，已有多家钢铁企业在这方面实施了应用。 如山东日照钢铁、河北安丰等企业均建设了焦炉煤气生产天然气装置。 沧州中铁、达州钢铁、黑龙江建龙等企业建设了焦炉煤气联合高炉煤气制甲醇装置，津南钢铁建设了焦炉煤气联合转炉煤气制乙二醇装置，石恒钢铁建设了焦炉煤气联合转炉煤气制乙二醇装置。特钢建有转炉煤气制造甲酸设备。

余热蒸汽用于海水淡化。 低温多效蒸馏（LT-MED）需要低温进行海水淡化。 采用萃取冷凝换热、气液两相防腐换热、热水高效闪蒸、蒸汽喷射器增压等技术，回收劣质钢材。 余热作为LT-MED海水淡化装置的热源。 该技术已在首钢京唐得到应用。 该方法实现了能源的梯级利用和蒸汽、气体、工业废水和浓缩海水的零排放。

余热供热（制冷）及城市余能利用中心建设。 钢铁企业充分利用低品位余热、洗渣水余热、烟气余热等，可为周边社区和城市提供供暖，减少区域燃煤设施和相应的碳排放。 目前，钢铁企业优质余热已基本得到利用。 下一步将深入挖掘余热资源和节能技术改造，利用生产余热供应周边冬季供暖和生活热水，促进产城融合，实现包容性发展。 据笔者了解，截至2022年底，抚顺新钢社会供热面积已达887万平方米，吨钢供热面积达到世界领先水平（2.2平方米）。

（图片来源于网络）

| 孙厚光潘思维

作者 | 熊超、文彦明（作者熊超为冶金工业规划研究院总设计师，文彦明为济南钢铁集团原副总经理）

编辑| 陈曦