能效提升是鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的核心舉措?！半p碳”目標提出以來，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)結構持續(xù)優(yōu)化，節(jié)能工作取得積極成效。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗由2012年的602.7千克標準煤/噸下降至2022年的551.4千克標準煤/噸。國家相關部委以及《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》等政策文件對能源轉型提出了新要求；2022年12月9日，《鋼鐵行業(yè)能效標桿三年行動方案》正式啟動，第三大鋼鐵改造工程——極致能效工程進入實質(zhì)性實施階段。結合國家要求及行業(yè)形勢，鋼鐵企業(yè)應當堅定不移地發(fā)揮自身的能源轉換功能優(yōu)勢及能效潛力，創(chuàng)新優(yōu)化能源結構，突出原料用能導向，實現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。本文結合實際談談對鋼鐵行業(yè)推進極致能效工程的思考和建議，上篇主題為“挖掘能源轉換潛力，實現(xiàn)極致能效提升”，下篇主題為“創(chuàng)新優(yōu)化能源結構，助力鋼鐵流程碳中和”。本期為下篇。

　　當前，鋼鐵行業(yè)處于向“多能互補”用能新格局轉型的時期，多數(shù)鋼鐵企業(yè)仍比較迷茫，僅進行了屋頂光伏、鋼化聯(lián)產(chǎn)、余熱供暖等方面的探索。在傳統(tǒng)管理模式下，鋼鐵能量流基本無序，且運行效率低、耗散損失大。為此，鋼鐵行業(yè)亟須構建以儲能為核心的閉環(huán)運行網(wǎng)絡，提高現(xiàn)有能源流系統(tǒng)能效。類似于煤炭在我國能源體系中的“壓艙石”作用，鋼鐵行業(yè)穩(wěn)定的二次能源發(fā)電也是“壓艙石”，如何做好與光伏等新能源的協(xié)調(diào)互補，是當前行業(yè)面臨的重要議題。

　　在追求極致能效的同時，創(chuàng)新優(yōu)化能源結構是助力鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)碳中和的重要手段。其中，新型低碳多能互補能源體系及儲能系統(tǒng)的構建對鋼鐵企業(yè)尤為關鍵。鋼鐵企業(yè)通過構建新型低碳多能互補能源體系及儲能系統(tǒng)，形成企業(yè)用戶側“源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補系統(tǒng)”，既可系統(tǒng)提升能效，又可增加新能源應用、優(yōu)化能源結構。

　　多能互補的目的是在不同條件下按照不同方式對能源進行合理利用，實現(xiàn)“1+1＞2”的產(chǎn)出效益。該方式能夠通過不同種類能源和燃料的相互補充與綜合利用，大幅提升能效并合理利用可再生能源。

　　用能的核心是能源的“?”值，即最大做功能力，從而改變以往用能重視數(shù)量、忽略品質(zhì)的弊端。同時更主要的是要考慮“?”平衡、重視“?”效率，這對于挖掘節(jié)能潛力、采取節(jié)能措施，均有較大推動作用。

　　大多數(shù)情況下，鋼鐵行業(yè)主要涉及對能源的“?”值利用，但有時候只需要低品位熱能的利用，能源的“?”效率很低。例如工藝上側重于低品位熱能的利用，但企業(yè)往往使用高品位的熱能，出現(xiàn)了高能低用的能量損失情況。鋼鐵企業(yè)對低品位能源的需求量相對較少，多為利用中高品位能源發(fā)電，發(fā)電過程既消耗大量熱能，又需要電能對低品位熱能進行冷凝，能源系統(tǒng)效率較低。針對這些情況，各個工藝環(huán)節(jié)可以考慮采取一些多能互補的優(yōu)化路徑——

　　針對燒結煙氣參數(shù)波動、余熱發(fā)電效果不佳的情況，可在煙氣中補燃一部分煤氣，產(chǎn)生1000攝氏度高溫煙氣，并與部分400攝氏度煙氣混合，在補氣燃燒室中煙氣溫度達到700攝氏度以上，將飽和蒸汽加熱成為450攝氏度的過熱蒸汽，可使綜合系統(tǒng)效率達到最大化，提升發(fā)電效率。

　　針對煉鋼煙氣波動對余熱鍋爐產(chǎn)汽的影響，可補燃一定量的煤氣，綜合系統(tǒng)即可實現(xiàn)不同品位余熱余能的綜合梯級利用。

　　針對焦爐、加熱爐換向閥混入冷空氣造成排煙溫度較低的情況，利用低壓蒸汽先對進氣進行加溫以提高排煙溫度，再補燃高爐煤氣進行高溫燃燒，實現(xiàn)高、低位煙氣互補以提高發(fā)電效率。

　　針對全廠大量40攝氏度~50攝氏度低溫冷卻水，采用溴化鋰熱泵技術，輔以少量蒸汽，提高循環(huán)水的溫度后再供出。

　　儲能技術可以解決能源供求的時空不匹配問題，是提高能源利用效率的有效手段。長期以來，煤氣柜、蓄熱器作為鋼鐵生產(chǎn)中傳統(tǒng)的儲能設施，在調(diào)節(jié)能源參數(shù)平衡、保障用能儲備、提供安全保障等方面發(fā)揮著重要作用。

　　在鋼鐵生產(chǎn)中，煤氣柜可用于調(diào)節(jié)煤氣動態(tài)平衡、平衡熱值波動，是鋼鐵企業(yè)重要的能源設備。煤氣柜的傳統(tǒng)作用主要有儲存煤氣、平衡管網(wǎng)壓力、保障管網(wǎng)安全等。在新形勢下，煤氣柜需要進一步發(fā)揮調(diào)峰作用，根據(jù)峰谷時段實時自動充柜、降柜，提高峰谷發(fā)電差效益。谷段升柜，適當降低發(fā)電量，多用低價電，為峰段發(fā)電儲存煤氣；峰段降柜，供發(fā)電使用，提高發(fā)電量，減少外購高價電，降低購電成本。

　　傳統(tǒng)蒸汽蓄熱器用于解決轉爐余熱蒸汽波動問題，可將間斷性供汽轉變?yōu)榉€(wěn)定、連續(xù)供汽，減小對全廠蒸汽管網(wǎng)的沖擊。對于蓄熱器的優(yōu)化使用，需要采取進一步核定蓄熱器能力、將多臺并列的臥式筒形蓄熱器改造為球形蓄熱器、蓄熱器后配備低壓蒸汽燃氣式過熱裝置等措施。

　　在新的發(fā)展形勢下，煤氣柜、蓄熱器也需要在傳統(tǒng)功能的基礎上進一步拓展優(yōu)化，在提高煤氣蒸汽發(fā)電效率、煤氣峰谷發(fā)電差效益等方面發(fā)揮作用。

　　在鋼鐵企業(yè)，有一定應用場景的新型儲能系統(tǒng)包括儲熱系統(tǒng)、電化學儲能系統(tǒng)、液化空氣儲能系統(tǒng)等。在新的發(fā)展形勢下，新型儲能將有更大的發(fā)展空間，有助于解決能源供求時空不匹配問題。

　　儲熱系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)通過余熱鍋爐回收熱能，經(jīng)蓄熱器后傳送至余熱發(fā)電機組，熱能利用率不高。熔鹽儲熱系統(tǒng)可以存儲間歇性和周期性的余熱，提高回收蒸汽的參數(shù)值和穩(wěn)定性，從而提升余熱發(fā)電的效率和靈活性；也可與煤氣發(fā)電機組耦合，結合峰谷電價、能源數(shù)字化、生產(chǎn)電力負荷調(diào)控等措施，既提高自發(fā)電率，又提升能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。除煤氣機組外，儲熱技術還可用于余熱發(fā)電調(diào)峰，如干熄焦儲熱調(diào)峰系統(tǒng)、燒結余熱發(fā)電儲熱調(diào)峰系統(tǒng)。目前，山西建龍正在建設鋼鐵行業(yè)首套煤氣熔鹽儲熱調(diào)峰項目，預計2023年下半年投運。

　　通過配置儲熱系統(tǒng)調(diào)峰，可以起到3個方面作用：一是穩(wěn)定波動較大的余熱余能，提升余熱發(fā)電機組發(fā)電效率；二是利用峰谷價差創(chuàng)效，降低企業(yè)生產(chǎn)成本；三是促進可再生能源消納，實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程低碳運行。圖1為儲熱系統(tǒng)示意圖。

　　電化學儲能。電化學儲能轉化效率高、比能量（即單位重量或單位體積電池對外輸出的能量）和比功率高（即單位時間電池的比能量）、響應速度快（毫秒級）。在電源側，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑能源出力等功能；在電網(wǎng)側，可參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等電力輔助服務和電能質(zhì)量改善。

　　當鋼鐵企業(yè)引入新能源發(fā)電時，由于新能源電站發(fā)電量隨風、光強度而波動，導致電網(wǎng)結構和電力波動較為復雜，存在棄“風”棄“光”等現(xiàn)象，因此，需要儲能系統(tǒng)對富余發(fā)電量進行儲存，同時對電網(wǎng)波動進行調(diào)頻處理。電化學儲能作為新能源發(fā)電的強制配套措施，配套過少易導致電能質(zhì)量差，過多又會大幅增加投資成本。為了確保新能源電力質(zhì)量滿足并網(wǎng)和用戶要求，通常在新能源發(fā)電項目中配置10%~20%的儲能比例。

　　與單一的新能源電站不同，在鋼鐵企業(yè)中引入新能源后，會形成一個“源—網(wǎng)—荷—儲”的企業(yè)微網(wǎng)系統(tǒng)；由于鋼鐵企業(yè)內(nèi)的電力調(diào)度更為復雜，需要同時考慮鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序的用能及負荷波動情況，對儲能系統(tǒng)進行重新設計。

　　液化空氣儲能。空分裝置是一種以消耗電能為主，生產(chǎn)大規(guī)模氧氣、氮氣、氬氣等工業(yè)氣體的設備?？諝夥蛛x工序在鋼鐵企業(yè)中通常消耗1/5~1/4的電力，具備很大的調(diào)峰潛力?？辗盅b置本身具備一定的變負荷生產(chǎn)能力，可利用分時電價進行錯峰生產(chǎn)，在電價高時低負荷生產(chǎn)，在電價低時高負荷生產(chǎn)，大幅降低生產(chǎn)用電成本；還可以通過調(diào)節(jié)壓縮機在不同時間段的功耗，控制空氣液化量和存儲量，利用液化空氣儲能實現(xiàn)用電負荷的調(diào)節(jié)。

　　液化空氣儲能技術的原理是通過低溫液化技術利用過剩電能，將常溫常壓空氣液化存儲在貯槽，將電能轉化成深冷能；發(fā)電時，液化空氣經(jīng)過增壓加熱氣化后輸入到發(fā)電膨脹機，深冷能轉化成電能補充到電網(wǎng)系統(tǒng)中。

　　鋼鐵企業(yè)具備液化空氣儲能所需的空分裝置，通過液化空氣儲能與空分設備有機耦合，可以最大化節(jié)約設備投資成本，提高儲能經(jīng)濟效益。此外，鋼鐵企業(yè)有大量低品位余熱，也可以與液化空氣儲能實現(xiàn)多能互補，提高儲能的綜合效率。圖2為液化空氣儲能與空氣分離耦合流程示意圖。

　　氫儲能。氫儲能具有響應時間短、調(diào)節(jié)靈活性高、調(diào)峰周期長、存儲逸散等優(yōu)點，可對可再生能源高峰時節(jié)發(fā)出的風電、光電通過電解制氫進行存儲，促進新能源平滑并網(wǎng)，緩解棄“風”棄“光”現(xiàn)象，提高鋼鐵企業(yè)對新能源的消納能力。

　　與其他燃料相比，氫的質(zhì)量能量密度大，但體積能量密度低（汽油的1/3000），因此，構建氫儲能系統(tǒng)的一大前提條件就是在較高體積能量密度下儲運氫氣。尤其是當氫氣應用到交通領域時，還要求有較高的質(zhì)量能量密度。此外，以氫的燃燒值為基準，“將氫的儲存運輸所消耗的能量控制在氫燃燒熱的10%以內(nèi)”為理想狀態(tài)。目前，氫氣的儲存可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和金屬固態(tài)儲氫，對儲氫技術的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。

　　整體來看，鋼鐵企業(yè)與氫能應用有著良好的協(xié)同促進關系，鋼鐵企業(yè)既是產(chǎn)氫單位又是用氫單位，應用氫能可助力鋼鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展。氫能作為理想的新型能源載體，在“雙碳”背景下，氫儲能系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，但因為技術和材料限制，目前還存在效率低、成本高問題。結合鋼鐵企業(yè)能源特點，建議積極跟蹤低溫液態(tài)氫存儲技術路徑。低溫法存儲液氫可以與空氣液化、空氣分離耦合儲能，通過氫氣/空氣液化冷量互補，提高能源使用效率。

　　以國內(nèi)某北方鋼企進行儲能系統(tǒng)集成應用為例，該企業(yè)采用長流程（無焦化工序）工藝，生產(chǎn)總電耗約350兆瓦，其中空氣分離電耗約占總電耗的24%。發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)有2臺100兆瓦亞臨界煤氣機組，實際發(fā)電功率為180兆瓦，可在50%~103%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；2臺燒結余熱發(fā)電機組（1臺12兆瓦、1臺9兆瓦），實際發(fā)電功率為13.4兆瓦，可在60%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；1臺TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）發(fā)電功率為5.9兆瓦。自備電廠總發(fā)電功率合計199.3兆瓦，為滿足生產(chǎn)需要（350兆瓦），需向電網(wǎng)購電150余兆瓦。

　　該企業(yè)規(guī)劃建設20兆瓦屋頂光伏發(fā)電、100兆瓦湖面光伏發(fā)電以及200兆瓦地面光伏發(fā)電項目，合計320兆瓦，從而降低了企業(yè)購電成本和碳排放。320兆瓦光伏發(fā)電項目投產(chǎn)后，在晴天午間，光伏最大功率為288兆瓦。引入新能源前，企業(yè)自發(fā)電電力缺口僅為150余兆瓦，因而光伏發(fā)電最大富余功率為138兆瓦。整個午間光伏發(fā)電富余量預計約65.6萬千瓦時，光伏富余電量只能以較低價格上網(wǎng)（低于谷電價格上網(wǎng)）。而在17:00—23:00時段，為彌補150兆瓦的電力缺口，企業(yè)又以峰電甚至尖峰電價從電網(wǎng)購入，減少了企業(yè)的應有效益。與此同時，引入新能源發(fā)電會對鋼廠現(xiàn)有余熱發(fā)電及電力系統(tǒng)造成影響，從用能安全性考慮，同樣有必要引入儲能系統(tǒng)，并開發(fā)出相應的企業(yè)電力調(diào)控機制。

　　針對新能源引入后的用能安全性和經(jīng)濟性問題，該企業(yè)構建了基于鋼鐵生產(chǎn)流程的多能儲能系統(tǒng)，根據(jù)企業(yè)實際情況以及儲能投資成本，構建起由電化學儲能、液化空氣儲能、煤氣和儲熱組成的儲能系統(tǒng)（考慮到氫儲能目前不具備應用經(jīng)濟性，暫未引入）。具體而言，企業(yè)將電化學儲能用于光伏發(fā)電一次調(diào)峰，以提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量；以空分裝置為基礎，構建液化空氣儲能系統(tǒng)；通過煤氣柜存儲煤氣，調(diào)節(jié)自備電廠電力負荷變化；選用高溫熔鹽儲熱方式，對高爐煤氣燃燒加熱；通過熔鹽換熱產(chǎn)生高溫超高壓蒸汽，共用原有煤氣發(fā)電機組發(fā)電。儲能系統(tǒng)建成后，還需對其電力調(diào)度進行優(yōu)化，最大化發(fā)揮其儲能調(diào)峰作用，節(jié)約企業(yè)購電成本。

　　該企業(yè)將儲能系統(tǒng)分布式植入鋼鐵工藝流程中，減少了設備投資，增大了儲能容量，促進了新能源發(fā)電與鋼鐵的進一步結合。在儲能效率85%、電網(wǎng)電價0.6元/千瓦時的情況下，該企業(yè)儲能系統(tǒng)年收益9000萬元，靜態(tài)投資回收期僅4.5年，經(jīng)濟可行性良好。圖3為鋼鐵企業(yè)儲能系統(tǒng)構建示意圖。

　　結論與建議

　　當前，鋼鐵行業(yè)處于向“多能互補”用能新格局轉型的時期，鋼鐵行業(yè)及企業(yè)應擔當作為，攜手挖掘能源轉換潛力，實現(xiàn)極致能效，同時創(chuàng)新優(yōu)化能源結構，助力實現(xiàn)碳中和。

　　國家及行業(yè)層面。一是選擇優(yōu)秀企業(yè)、優(yōu)秀流程，進行鋼鐵流程多能互補、低碳高效運行模式及能源技術改造示范開發(fā)。二是立項支持能源高效轉換技術創(chuàng)新突破，如燒結豎式換熱裝置、焦爐荒煤氣余熱高效回收發(fā)電、轉爐煙氣余熱回收發(fā)電、冶金渣余熱高效回收等。三是對于能效標桿企業(yè)給予綠色信貸、減免停限產(chǎn)等方面的政策支持，并嚴格貫徹執(zhí)行可再生能源不納入能源總量的政策。

　　企業(yè)層面。其一，能效提升是鋼鐵行業(yè)當前乃至未來相當長一段時間的中心工作，鋼鐵企業(yè)都應以鋼鐵行業(yè)能效標桿三年行動方案為總綱，制訂本企業(yè)能效提升三年行動計劃，指導企業(yè)全系統(tǒng)分步實施節(jié)能降碳工作。

　　其二，主體工序能效達標桿是近期相對迫切的工作。此項工作建議緊緊圍繞國家相關政策、中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的《鋼鐵行業(yè)能效標桿三年行動方案》以及“三清單、兩標準、一系統(tǒng)”的總體部署來完成，特別是要高度重視并積極參與 “雙碳最佳實踐能效標桿示范廠”培育工作。

　　其三，能效提升是一項系統(tǒng)工程，建議鋼鐵企業(yè)在主體工序能效達標的基礎上，從余熱深度回收及梯級利用、能源網(wǎng)絡分布式耦合優(yōu)化、煤氣發(fā)電能效（自發(fā)電）提升、跨行業(yè)協(xié)同與碳氫元素原料利用耦合等多維度進行系統(tǒng)能效提升，切實降本增效。

　　其四，鋼鐵企業(yè)應高度重視能源結構優(yōu)化，充分利用鋼鐵余熱余能資源豐富的優(yōu)勢，嘗試構建符合自身特點的低碳多能互補能源體系以及多能存儲的儲能系統(tǒng)，推動太陽能、綠電等清潔能源應用比例增加，實現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

（熊超 溫燕明（作者熊超系冶金工業(yè)規(guī)劃研究院總設計師，溫燕明系原濟南鋼鐵集團副總經(jīng)理））