分布式能源技術(shù)在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景

何世文

（馬鞍山鋼鐵股份公司能源管控中心，安徽馬鞍山，243000）

1 概述

“分布式能源技術(shù)”(distributed energy resources，簡稱 DER)在鋼鐵工業(yè)里是一個傳統(tǒng)的概念，特別是在余熱余能回收方面，一些企業(yè)采取“分布式能源”的理念開展余熱余能的回收。但近幾年隨著人們節(jié)能意識和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)水平的提高，分布式能源技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的發(fā)展得到提速。所謂分布式能源，世界分布式能源聯(lián)盟 (World Alliance for Decentralized Energy，簡稱 WADE)對其定義為：“安裝在用戶端的高效冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在用戶端（或附近）發(fā)電，高效利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電”。

與分布式能源相對應(yīng)的是集中能源系統(tǒng)，所謂集中式能源系統(tǒng)，是采用大容量設(shè)備、集中化組產(chǎn)，通過輸送設(shè)施(如電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)等)將各種能量長距離輸送給眾多用戶。由于采取集中化生產(chǎn)，其管理成本（包括人力成本）低、自動化程度高、能源設(shè)備單機(jī)效率高，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)具有很大的優(yōu)勢。但集中化生產(chǎn)也存在輸送損耗高、事故影響面廣、余熱余能利用水平低等不足；而分布式能源技術(shù)，隨著裝備制造水平的提高和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，其具有多種能源的高效轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)靈活、可根據(jù)用戶需求設(shè)定不同生產(chǎn)模式等多重優(yōu)點，特別是分散的余熱余能回收方面，具有集中式能源系統(tǒng)不可替代的作用。鋼鐵工業(yè)是能耗大戶，根據(jù)統(tǒng)計鋼鐵生產(chǎn)能耗占全國總能耗 15%以上，余熱余能資源豐富，采取集中能源系統(tǒng)與分布式能源系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，充分回收利用余熱余能，是鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)管理的重要發(fā)展方向。

2 鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)的特點

鋼鐵工業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程是將鐵礦石及輔料等眾多原料，利用電力、蒸汽、煤氣、重油、天然氣、氫氣和焦炭等多種能源，通過燒結(jié)、冶煉、軋制等一系列工序后，加工成成品鋼材，其制造流程是一個大規(guī)模的能源消耗吸收、回收轉(zhuǎn)換、再生及輸送的過程。其主要特點有：

2.1 鋼鐵生產(chǎn)流程中能源系統(tǒng)的主要特征

鋼鐵生產(chǎn)過程由于其生產(chǎn)工藝的特點，其對能源的需求除總量龐大以外，還具有有以下特征：

能源需求的種類繁多。由于鋼鐵生產(chǎn)過程中，長流程的生產(chǎn)工藝需要多品種的能源介質(zhì)，作為生產(chǎn)輔料、驅(qū)動、加熱、吹掃 及密封等；其不同生產(chǎn)工序和設(shè)備對能源參數(shù)的需求不同，為了與生產(chǎn)工藝和設(shè)備相匹配，大都需要對能源進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，如減壓/升壓、降溫/升溫等。

能源介質(zhì)使用制度多樣。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要各類能源按不同質(zhì)量參數(shù)、生產(chǎn)要求的量及生產(chǎn)節(jié)奏的需求供應(yīng)，其使用制度有連續(xù)、間斷或者偶爾使用等，很多工序還要求變參數(shù)供應(yīng)。對于集中式能源系統(tǒng)，往往通過增加損耗來滿足生產(chǎn)工藝的需求。

能源供應(yīng)戰(zhàn)線長。鋼鐵生產(chǎn)地域廣闊，大型鋼鐵企業(yè)占地面積可達(dá)十幾公里，集中式能源系統(tǒng)利用各類網(wǎng)絡(luò)，通過加壓等手段長距離輸送，過程中會造成大量的損耗；

鋼鐵生產(chǎn)過程中余熱余能量大。投入鋼鐵生產(chǎn)過程中的能量，只有小部分為有效利用，另一部分則以不同形式，如高溫?zé)煔?、熱水、固體顯熱、爐壁散熱等形式排放。根據(jù)文獻(xiàn)［1］介紹：“目前我國生產(chǎn)1 t鋼產(chǎn)生的余熱資源量約為8～9 GJ，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱和廢汽廢水余熱?！?/p>

2.2 根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)能源系統(tǒng)存在的問題

鋼鐵工業(yè)在能源系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)與運行過程中，是以保證工序生產(chǎn)過程中能源的正常供給為宗旨的。盡管隨著人們節(jié)能意識的提高和能源管控中心的推廣運行，能源系統(tǒng)管理水平大幅度提升，但由于鋼鐵生產(chǎn)的特定性，能源系統(tǒng)存在以下問題：

在鋼鐵生產(chǎn)流程中，各類耗能設(shè)備繁雜，而對于集中式能源系統(tǒng)由于參數(shù)單一，在能源使用過程中，能源的品質(zhì)、量等與工序生產(chǎn)匹配度不高，很難做到能級匹配和溫度對口，造成高品質(zhì)能源的浪費；

余熱余能回收技術(shù)單一，能源轉(zhuǎn)換手段不足。常規(guī)的回收技術(shù)，對于大量低參數(shù)、地點分散的余熱余能回收，由于投入成本高回收周期長，很多企業(yè)不愿意投入資金，造成大量余熱余能的浪費；

回收與使用不統(tǒng)一。余熱余能回收應(yīng)該執(zhí)行“直接使用優(yōu)先”和“就地回收、就地轉(zhuǎn)換、就地使用”的原則，而有些企業(yè)為追求回收的指標(biāo)，在回收的方式和使用的途徑上考慮不周，造成回收資源的浪費。如有些企業(yè)煤氣回收后未能充分利用而放散、經(jīng)過“TRT”發(fā)電后的低壓煤氣再加壓長距離輸送至用戶發(fā)電、經(jīng)過換熱回收的低壓蒸汽并入管網(wǎng)長距離輸送，不僅造成回收熱能的浪費，還會造成優(yōu)質(zhì)凝結(jié)水的流失等。

熱能浪費大。鋼鐵生產(chǎn)過程中，能源的消耗大約40%以熱能形式轉(zhuǎn)換，由于熱能自然損耗的特點，由于保溫措施不好，季節(jié)性用量的變化大，造成大量熱能浪費，如鋼鐵企業(yè)目前普遍存在蒸汽大量放散現(xiàn)象，尤其是夏季；部分工藝蒸汽減溫減壓等。

工程建設(shè)設(shè)備選型中，缺乏對能源參數(shù)的統(tǒng)一管理。特別是流體能源介質(zhì)，各企業(yè)能源系統(tǒng)供應(yīng)的能源介質(zhì)參數(shù)是多種多樣的，沒有像電力行業(yè)國家統(tǒng)一電壓頻率標(biāo)準(zhǔn)那樣的統(tǒng)一參數(shù)。對于新建設(shè)備選型時，各設(shè)備制造商往往是按自己的標(biāo)準(zhǔn)要求能源介質(zhì)參數(shù)，在實際生產(chǎn)過程會造成能源的浪費。

3 分布式能源技術(shù)在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼鐵工業(yè)能源消耗量大，針對工業(yè)鋼鐵工業(yè)的能源特點，分布式能源技術(shù)在鋼鐵工業(yè)得到快速發(fā)展。特別是在余熱余能回收方面，隨著傳統(tǒng)能源回收技術(shù)的完善和新技術(shù)的發(fā)展，以及綜合系統(tǒng)優(yōu)化與資源深度利用技術(shù)的開發(fā)，以及涉及能源回收方面智能控制技術(shù)的應(yīng)用，鋼鐵工業(yè)利用分布式能源技術(shù)回收余熱余能取得較好的效果。主要方面有：

3.1 采用分布式能源技術(shù)，利用轉(zhuǎn)爐回收蒸汽發(fā)電

轉(zhuǎn)爐冶煉過程回收的蒸汽，由于其含水量大，且受煉鋼工藝的影響，蒸汽參數(shù)波動較大，大多數(shù)企業(yè)都是將回收的蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)，供廠區(qū)生活使用，由于受季節(jié)等多方面因素的影響，大量蒸汽放散或者在蒸汽管網(wǎng)中冷卻排放，未能真正的體現(xiàn)負(fù)能煉鋼的作用，利用回收的飽和蒸汽發(fā)電在很多企業(yè)取得成功。文獻(xiàn)［2］介紹了馬鋼利用轉(zhuǎn)爐回收蒸汽進(jìn)行發(fā)電技術(shù)，通過對回收蒸汽進(jìn)行脫水，并采用雙汽源做為保安蒸汽，取得較好效果。

3.2 利用鋼鐵工業(yè)廠房屋面發(fā)展光伏發(fā)電

鋼鐵工業(yè)有較廣闊的廠房屋面資源，利用屋面資源進(jìn)行光伏太陽能發(fā)電，其具有易接受太陽能光源，利用屋面可節(jié)省土地資源，同時靠近電力網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省投資。目前部分企業(yè)充分利用屋面進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電取得較好效果。文獻(xiàn)［3］介紹寶鋼采用合同能源管理模式，建成屋面光伏發(fā)電項目；除了利用屋面太陽能發(fā)電外，太陽能光熱的開發(fā)也取得成果，文獻(xiàn)［4］對濟(jì)鋼在新建車間的太陽能浴室情況作了介紹。

3.3 轉(zhuǎn)爐蒸汽直供精煉爐

鋼包精煉爐生產(chǎn)過程中需要真空脫氣，目前大部分企業(yè)采用蒸汽噴射泵進(jìn)行真空脫氣。蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，但對蒸汽品質(zhì)要求較高，一般要求過熱度10～20℃，這對于無過熱蒸汽汽源的企業(yè)就需要設(shè)置快裝鍋爐或者長距離輸送來滿足生產(chǎn)需要。目前部分鋼鐵企業(yè)開發(fā)了轉(zhuǎn)爐蒸汽直供精煉集成利用技術(shù)，通過提高轉(zhuǎn)爐汽包工作壓力和蓄熱器蓄積熱量，以相對穩(wěn)定的壓力和流量進(jìn)入蒸汽濾潔器，除水垢后，進(jìn)入低壓蒸汽燃?xì)馐竭^熱裝置，將飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽來滿足蒸汽噴射泵的需要［5］。

3.4 蒸汽溴化鋰制冷節(jié)能技術(shù)

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程很多場合需要冷源，利用夏季富裕余熱蒸汽，采用雙效吸收式溴化鋰制冷技術(shù)，建立制備冷水中心，就近輸送至相關(guān)用戶，在很多企業(yè)得到推廣使用。

4 分布式能源的發(fā)展前景

盡管鋼鐵工業(yè)應(yīng)用分布式能源技術(shù)在能源利用及余熱余能回收方面取得巨大成就，但由于鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中，能源消耗體量大，余熱余能量豐富、點分散、低參數(shù)等因素，余熱余能回收總體水平不高。而分布式能源技術(shù)的發(fā)展，因其具有安全可靠、環(huán)境友好、利用率高 、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)勢，且國家推廣采取合同能源管理（EMC）等商業(yè)化運營機(jī)制，在傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)中還有較好的發(fā)展前景。具有發(fā)展前景的項目有：

4.1 分布式煤氣利用技術(shù)

目前鋼鐵工業(yè)副產(chǎn)煤氣利用方式，較多的是采用CCPP或者超高溫超高壓火力發(fā)電，其具有效率高、煤氣消耗量大等優(yōu)點，但其投資大、投資回收期長；對煤氣需求剛性強(qiáng)，不易調(diào)節(jié)；電力上網(wǎng)改造投入量大，很多企業(yè)主決策上裹足不前。

針對鋼鐵工業(yè)煤氣階段性富裕，煤氣管網(wǎng)遍布廠區(qū)的特點，可推廣采用分布式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)（簡稱CHP），CHP單機(jī)組最小可至幾百千瓦，根據(jù)文獻(xiàn)［6］介紹，“CHP系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，發(fā)電單元是一個單獨的模塊，整個電廠可以根據(jù)企業(yè)煤氣量的上升，增加更多的機(jī)組，具有良好的擴(kuò)展性，不管發(fā)電單元的多少，都不影響整體發(fā)電的高效率 ”。可在廠區(qū)設(shè)立若干調(diào)峰機(jī)組，其啟動靈活、可就近低壓上網(wǎng)，并根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2 分布式余熱回收技術(shù)

當(dāng)前造成余熱回收率不高，回收的余熱未能充分利用，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的根本原因，一是余熱分散、單點余熱量不高，特別是零散間歇性的余熱和中低溫余熱占比較高，造成投資回收期長，造成投資決策遲疑；二是余熱回收方式僵化，大部分企業(yè)對回收的余熱轉(zhuǎn)換為蒸汽并網(wǎng)，或者發(fā)電，單一的回收手段造成回收的熱能利用率不高；三是教條的強(qiáng)調(diào)回收設(shè)備的熱效率，認(rèn)為只有高效的熱轉(zhuǎn)換才能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。按分布式能源系統(tǒng)的理念，余熱回收必須按“就地回收、就地轉(zhuǎn)換、就地使用”的原則，根據(jù)余熱的特點和周邊系統(tǒng)對能源的需求，建立多個獨立的“能源島”，形成結(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)，但獨立運行的小供能系統(tǒng)；按直接使用優(yōu)先的原則。盡量減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將低品位的余熱轉(zhuǎn)化為高品位的電能，但過多的中間環(huán)節(jié)，不僅降低了回收的效率，也增加回收系統(tǒng)的投資回收期，但很多生產(chǎn)工藝過程可以直接利用余熱進(jìn)行加熱驅(qū)動等；減少轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，縮短流程。目前余熱回收技術(shù)發(fā)展很快，但在技術(shù)的選擇上，應(yīng)該遵循“按需回收”原則，減少轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，縮短余熱轉(zhuǎn)換流程，利用余熱回收的能源代替或者部分代替其他高品質(zhì)能源?？筛鶕?jù)生產(chǎn)實際情況采取不同的技術(shù)。如利用高爐沖渣水進(jìn)行溴化鋰制冷，冷量夏季用于鼓風(fēng)脫濕、非脫濕期用于空調(diào)；利用電爐高溫?zé)煔饧訜釓U鋼；對需要利用蒸汽對鋼材或者酸洗液加熱的冷軋系統(tǒng)，可直接利用煙氣熱量，通過熱管換熱器加熱空氣，生產(chǎn)烘干風(fēng)，代替蒸汽，實現(xiàn)煙氣高效回收等。

4.3 分布式熱水供應(yīng)站

目前廠區(qū)的生活設(shè)施主要為食堂、浴室和取暖，大部分采用蒸汽直接加熱，造成高品質(zhì)蒸汽的浪費。同時管網(wǎng)的疏水系統(tǒng)直接外排，不僅影響環(huán)境也造成高品質(zhì)凝結(jié)水的浪費。在南北區(qū)按人員集中度，分別設(shè)立熱水加工點，針對蒸汽管網(wǎng)疏水、煤氣水槽加熱等，分段設(shè)立熱水集中回收站，通過汽車運輸至熱水站，不足部分 采用蒸汽加熱，不僅減少熱能損失，也可有效回收凝結(jié)水。

4.4 分布式廢棄物利用分布式可再生能源系統(tǒng)

鋼鐵生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量含碳油破布、含油污泥、橡膠皮帶輪胎等可燃廢棄物，利用現(xiàn)有的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，結(jié)合生活垃圾的綜合利用，建立生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組。

5 結(jié)束語

分布式能源技術(shù)在鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用是廣泛的，特別是在余熱余能利用方面，利用分布式能源技術(shù)，對于提高分散的、低參數(shù)的余熱余能回收水平，與集中式能源系統(tǒng)相比較有不可替代的作用。要進(jìn)一步提高分布式能源技術(shù)的應(yīng)用水平，還要主要一下幾點：

(1)加強(qiáng)能源的管理水平。分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng)，對于原有能源系統(tǒng)會產(chǎn)生多方面影響，這需要提升傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)能源管控中心管控能力，以確保能源系統(tǒng)的安全。

(2)為進(jìn)一步推廣分布式能源系統(tǒng)，加大余熱余能回收力度，宜采用靈活的運營機(jī)制，應(yīng)大力當(dāng)引入外部資金，效益共享。

(3)利用分布式能源技術(shù)回收余熱余能，在能源轉(zhuǎn)換技術(shù)選擇方面，必須考慮就近利用的原則。

(4)隨著分布式能源的發(fā)展，需要在企業(yè)內(nèi)部能源網(wǎng)絡(luò)中大力發(fā)展儲能設(shè)施及移動能源技術(shù)。