编者按
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。“双碳”目标提出以来，我国钢铁产业结构持续优化，节能工作取得积极成效。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602.7千克标准煤/吨下降至2022年的551.4千克标准煤/吨。国家相关部委以及《“十四五”现代能源体系规划》等政策文件对能源转型提出了新要求；2022年12月9日，《钢铁行业能效标杆三年行动方案》正式启动，第三大钢铁改造工程——极致能效工程进入实质性实施阶段。结合国家要求及行业形势，钢铁企业应当坚定不移地发挥自身的能源转换功能优势及能效潜力，创新优化能源结构，突出原料用能导向，实现绿色低碳高质量发展。本文结合实际谈谈对钢铁行业推进极致能效工程的思考和建议，上篇主题为“挖掘能源转换潜力，实现极致能效提升”，下篇主题为“创新优化能源结构，助力钢铁流程碳中和”。本期为上篇。
我国钢铁工业以高炉—转炉长流程生产为主，一次能源消耗结构主要为煤炭，节能降碳、改造升级潜力较大。国家在能效方面启动的相关工作，意在以能效标杆为切入点，全面提升钢铁行业的竞争力，实现绿色低碳高质量发展。
能效提升是目前钢铁行业减碳的优先工作，是一项系统工程。笔者认为，钢铁企业应深度开发能源转换功能价值，以实现极致能效提升，主要路径包括主体工序能耗达标、余热深度回收及梯级利用、能源网络分布式耦合优化、煤气发电能效（自发电）提升、跨行业协同与碳氢元素原料利用耦合等。
主体工序达能效标杆值比例较低着力推动到2025年超30%产能达标
国家发展改革委发布的《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》提出：到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁等重点行业达到标杆水平的产能比例超过30%，行业整体能效水平明显提升，碳排放强度明显下降，绿色低碳发展能力显著增强。到2030年，重点行业能效基准水平和标杆水平进一步提高，达到标杆水平企业比例大幅提升，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—2022年，高炉工序达到能效基准值的产量占比分别为100%、99.3%、99.41%，达到能效标杆值的比例分别为7.54%、7.02%、3.35%；转炉工序达到能效基准值的产量占比分别为67.62%、64.29%、84.92%，达到能效标杆值的比例分别为5.9%、6.39%、12.93%。可见，钢铁行业高炉工序达到能效基准值的产量占比均在99%以上，远高于转炉工序，但整体而言，各主体工序达到能效标杆值的比例，距“2025年能效达到标杆值的产能占比超30%”的政策要求有较大差距。由于高炉经济炉料使用比例上升、节能技术创新不够、精细化系统节能意识不足、工序能耗统计口径存在差异等原因，推进主体工序能耗达标工作遇到一定挑战。
针对国家推进的能效标杆、能效约束、极致能效工程，钢协发布《钢铁行业能效标杆三年行动方案》，启动开展“双碳最佳实践能效标杆示范厂”培育工作，以及“三清单、两标准、一系统”组合设计，有序推动钢铁行业重点工序能效达到标杆，促进钢铁工业绿色低碳高质量发展。
“三份清单”包括最佳可行技术清单、全球范围内极致能效相关技术合作伙伴清单和以国家文件及绿色信贷为主的政策清单。其中，技术清单是能效达标的关键。面对节能空间日趋缩小的严峻形势，深刻认知钢铁流程能源高效转换的优势，创新能源流网络模式、开发高效的能量转换工艺技术是破解现阶段节能瓶颈的关键。
“两标准”，一是指《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》（GB21256）和《电弧炉冶炼单位产品能源消耗限额》（GB32050）合并修订形成的新的强制性国标，已进入征求意见阶段；二是指《钢铁企业重点工序能效标杆对标指南》（T/CISA 293-2022）团体标准，已于去年发布。
“一系统”指数据系统，是针对焦炉、高炉、转炉、电炉重点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，目前基础仍较为薄弱，国家相关部委正在推动这项工作，钢铁行业也应系统设计、长期投入、逐步完善。
我国钢铁业余热回收利用率低于50%余热深度回收及梯级利用水平亟待提升
钢铁工业是流程型制造业，存在复杂的能量消耗、转换、回收以及输送过程，能源流网络庞大交错。
其中，钢铁余热余能资源包括各种烟气（废气）携带的显热（包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等可燃气体），最终轧制成材或材前铁水、钢水、坯料具有的显热，烧结矿、球团矿具有的显热，高炉渣和钢渣等熔渣显热，生产中各种冷却水及产生的蒸汽携带的热能，高炉炉顶煤气的余压，少许带有压力的冷却水，等等。
针对不同品位的余热资源，钢企通常采取3种利用方式：第一，对高温介质的显热，通常先由蒸发器进行回收，后通过汽轮机等设备转换发电；第二，对中低温介质显热，通常进行换热后用于生产过程，比如供应饱和蒸汽、预热空气或煤气、富余蒸汽用于发电；第三，对于压力类的余能，通常是利用压差进行膨胀做功。
不过，我国钢铁企业在余热利用方面普遍存在着技术手段少、转换效率低、回收利用价值低等问题。其中，高温余热由于热量较集中，温度较高，目前此类项目大部分均已有效回收利用。大量的中低温气体余热由于比较分散且热源波动，不易集中回收，尚未得到高效回收利用。多数企业设置蒸汽蓄热器来解决余热资源波动问题，效果不佳。据研究，我国钢铁行业余热回收利用率低于50%，还有大量余热资源直接排放，导致能源浪费。
值得关注的是，已有部分企业在余热利用方面有所突破，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/小时干熄焦项目投产，实现吨焦发电量超过200千瓦时，比高温高压机组提高约15%；建龙西钢首次应用烟气隔爆型中低温余热回收技术，对180℃以上转炉烟气余热全部回收利用，为行业开展中低温余热利用提供了借鉴。下一步，钢铁企业典型工序需持续重点研发高参数干熄焦、烧结竖冷余热回收、炉渣干式粒化余热回收、转炉烟气汽化烟道后余热回收、炉窑烟气低温余热发电、中低温余热回收等技术。
聚焦3条路径推动能源网络分布式耦合优化
多数钢铁企业存在副产煤气、余热蒸汽等二次能源富余的情况。钢铁企业实施系统节能时，应重点实施煤气、蒸汽、余热系统的能量流网络协同耦合集成优化，通过构建更加合理高效的能量流网络实现系统提升。
分布式能源是相对于集中供能而言的分布式供能方式，利用一切可以利用的资源，辅以集中能源供应系统，实现直接满足用户多种需求的能源梯级利用，达到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在于，实现钢铁生产工艺过程与“源-网-荷-储”分布式能源系统的充分耦合，实现煤气、蒸汽等能源网络的互联互储，具体实施路径包括煤气平衡优化、分布式蒸汽自平衡及优化、煤气—蒸汽—电力协同优化调度等。
煤气平衡优化。煤气系统优化应遵循“极限回收、高效使用、能级匹配、高效转化和零放散”的原则，根据煤气资源的数量、品质和用户需求不同，高效分配使用煤气，完善煤气缓冲系统，优化煤气管网，实现煤气闭环管理和零放散。同时，可应用蓄热式燃烧等高效燃烧技术措施适应工艺用户的热工需求，以解决部分企业等效替代的煤气结构平衡问题。
钢企应科学制订煤气平衡方案，不能只关注静态平衡要素，还要从生产角度出发推动实现动态平衡。包括结合实际情况做好高炉休风、轧钢产线调整等多个因素的分析，掌握各种关键性因素。减缓热风炉等高炉煤气“大用户”的峰谷起伏，对于提升整个高炉煤气系统的稳定性至关重要。为此，钢企应通过对热风炉的烧炉时间进行整体安排，避免发生因热风炉大烧、小烧时间重叠引起的高炉煤气峰谷用量波动。
钢企还应构建具备较高能力的煤气缓冲系统，配备相应规模的煤气柜；通过奖励减少放散量的单位等经济手段，引导各单位向有利于煤气平衡的方向发展，激励各单位积极探究节能降耗措施，提高煤气利用效率。
分布式蒸汽自平衡及优化。提高余热、余压的回收利用水平，采用技术先进、经济合理的节能工艺、技术、设备与措施，按照“高质高用、梯级利用、能级匹配、耦合协同”的科学用能原则，实现能源的就地转换利用。
钢企可以考虑不同能源介质的经济输送半径，建立多个区域性能源利用体系。例如，焦化区域通过实施上升管余热回收、负压蒸氨和负压脱苯技术改造、循环氨水余热回收等节能技术项目，实现焦化蒸汽自供应，减少干熄焦抽汽，也能避免蒸汽管网长距离输送造成的能源损失。再如，在高炉、焦化、烧结区域分别回收相应余热，作为吸收式制冷系统驱动的热源，使整个系统按能源品位进行分级利用和循环利用。
钢企还可改革以蒸汽为载体的能源运行方式，建立以热导油、高压热水为载体的能量流网络。包括减少设置甚至取消蒸汽管网，余热蒸汽高参数回收、就地发电上网，构建科学、合理、高效的能源网络；针对RH（真空循环脱气）等间断用户的生产情况，炼钢工序应开发高效机械真空系统，替代蒸汽喷射。如湛江钢铁烧结系统就采用“机上炉”技术，直接在烧结环冷机上布置余热锅炉，避免烟气长距离导引的热损失，并根据余热资源配备补汽式发电机组，利用煤气产生低压蒸汽，确保烧结余热发电机组的稳定高负荷运行。
煤气—蒸汽—电力协同优化调度。煤气、蒸汽、电力是钢铁企业能源系统中重要的二次能源，并且相互之间存在转换。钢铁企业可以通过煤气、蒸汽、电力3种能源的协同转换和优化使用，推进节能减排和能源成本降低。由于历史原因，钢铁流程中的煤气、蒸汽、电力能源均处于无序状态，特别是操作换向工艺波动会造成放散损失。要实现二次能源高效闭环有序运行，必须建立以储能为核心的新能源缓冲及高效转化能控中心，同时在确保能源稳定供应和安全生产的前提下，优化富余煤气分配以及蒸汽、电力需求的生产调度，使调度周期内系统能源成本降到最低。
抓牢煤气发电机组改造“关键抓手”力促煤气发电（自发电）能效提升
提升自发电水平是提高流程能源转换效率、降低能源成本最直接、提升效益最明显的抓手。余热余能自发电影响吨钢能源成本约100元以上，对钢铁企业效益及竞争力高低影响较大。钢铁余热余能发电技术主要包括煤气发电、干熄焦发电、高炉干式余压发电、烧结余热发电等。其中，煤气发电占比最大，抓好这项工作，将对企业的自发电提升和能效提升起到决定性的影响。
根据发电原理不同，钢铁行业煤气发电机组分为燃气—蒸汽联合循环发电（CCPP）机组和锅炉发电机组。煤气锅炉发电技术近年来快速发展，由原来的中温中压、高温高压发展到目前主流的超高压、亚临界、超临界参数，高炉煤气单耗由5立方米/千瓦时降至2.4立方米/千瓦时，先进机组的热效率达到44%。很多钢铁企业通过主动淘汰中、低参数机组并结合高炉汽动鼓风改造，集中煤气资源建设超高压、亚临界、超临界机组，获得了较高效益。高参数机组在小型化方面的技术突破，为在中小型钢铁企业中推广创造了条件，35兆瓦~65兆瓦等级超高压及65兆瓦~150兆瓦等级亚临界煤气发电均已有上百台（套）成熟工程案例，盛隆冶金、津西钢铁等企业150兆瓦等级超临界机组建成投运。其中，3×145兆瓦超临界煤气发电机组安全高效稳定运行一年有余，发电效率达到43.5%，2022年3台机组累计发电18.8亿千瓦时。山西建邦集团通才公司通过系统节能以及煤气发电机组升级改造，实现在没有焦化工序的情况下，自发电率超过80%。
目前在钢铁行业，中温中压机组的应用很少，基本上已经停下来作为备用机组；还有一定数量的高温高压机组，少数企业有高温高压汽动鼓风，将在“十四五”期间全部改造完成。预计到“十四五”末，钢铁行业35兆瓦等级以下会保留少量的高温高压机组，35兆瓦~5兆瓦等级的煤气发电全部为超高压机组、65兆瓦~100兆瓦等级煤气发电为亚临界机组、100兆瓦~180兆瓦等级煤气发电为超临界（亚临界）机组，且新建的机型多数为超临界机组。据笔者了解，相关公司正在对100兆瓦燃气—蒸汽联合循环发电（CCPP）进行攻关，设计发电效率将超过50%，届时投运后该机型的竞争力将明显优于现有机型，也将为钢铁企业煤气发电多一条选择路径。
煤气发电能效提升、自发电提升工作同样是一项系统工程，需促进高能效转化工艺、装备、管理技术创新开发，特别要在分布式能源耦合集成优化、科学制定煤气平衡、兼顾高效与安全可靠性、开展技术经济比选以保效益最大化、向高参数机组发展、高标准开展项目设计施工等方面采取措施，提高自发电水平。
打破能源转化的行业壁垒实现跨行业协同与碳氢元素原料耦合利用
现有钢铁生产流程中的焦化副产品化产利用、副产煤气及余热发电、高温熔渣制备水泥及其他建材等技术已实现规模化生产，具有跨冶金、化工、电力、建材等行业联产的特征。跨行业协同与碳氢元素原料耦合利用将成为钢铁工业实现更大范围系统节能的重要途径和运营模式。
笔者认为，基于能源综合梯级利用原理，以提高系统能效为目标，在工业园区等跨行业联产系统总体规划的基础上，通过能源综合梯级利用和横向多行业互补，打破能源转化在行业间的壁垒，实现行业内和跨行业不同能源形式的耦合利用，可进一步提高全社会整体能源利用效率，是当前及未来能源可持续发展的重要技术路径。主要包括以下几个方向：煤气充当周边水泥窑等的燃料、副产煤气用于化产、余热蒸汽用于海水淡化、余热供暖（供冷）等，使钢铁企业成为社区、城市的清洁能源供应中心。
煤气、蒸汽用于周边企业燃料及热源。从能效及经济性角度考虑，对于附近有其他产业的钢铁企业而言，把副产煤气、蒸汽外售的经济性要优于发电利用。鞍钢鲅鱼圈通过外销煤气给华能、外销蒸汽给嘉里粮油，每年创效近8000万元；南京钢铁通过华润压缩空气等能源保供模式创新，实现区域能源供应有效协同。
副产煤气用于化产，实现降碳、固碳和高价值利用。副产煤气中含有CO、H2和CH4等成分，可以作为化工合成的基本原料气。焦炉煤气制备的化工产品主要有天然气、甲醇、乙醇、乙二醇等。此外，焦炉煤气还可以用于合成氨进而生产尿素化肥等，从焦炉煤气中分离提取的氢也是重要的氢能来源。转炉煤气提纯的CO可与焦炉煤气分离的H2结合，合成乙醇、乙二醇或者生产草酸、甲酸等化工产品，也可以采取发酵蒸馏的方式，通过加入氨制成燃料乙醇，同时产生副产沼气和蛋白粉饲料。目前，已有很多钢企在这方面开展了应用，如山钢日照、河北安丰等企业建有焦炉煤气制天然气装置，沧州中铁、达州钢铁、黑龙江建龙等建设了焦炉煤气联合高炉煤气制甲醇装置，晋南钢铁建设了焦炉煤气联合转炉煤气制乙二醇装置，石横特钢建设了转炉煤气制甲酸装置。
余热蒸汽用于海水淡化。低温多效蒸馏（LT-MED）海水淡化所需温度低，采用抽引凝结换热、气液两相防腐换热、热水高效闪蒸及蒸汽抽射增压等技术，可回收钢铁低品质余热作为LT-MED海水淡化装置的热源。这一技术已在首钢京唐应用，该方法实现了能源的梯级利用，以及蒸汽、煤气、工业废水及浓海水的零排放。
余热供暖（供冷）、建设城市余能利用中心。钢企充分开发利用低品位余热、冲渣水余热、烟气余热等，可为周边社区、城市供暖供热，减少地区燃煤设施及相应的碳排放。目前，钢铁企业的高品质余热已基本得到利用，下一步需要深度挖掘余热资源与节能技术改造，利用生产余热供应周边冬季供热及生活热水，推进产城融合，实现共融发展。据笔者了解，截至2022年底，抚顺新钢铁社会供暖面积达887万平方米，吨钢供暖面积达到世界领先水平（2.2平方米）。（熊超温燕明）
（作者熊超系冶金工业规划研究院总设计师，温燕明系原济南钢铁集团副总经理）
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