分布式能源梯级利用_熊超

中国冶金报/2011年/12月/15日/第B01版

装备技术

分布式能源梯级利用

——钢铁工业“十二五”节能工作重要方向

熊超程小矛

我国钢铁工业过去10年间吨钢能耗逐年下降，节能工作取得了一定成效。但我们也应清醒地认识到，钢铁工业“十二五”节能工作难度将增加，节能边际投入会越来越大，但边际效益会递减。而且，我国钢铁工业“十一五”期间依然部分延续了粗放的发展模式，难以满足“十二五”国家节能目标的要求。

国家“十二五”节能总体目标和要求相比“十一五”更加系统、全面，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》（以下简称《纲要》）中提出的24个节能减排指标中有12个为约束性指标，其中包括单位国内生产总值能耗降低16%，碳强度降低17%。国家通过碳强度约束来倒推节能强度和任务，给钢铁工业带来了极大的压力，因此寻找符合钢铁工业特色的节能方向对钢铁工业的健康、稳定发展具有重要意义。

分布式能源利用是体现高效、安全、灵活多重优点的能源利用方式，《纲要》明确提出要促进分布式能源的推广。而钢铁工业具有很强的能源转换功能和热管理特征，消费的一次能源中以各种形态、品质的热能释放出，能源供应侧与需求侧存在不匹配，因此，分布式能源梯级利用应当作为钢铁工业“十二五”节能的重要方向。

分布式能源利用突破高能低用“瓶颈”

钢铁工业制造流程是一个大规模的能源循环系统，在构成该系统的工序内部、各工序之间进行复杂的能量消耗、转换、再生、输送，而且钢铁联合企业具有很强的热管理特征。钢铁生产消费的一次能源中约40%以某种形式的热能释放出，其温度上至1500℃，下至环境温度。目前，我国生产1吨钢产生的余热资源量约为8GJ～9GJ，主要为副产煤气、排气余热、固体余热和废汽、废水余热；其中，副产煤气包括高炉、焦炉和转炉煤气，一般归为余能，但其显热、压力能属于余热；排气余热多为炉窑排出废气带走的热量，占余热资源总量的一半左右，温度范围250℃～1000℃；固体余热包括烧结矿、红焦炭、高炉渣、转炉渣、铸坯等，一般在500℃以上；废汽、废水余热包括蒸汽冷凝水、锅炉汽包的排污水（90℃～100℃）、高炉冲渣水（70℃～90℃）等。

钢铁工业能源利用存在的问题。钢铁工业的余热余能具有布局分散、品质参差不齐的特点，以传统方式回收利用能源存在一定问题；二次能源生产总量总要大于消费量，在一定程度上存在能量供需不匹配。目前，钢铁工业能源利用普遍存在以下问题：一是余热余能回收往往重回收、轻利用效率，造成了严重的无效回收。如副产煤气回收都经过煤气除尘设施和煤气加压输配设施，消耗了一定的成本，但回收的煤气没有找到合适的用户而放散，这就是严重的无效回收现象。二是传统的能源回收利用普遍采用长距离输送方式，能流传输能耗高、传输损失大。如长距离输送中低温的饱和蒸汽会造成大量热损失，不仅使回收能源又浪费掉，还会造成软水流失形成新的损失。三是蒸汽系统没有得到高效利用。钢铁企业目前普遍存在蒸汽大量放散现象，尤其是夏季，有很大的回收利用空间；与此同时，往往热电配减温减压器供蒸汽管网，中间环节没有任何对外做功过程，能量贬值非常大。四是部分耗能设备介质使用不合理，没有做到能级匹配和温度对口。由于部分企业缺乏统一的用能管理及经济调节措施，使得各用能工序纷纷争抢优质能源，最后往往造成了高能低用的现象，从全局的角度来看能效低下。

分布式能源梯级利用理念。针对目前钢铁工业能源利用存在的一系列问题，发展分布式能源

梯级利用具有重要的现实意义。我们这里所说的分布式能源利用，并不单指传统意义上的分布式发电，而是站在更高的层面根据不同品质的能源介质、区域，按照分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用的科学用能原则实现能源的就地转换利用，形成多个区域性能源利用体系。

一是根据煤气资源的数量、品质和用户需求不同，合理分配使用煤气，完善煤气缓冲系统。煤气的平衡与调度尽量做到物尽其用、就近利用、介质单一和管网简化，同时做到能源梯级利用，低热值煤气充分利用，富余出的高热值燃料优先考虑作为原料气或集中制氢，实现副产煤气资源化利用及高碳能源低碳化利用。

二是对于蒸汽系统须研究热源的稳定性、回收品质、热用户及输送方式。要使能量得到有效利用，须尽可能减少不必要的能量转换，回收的余热尽可能在本工序生产过程中直接利用，预热助燃空气、煤气或者干燥物料，减少转换熵增造成的能量损失，最后再考虑向电力、动力转换。

三是根据不同能源介质的特性充分考虑经济输送半径，在经济输送半径内集中尽可能多的能量，把多种废热和废动力集中在同一个系统内，以形成经济规模，提高设备的开工率，而且考虑能量的贮存，建立具有一定规模效应的地区式热能利用系统。为提高余热质量，高低温余热不要混合，并尽可能集中高温余热。

典型分布式能源梯级利用技术

以下根据分布式能源梯级利用理念列举出几项行业内值得积极推广的技术。

高炉鼓风热电联产技术。高炉鼓风机将高炉所需的空气送至热风炉供高炉生产使用，是高炉的心脏部分。遵循分布式能源梯级利用理念，在高炉区域内建设高炉汽动鼓风及热电联产装置，能够实现高炉煤气就地转化和热能的梯级利用，形成区域性热能利用系统。某工程新建两座2500m3高炉配套建设高炉鼓风热电联产，采用高温高压参数系列的前置背压式汽轮机的鼓风形式，1台220t/h高温高压锅炉产生的540℃、9.8MPa蒸汽进入12MW前置背压发电机组发电，背压汽轮机的排汽进入中温中压蒸汽母管，带动汽动鼓风机组运行，从而实现高炉煤气→蒸汽→热电联产→冷风的能源转换，同时避免了煤气经加压输配送至其他区域利用。为了保证高炉鼓风运行的稳定性并充分利用煤气，在该区域另建1台220t/h高温高压锅炉、1台50MW汽轮发电机、2台锅炉高温高压蒸汽母管连通，当有1台锅炉发生故障时，牺牲发电效率优先保障鼓风机，可保障高炉炼铁的正常生产。

转炉蒸汽直供精炼集成利用技术。国内各钢铁厂VD、RH真空精炼系统深度真空的获得主要依靠蒸汽引射，而转炉汽化冷却产生的蒸汽具有不连续性、波动性，不少企业选择采取专用快速锅炉或热电厂中温、中压蒸汽减温、减压等方式保障真空精炼系统用汽，而转炉自产蒸汽往往无法有效利用而放散，造成能源损失。目前部分钢铁企业开发了转炉蒸汽直供精炼集成利用技术，通过提高转炉汽包工作压力和蓄热器蓄积热量，以相对稳定的压力和流量进入蒸汽滤洁器除水垢后，进入低压蒸汽燃气式过热装置，将饱和蒸汽加热为过热蒸汽后，实现“一机两用”，优先直供VD、RH真空精炼装置，富余蒸汽并入全厂蒸汽管网。过热装置以转炉煤气为燃料，做到了就地取材、综合利用余热余能，实现了能源的梯级、循环利用，形成了一个高效的区域性热能利用系统。

分布式热、电、冷联产技术。热电冷联产是将制热（包括供暖和供热水）、制冷及发电过程集成化的能量系统，其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用热能的用来发电，而发电后的低品位蒸汽用于工业生产或制冷，同时，将汽轮发电机冷凝器的废热用于供暖和生活热水供应。钢铁企业在热电联产方面相对比较重视，广泛应用的燃气蒸汽联合循环发电机组(CCPP)及抽汽凝汽式热电机组均属于热电联产的范畴，CCPP装机容量从50MW~300MW，热电机组的装机容量最大也达到300MW，在一定程度上实现了能源的梯级利用。但是企业往往忽视了冷负荷需求，没有实现热、电、冷最具经济潜力的组合方式，工艺冷却及企业的办公楼和车间操作室一般采用电压缩机空调制冷，这方面的电量消耗不可小视。因此，应根据实际情况在靠近用户侧建立热、电、冷三联产循环系统或者热、冷联产系统，结合现场余热资