半長流程鋼鐵企業(yè)電力自給可行性的探討

湯海軍

（陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司設(shè)備工程部，廣東陽江 529600）

引言

鋼鐵企業(yè)利用主體工序生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二次能源發(fā)電，即利用余熱、余壓、富余煤氣發(fā)電，實(shí)現(xiàn)用電自給的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，在鋼鐵行業(yè)已有多年的討論和實(shí)踐。有煉焦、煉鐵、煉鋼、軋鋼、相對(duì)配套的全長流程鋼鐵企業(yè)，利用二次能源發(fā)電，國內(nèi)已有少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)用電自給［1］、或自給有余。而在沒有煉焦工序的半長流程鋼鐵企業(yè)能否實(shí)現(xiàn)，還在探索之中。

利用二次能源發(fā)電，在余熱方面，有燒結(jié)礦余熱、轉(zhuǎn)爐煙道余熱、軋鋼加熱爐的余熱回收發(fā)電。在余壓方面，有高爐頂壓能量回收的TRT 發(fā)電。在富余煤氣方面，有鍋爐直接燃燒煤氣生產(chǎn)蒸汽后的常規(guī)發(fā)電、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）。

隨著雙碳目標(biāo)確定，鋼鐵行業(yè)出現(xiàn)壓電限產(chǎn)形勢(shì)，鋼鐵企業(yè)利用二次能源發(fā)電，自給有余的工作，將有重要的戰(zhàn)略意義。以陽春新鋼鐵的以往實(shí)際發(fā)電情況及相關(guān)數(shù)據(jù)推算，探討二次能源發(fā)電自給的可行性。

1 陽春新鋼鐵概況

陽春新鋼鐵2009 年開始分一、二期建設(shè)240 萬t 線棒材生產(chǎn)基地，擁有2×180 m2燒結(jié)機(jī)、2×1250 m3高爐、2×120 t轉(zhuǎn)爐、2條棒材及1條高線軋材生產(chǎn)裝備。因陽春新鋼鐵沒有焦?fàn)t工序，故定義其為“半長流程鋼鐵企業(yè)”。

2010年全面投產(chǎn)，2011年鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，2016 年開始在原有產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，不斷提升產(chǎn)量。摘取2015、2016、2018、2020 年的鋼、鐵、材、燒的產(chǎn)量如表1。

表1 2005～2020年產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表 單位：萬t

從表1 中可以看出，2015 年的燒結(jié)礦、鐵水、鋼坯、軋材產(chǎn)量與設(shè)計(jì)產(chǎn)能相對(duì)接近、且均衡，鐵大于鋼、鋼大于材；2016 年產(chǎn)量大于產(chǎn)能、相對(duì)均衡，鋼、鐵、材產(chǎn)量提升8%左右；而2018、2020年則不同了，鋼大于鐵、材大于鐵，原因是廢鋼用量增加較多。

配套余熱能量回收，建設(shè)了1套9 MW燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組，于2012 年投產(chǎn)；建設(shè)了1 套6.5 MW 煉鋼余熱發(fā)電機(jī)組，于2015 年投產(chǎn)；軋鋼加熱爐暫為水冷方式，沒有回收利用余熱資源。

配套余壓能量回收，建設(shè)了2套8 MW的TRT發(fā)電機(jī)組，與高爐同步投產(chǎn)并運(yùn)行。

配套富余煤氣能量回收，建設(shè)了3 套25 MW 燃用煤氣鍋爐中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，于2014年全部建成投產(chǎn)。隨著各工序節(jié)能工作的開展，優(yōu)化能源使用方式，進(jìn)一步減少各工序的煤氣消耗，富余更多煤氣，3 臺(tái)25 MW（發(fā)電機(jī)30 MW）發(fā)電機(jī)組長年處于較高負(fù)荷、甚至超25 MW 負(fù)荷運(yùn)行，且有較少時(shí)段出現(xiàn)煤氣放散現(xiàn)象。

2015、2016、2018、2020 年的發(fā)電、用電、購電、轉(zhuǎn)供電情況，見表2 所列。表中的自用電量是新鋼鐵各主體工序的用量，包括料場(chǎng)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼能源、鋼渣處理及廠區(qū)各種施工制作等廠區(qū)內(nèi)的用電。轉(zhuǎn)供協(xié)作單位用電，包括制氧廠（梅賽爾公司）、高爐水渣處理（眾鑫環(huán)保公司）、各維修單位在廠區(qū)周邊的生產(chǎn)生活用電。

表2 2005～2020年能源消耗數(shù)據(jù)

2 分析提高發(fā)電量的潛力與空間

2.1 分析各種發(fā)電量的權(quán)重及潛力

將表2 發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各項(xiàng)發(fā)電量占總發(fā)電量比例如表3。

表3 自發(fā)電占比統(tǒng)計(jì) %

從發(fā)電量占比來說，煤氣的發(fā)電量占總發(fā)電量比例超過75%，TRT 及余熱發(fā)電總計(jì)不足25%。在確保TRT 及余熱發(fā)電穩(wěn)定正常的情況下，應(yīng)重點(diǎn)考慮煤氣發(fā)電潛力的挖掘工作。

煤氣發(fā)電的3套25 MW機(jī)組為中溫中壓蒸汽參數(shù)，相對(duì)高參數(shù)蒸汽發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電效率低、自耗電率高，系統(tǒng)配置齊備并正常運(yùn)行的機(jī)組效率為25%左右，而在陽春新鋼鐵的中溫中壓機(jī)組建設(shè)中，所有汽輪機(jī)均未配置抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，整個(gè)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的發(fā)電效率低于同類機(jī)組，為22.8%左右，自耗電率在9%以上。

按照目前的火力發(fā)電裝備水平，高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣用于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）［2］，效率可達(dá)45%以上，自耗電可低至4%；或用于亞臨界超高溫、蒸汽再熱發(fā)電，其發(fā)電效率水平可達(dá)41.8%以上，自耗電可控制5%以下。

前者CCPP 煤氣發(fā)電機(jī)組，主要為進(jìn)口設(shè)備，單位kW 容量的造價(jià)約5 000 元。后者直接由鍋爐燃燒煤氣產(chǎn)生蒸汽、由汽輪機(jī)發(fā)電的亞臨界超高溫蒸汽再熱機(jī)組，單位kW 容量的造價(jià)在2 500 元左右，其發(fā)電效率雖低于CCPP 機(jī)組，但還有41.8%以上、最高可達(dá)44%。后者發(fā)電方式的效率稍低，但在投資和運(yùn)行維護(hù)方面，具有明顯的低成本優(yōu)勢(shì)。

2.2 測(cè)算亞臨界機(jī)組發(fā)電情況下的電量

新鋼鐵根據(jù)以上投資情況，考慮采用亞臨界超高溫蒸汽再熱參數(shù)發(fā)電的電機(jī)組，經(jīng)升級(jí)改造、替代中溫中壓機(jī)組，煤氣發(fā)電量的增加情況如表4。

表4 數(shù)據(jù)顯示，用亞臨界機(jī)組升級(jí)改造3 套中溫中壓煤氣發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電量與供電量凈增有4.5 億kWh 以上，說明亞臨界機(jī)組的發(fā)電量、供電量增加的空間很大，凈增發(fā)電量與凈增供電量相近，說明亞臨界機(jī)組運(yùn)行的自耗電總量與中溫中壓機(jī)組相近。

表4 各機(jī)組煤氣發(fā)電量增加情況 單位：萬kWh

2.3 測(cè)算亞臨界機(jī)組發(fā)電后的電力供給情

以供電量凈增減外購電，即為亞臨界機(jī)組發(fā)電后的供給電情況，如表5。

表5 各機(jī)組正常發(fā)電后的負(fù)荷情況 單位：萬kWh

表5 計(jì)算的結(jié)果顯示，包括轉(zhuǎn)供電情況下，2015、2016、2020年是電力自給有余，只有2018年電力不能自給，需要外購電量6 769.19 萬kWh。不包括轉(zhuǎn)供電情況下，所有年份都有多余電力。最少年份為2018 年，多余電力20 022.73 萬kWh；最多年份為2020 年，有33 666.18 萬kWh 電力需要轉(zhuǎn)供和上網(wǎng)。

此外，選擇合適大容量的發(fā)電機(jī)組，讓煤氣無放散；同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化全工序用煤氣，還可富余更多煤氣。加上以上舊機(jī)組自耗電實(shí)際高于9%、新機(jī)組發(fā)電效率設(shè)計(jì)可高于41.8%、自耗電可低于5%，全廠節(jié)電還有工作可做等因素，發(fā)電量可能更大，用電量可以更少。電力自給有余的情況，完全可能優(yōu)于表5中的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

在陽春新鋼鐵這種無煉焦工序的企業(yè)，當(dāng)煤氣發(fā)電達(dá)到較高發(fā)電效率后，能實(shí)現(xiàn)二次能源發(fā)電基本自給、甚至自給有余的情況說明，半長流程鋼鐵企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)用電自給或自給有余。

為此，陽春新鋼鐵在2016 年針對(duì)“新建1 套150 MW 亞臨界超高溫蒸汽參數(shù)的煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組”，替代原3 套25 MW 機(jī)組，進(jìn)行了可行性研究設(shè)計(jì)。2016年完成了可研報(bào)告，2017年上報(bào)政府相關(guān)部門，并補(bǔ)充進(jìn)入了廣東省十三五能源規(guī)劃，在國家能源局備案，2019 年5 月該項(xiàng)目獲得廣東省批準(zhǔn)后，開始啟動(dòng)建設(shè)工作。設(shè)計(jì)了機(jī)組發(fā)電效率為42.06%、自耗電率為4.88%、最大發(fā)電負(fù)荷為165 MW、最高發(fā)電效率點(diǎn)在155 MW，預(yù)計(jì)2022 年上半年投產(chǎn)。