鋼鐵行業(yè)錯(cuò)峰生產(chǎn)降本增效實(shí)踐

陸 培，施 亞，周 艷，黃厚亮，沙錦榮

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港 215600）

引言

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，由于碳元素的不完全燃燒，多個(gè)工序會(huì)副產(chǎn)煤氣資源，包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣。焦?fàn)t煤氣熱值約18 000 kJ∕m3、高爐煤氣熱值約3 600 kJ∕m3、轉(zhuǎn)爐煤氣熱值約7 000 kJ∕m3。這些煤氣資源除用于生產(chǎn)工藝用氣外，剩余部分主要供給煤氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電。煤氣發(fā)電可減少富余煤氣放散引起的環(huán)境污染，同時(shí)通過對(duì)其資源化利用，可減少企業(yè)外購(gòu)電量，降低噸鋼外購(gòu)能源費(fèi)用，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，近年來，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)幾乎都建成了煤氣發(fā)電裝置，且迅速往大型化、高效化發(fā)展，如寶鋼300 MW 煤氣發(fā)電機(jī)組，馬鋼北湖發(fā)電廠183 MW CCPP 發(fā)電機(jī)組、津西鋼鐵135 MW超超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組等。

由于日間和夜間對(duì)電網(wǎng)供電需求的不平衡，工業(yè)用電基本已采取峰平谷差額電價(jià)供給方式，各地根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏Y(jié)構(gòu)及用電負(fù)荷調(diào)整價(jià)差。一般日間用電集中，對(duì)電網(wǎng)供電需求大的為峰電期，電價(jià)會(huì)適當(dāng)上浮，而夜間需求量小的為谷電期，電價(jià)會(huì)適當(dāng)下調(diào)［1］。2021 年7 月國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》（發(fā)改價(jià)格〔2021〕1093 號(hào)），明確要求各地劃分峰谷時(shí)段、合理確定峰谷電價(jià)差。上海、湖北、河南、江西、山東、河北等多地開啟峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)制，如河南省發(fā)布通知規(guī)定2022 年12 月起峰平谷電價(jià)比調(diào)整為1.71∶1∶0.47；江西省通知適當(dāng)擴(kuò)大峰谷價(jià)差，高峰時(shí)段電價(jià)上浮50%，低谷時(shí)段電價(jià)下浮50%，較此前擴(kuò)大了20%；湖北省調(diào)整后最大峰谷電價(jià)差達(dá)到1.01 元∕kWh，較原來增加了0.15 元∕kWh。［2］

基于峰谷電差額電價(jià)供給方式，以江蘇永鋼集團(tuán)為例，提出一種煤氣全流程錯(cuò)峰發(fā)電及錯(cuò)峰生產(chǎn)用電的模式，利用鋼鐵企業(yè)煤氣發(fā)電機(jī)組調(diào)控外購(gòu)電比例，在不影響生產(chǎn)的前提下，減少峰電期間企業(yè)從電網(wǎng)的購(gòu)電量。通過錯(cuò)峰用能實(shí)施案例，分析煤氣的貯存、使用過程，結(jié)合產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏，以錯(cuò)峰用電的管理思路進(jìn)一步創(chuàng)新用能管控模式。

1 用能情況

1.1 江蘇地區(qū)分時(shí)電價(jià)

2021年10月江蘇省發(fā)改委發(fā)布《省發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步做好深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)市場(chǎng)化改革工作的通知》（蘇發(fā)改價(jià)格發(fā)〔2021〕1008 號(hào)），規(guī)定高峰、平段、低谷時(shí)段電價(jià)以市場(chǎng)交易購(gòu)電價(jià)格為基礎(chǔ)按照統(tǒng)一比例進(jìn)行調(diào)整，其中大工業(yè)用電高峰時(shí)段上浮71.96%，平期時(shí)段按市場(chǎng)交易價(jià)格，低谷時(shí)段下浮58.15%。2021 年江蘇省外購(gòu)分時(shí)電價(jià)見表1，其中峰谷電價(jià)差高達(dá)0.832 4 元∕kWh，錯(cuò)峰用電降本效益潛力巨大。

表1 2021年江蘇省外購(gòu)分時(shí)電價(jià)

1.2 永鋼用能情況

由于鋼鐵行業(yè)富余煤氣資源主要用于煤氣發(fā)電，因此對(duì)于外購(gòu)電力降本分為發(fā)電側(cè)及用電側(cè)降本。發(fā)電側(cè)主要以煤氣錯(cuò)峰負(fù)荷控制為主，通過減少峰電時(shí)段煤氣用量，提升該時(shí)段煤氣發(fā)電負(fù)荷，從而降低外購(gòu)電成本。用電側(cè)主要依靠生產(chǎn)單位進(jìn)行錯(cuò)峰生產(chǎn)，主要以優(yōu)化檢修排產(chǎn)為主。本文主要分析研究煤氣峰平谷管理理念，從煤氣錯(cuò)峰使用上尋找降本空間。

統(tǒng)計(jì)永鋼煤氣資源使用情況，除發(fā)電外各爐窯設(shè)備用氣量及其占比見表2，其中高爐熱風(fēng)爐、加熱爐、燒結(jié)點(diǎn)火爐、石灰窯的用氣量占比相對(duì)較高，分別為48.07%、31.81%、4.56%、3.99%。

表2 各爐窯設(shè)備用氣量及其占比

統(tǒng)計(jì)2022年一季度各煤氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，峰、平、谷煤氣消耗比例分別為33.9%、33.5%、32.6%。綜合各機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)煤氣消耗能力，峰、平、谷時(shí)段的煤氣缺口分別為6.32 萬m3∕h、6.96 萬m3∕h、8.89 萬m3∕h，具備開展錯(cuò)峰 用能的空間。

2 發(fā)電錯(cuò)峰

2.1 煤氣柜儲(chǔ)氣調(diào)整

煤氣柜儲(chǔ)氣調(diào)整是利用高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣柜的儲(chǔ)氣能力，在谷、平價(jià)電時(shí)段內(nèi)對(duì)煤氣進(jìn)行收氣，在峰價(jià)電時(shí)段將煤氣供發(fā)電使用，以提高發(fā)電價(jià)值的方法，該法目前在行業(yè)中應(yīng)用較為普遍。以10 萬m3高爐煤氣柜、12 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜以及5 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜為例，當(dāng)預(yù)測(cè)峰價(jià)電時(shí)段煤氣存在不足，發(fā)電不能滿發(fā)時(shí)，在谷價(jià)及平價(jià)電時(shí)段進(jìn)行收氣。收氣柜容控制標(biāo)準(zhǔn)為：10 萬m3高爐煤氣柜容≥6 萬m3；12 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜容≥8 萬m3；5 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜容≥4 萬m3。若預(yù)測(cè)峰價(jià)電時(shí)段煤氣有富余，存在放散可能，則氣柜柜容可保持低位運(yùn)行，同時(shí)設(shè)置氣柜送氣下限：10 萬m3高爐煤氣柜為2 萬m3；12 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜為5 萬m3；5 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜為1 萬m3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，正常生產(chǎn)下單月可錯(cuò)峰收、送煤氣約300 萬m3，按每月早峰、晚峰各送氣150 萬m3計(jì)算，月產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約60 萬元。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價(jià)電時(shí)段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為60萬元。

2.2 熱風(fēng)爐錯(cuò)峰燒爐

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，永鋼熱風(fēng)爐煤氣消耗約占煤氣總消耗的48%，正常生產(chǎn)階段熱風(fēng)爐煤氣消耗峰、平、谷比例分別為33.54%、33.27%、33.19%，各時(shí)段用氣比例差異較小。通常高爐熱風(fēng)爐周期性運(yùn)行包括4 個(gè)階段：燃燒1.75 h、燜爐0.25 h、送風(fēng)1 h、休止4 min。正常情況下熱風(fēng)爐拱頂溫度燒至1 250～1 300 ℃，送風(fēng)時(shí)開啟混風(fēng)閥，保證進(jìn)入高爐的風(fēng)溫在1 200 ℃左右，當(dāng)熱風(fēng)爐以最大能力蓄熱時(shí)拱頂溫度可達(dá)1 330 ℃，送風(fēng)結(jié)束后燃燒初期的爐溫仍可保持在1 270 ℃以上，證明熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱能力有富余，具備實(shí)施錯(cuò)峰用氣的條件［3］。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為確保送風(fēng)末期風(fēng)溫＞1 200 ℃，煙道溫度不低于375 ℃，同時(shí)考慮爐箅子的安全使用溫度為450 ℃，規(guī)定煙道溫度上限為410 ℃，確定煙道溫度控制范圍為375～410 ℃。煙道溫度每升高1 ℃約消耗煤氣242 m3，則每座熱風(fēng)爐燒爐過程中可調(diào)節(jié)的煤氣量為242 ×(410 -375)=8 470 m3。每個(gè)燒爐周期為1.75 h，則高爐煤氣調(diào)節(jié)上限為8 470 ÷ 1.75=4 840 m3∕h。通過24 h 熱風(fēng)爐燃燒周期排序表，對(duì)3 座熱風(fēng)爐的周期性運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行排序，模擬谷電向峰電過渡期間的爐座及其當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，推算該爐座提前至谷電5：00 時(shí)開始蓄熱，并在8：00前將煙道溫度燒至410 ℃，峰電8：00時(shí)逐步下調(diào)煤氣流量，將煙道溫度控制在360～370 ℃。

經(jīng)實(shí)踐，在谷電0：00～8：00 向峰電8：00～11：00過渡期間實(shí)施錯(cuò)峰燒爐，峰、平、谷時(shí)段用氣比例分別為32.70%、33.53%、33.77%，峰電時(shí)段用氣比例較實(shí)施前下降0.84 個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電按7.5%，峰價(jià)電時(shí)段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為678萬元。

2.3 高爐中修期間熱風(fēng)爐錯(cuò)峰保溫

高爐中修期間熱風(fēng)爐實(shí)施保溫操作，正常工作時(shí)熱風(fēng)爐熱量80%通過熱風(fēng)送走，保溫時(shí)用氣量?jī)H需正常的20%。高爐中修時(shí)有大量的燜爐時(shí)間，為保持爐內(nèi)溫度＞900 ℃，需每間隔4 h 燒爐一次，每次燒爐2 h，據(jù)統(tǒng)計(jì)峰價(jià)電占比一般較高，峰、平、谷價(jià)電時(shí)段用氣占比約為32%、30%、38%，存在錯(cuò)峰燒爐空間。

2.3.1 錯(cuò)峰保溫注意事項(xiàng)

實(shí)施錯(cuò)峰保溫需注意以下幾點(diǎn)：

（1）控制燃燒室溫度下限，防止通入煤氣后無法燃燒出現(xiàn)安全隱患。

（2）保溫期間熱量在爐底聚集，煙道溫度過高將影響爐箅子的使用安全。

（3）計(jì)算格子磚膨脹系數(shù)，避免溫度變化過大影響硅磚壽命。

（4）考慮爐皮熱量損失，避免溫度過低。

2.3.2 錯(cuò)峰方案

煤氣進(jìn)入熱風(fēng)爐后，燃燒室溫度需達(dá)到900 ℃才能確保煤氣完全燃燒，因此需確保熱風(fēng)爐燃燒室溫度不低于950 ℃，考慮爐箅子使用安全，控制煙道溫度不大于350 ℃。按上述控制標(biāo)準(zhǔn)將熱風(fēng)爐2 燒1送改為3座熱風(fēng)爐同時(shí)燒爐、同時(shí)燜爐。在高爐中修熱風(fēng)爐保溫期間用足谷價(jià)氣，充分利用熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱能力，在谷價(jià)電期間進(jìn)行燃燒蓄熱，保證8：00 時(shí)燃燒室溫度＞1 050 ℃，平價(jià)電期間根據(jù)情況進(jìn)行1～2次燒爐，補(bǔ)充燃燒室溫度，峰價(jià)電期間燜爐保溫。

2.3.3 核算格子磚膨脹影響

熱風(fēng)爐格子磚中膨脹系數(shù)最大的硅磚在1 000 ℃時(shí)熱膨脹系數(shù)≤1.25%。熱風(fēng)爐燃燒室內(nèi)保持900 ℃時(shí)，格子磚橫、縱向產(chǎn)生的最大膨脹縫分別為7.4 mm、31.5 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際預(yù)留的膨脹縫及耐材尺寸可滿足正常使用。

2.3.4 核算爐體熱量損失

根據(jù)《高爐熱風(fēng)爐平衡測(cè)定與計(jì)算方法》（GB∕T 32287—2015）計(jì)算爐皮熱量損失，熱風(fēng)爐燜爐8 h損失熱量為46 330 240 kJ（即14 478 m3高爐煤氣），燃燒室溫降200 ℃，燜爐8 h后燃燒室溫度仍然大于950 ℃，滿足保溫工藝要求。

經(jīng)實(shí)踐，某1 080 m3高爐在為期29 天的中修期間共消耗高爐煤氣269.7 萬m3，峰、平、谷用氣比例為0.51%、53.74%、45.75%，根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價(jià)電時(shí)段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為14.5萬元。

2.4 鐵水包錯(cuò)峰烘烤

鑄鐵車間鐵水包砌筑完畢放置超過24 h 后需進(jìn)行烘烤，鐵水包烘烤時(shí)間要求為（28±1）h。原烘烤時(shí)間一般為8：00 至次日13：00，期間有1 個(gè)谷價(jià)電，3 個(gè)峰價(jià)電，3 個(gè)平價(jià)電。根據(jù)2021 全年鐵水包烘烤用氣情況統(tǒng)計(jì)，年用氣總量約為800 萬m3，其中峰電時(shí)段用氣量最大，用氣占比38.6%，平電用氣占比32.6%，谷電用氣占比28.8%。為提高煤氣使用價(jià)值，考慮通過調(diào)整鐵水包烘烤的開始和截止時(shí)間增加谷價(jià)氣用量的占比。實(shí)施方案為3：00 開始小火烘烤，7：00 轉(zhuǎn)中火，13：00 進(jìn)入大火階段直至次日 8：00 烘烤結(jié)束。調(diào)整后的峰、平、谷用氣占比分別為29.68%、31.1%、39.22%，該方案可降低峰價(jià)氣占比8.92 個(gè)百分點(diǎn)，且新包上線時(shí)間為上午，便于操作人員跟蹤第一包鐵水受鐵情況。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價(jià)電時(shí)段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，實(shí)施錯(cuò)峰烘烤期間產(chǎn)生效益為12.5萬元。

3 用電錯(cuò)峰

3.1 排產(chǎn)優(yōu)化

在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)提倡谷價(jià)電時(shí)段滿負(fù)荷生產(chǎn)，杜絕谷價(jià)電時(shí)段安排檢修。

此外將重點(diǎn)用能設(shè)備納入錯(cuò)峰停機(jī)管控，如當(dāng)高爐停爐，噴煤用量減少時(shí)，及時(shí)調(diào)整噴煤車間磨機(jī)生產(chǎn)節(jié)奏，避免谷電時(shí)段倉(cāng)滿停機(jī)的情況。礦渣微粉則根據(jù)微粉的銷價(jià)與水渣成本價(jià)的價(jià)差，分成全天生產(chǎn)、避峰生產(chǎn)、谷電生產(chǎn)、外賣等4 種模式。利用成品倉(cāng)容量大于產(chǎn)能的特性，充分發(fā)揮球團(tuán)成品倉(cāng)庫(kù)的儲(chǔ)存能力，調(diào)節(jié)不同時(shí)段的生產(chǎn)負(fù)荷。

3.2 軋制品種優(yōu)化

分析各品種鋼生產(chǎn)電耗，合理安排生產(chǎn)，高效利用峰、谷時(shí)段。根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的品種鋼電單耗差異，在谷電時(shí)段生產(chǎn)高電耗產(chǎn)品，在峰電時(shí)段生產(chǎn)低電耗產(chǎn)品。表3、表4為某棒材車間產(chǎn)品電單耗，可以看出相同材質(zhì)間不同規(guī)格產(chǎn)品電耗差異最高達(dá)27.76 kWh∕t，同規(guī)格下不同材質(zhì)間產(chǎn)品電耗差異最高達(dá)14.31 kWh∕t，存在較大優(yōu)化空間。

表3 同材質(zhì)不同規(guī)格品種鋼軋線電耗

表4 不同材質(zhì)同規(guī)格品種鋼軋線電耗

4 儲(chǔ)能調(diào)峰

4.1 化學(xué)電池儲(chǔ)能

儲(chǔ)能電站利用化學(xué)電池進(jìn)行電力儲(chǔ)放，規(guī)模為5 MW∕20 MWh，實(shí)行“兩充兩放”的日運(yùn)行模式。每日谷電、平電時(shí)段充電，峰電時(shí)段放電。經(jīng)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，電站充、放電轉(zhuǎn)換效率約88%，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，基本不受其他生產(chǎn)因素影響，年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可達(dá)8 000 h，根據(jù)峰平谷電價(jià)差，年可產(chǎn)生錯(cuò)峰效益約590 萬元。

4.2 熔鹽儲(chǔ)能

熔鹽儲(chǔ)熱是一種顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于太陽能光熱電站，熔鹽在常壓下具有200～600 ℃高溫差，因此蓄熱能力大，能產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱能的高效利用。企業(yè)可考慮利用煤氣進(jìn)行熔鹽加熱和儲(chǔ)能，在谷電時(shí)，煤氣不發(fā)電而直接加熱熔鹽儲(chǔ)熱；峰電時(shí)，熔鹽中的熱量通過鹽水換熱器產(chǎn)生高溫蒸汽用以發(fā)電，起到調(diào)峰作用。目前行業(yè)內(nèi)已有較多鋼企關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)，新型儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)的接受度也越來越高。

5 總結(jié)

各鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)裝備情況、生產(chǎn)模式不盡相同，但只要存在峰谷電價(jià)差就存在外購(gòu)電費(fèi)降本潛力，錯(cuò)峰用電、錯(cuò)峰用煤氣均有一定借鑒意義。探索煤氣全流程最優(yōu)使用模式，細(xì)化管控對(duì)象，精準(zhǔn)管控用氣時(shí)間，形成有效的錯(cuò)峰管理機(jī)制，在不新增煤氣資源及經(jīng)濟(jì)投資的情況下，提升峰價(jià)電時(shí)段煤氣的利用效率，實(shí)現(xiàn)降本創(chuàng)效。