《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》明確提出優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)等鋼鐵企業(yè)節(jié)能降碳的實施路徑，提出加強(qiáng)新能源利用，增強(qiáng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動，加快新型儲能規(guī)?；瘧?yīng)用等要求。此前，國家相關(guān)部委也圍繞“雙碳”目標(biāo)推出多項政策，如《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（國家發(fā)展改革委、國家能源局）、《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》（工信部）、《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》和《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（國家發(fā)展改革委、國家能源局）等都明確提出加快鋼鐵行業(yè)綠色升級，通過建設(shè)儲能電站、源網(wǎng)荷儲一體化示范項目等，促進(jìn)高耗能企業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)處于向“多能互補(bǔ)”用能新格局轉(zhuǎn)型的時期，多數(shù)鋼鐵企業(yè)仍比較迷茫，僅進(jìn)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(yùn)行效率低、耗散損失大。為此，鋼鐵行業(yè)亟須構(gòu)建以儲能為核心的閉環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，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(bǔ)，是當(dāng)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(jié)構(gòu)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(bǔ)能源體系及儲能系統(tǒng)的構(gòu)建對鋼鐵企業(yè)尤為關(guān)鍵。鋼鐵企業(yè)通過構(gòu)建新型低碳多能互補(bǔ)能源體系及儲能系統(tǒng)，形成企業(yè)用戶側(cè)“源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)系統(tǒng)”，既可系統(tǒng)提升能效，又可增加新能源應(yīng)用、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。
多能互補(bǔ) 實現(xiàn)能源利用“1+1＞2”
多能互補(bǔ)的目的是在不同條件下按照不同方式對能源進(jìn)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(bǔ)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(cè)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(jìn)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(bǔ)的優(yōu)化路徑——
針對燒結(jié)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(bǔ)燃一部分煤氣，產(chǎn)生1000攝氏度高溫?zé)煔猓⑴c部分400攝氏度煙氣混合，在補(bǔ)氣燃燒室中煙氣溫度達(dá)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(dá)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(bǔ)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?fàn)t、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(jìn)氣進(jìn)行加溫以提高排煙溫度，再補(bǔ)燃高爐煤氣進(jìn)行高溫燃燒，實現(xiàn)高、低位煙氣互補(bǔ)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(shù)，輔以少量蒸汽，提高循環(huán)水的溫度后再供出。
拓展傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)功能 提高發(fā)電效率和峰谷效益
儲能技術(shù)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(shè)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(shè)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(jìn)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(dāng)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(zhuǎn)爐余熱蒸汽波動問題，可將間斷性供汽轉(zhuǎn)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(jìn)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?xì)馐竭^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(chǔ)上進(jìn)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。
創(chuàng)新應(yīng)用新型儲能系統(tǒng) 解決能源供求時空不匹配問題
在鋼鐵企業(yè)，有一定應(yīng)用場景的新型儲能系統(tǒng)包括儲熱系統(tǒng)、電化學(xué)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(jī)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(jī)組耦合，結(jié)合峰谷電價、能源數(shù)字化、生產(chǎn)電力負(fù)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(jī)組外，儲熱技術(shù)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(jié)余熱發(fā)電儲熱調(diào)峰系統(tǒng)。目前，山西建龍正在建設(shè)鋼鐵行業(yè)首套煤氣熔鹽儲熱調(diào)峰項目，預(yù)計2023年下半年投運(yùn)。
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(jī)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(jìn)可再生能源消納，實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程低碳運(yùn)行。圖1為儲熱系統(tǒng)示意圖。
電化學(xué)儲能。電化學(xué)儲能轉(zhuǎn)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(yīng)速度快（毫秒級）。在電源側(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑能源出力等功能；在電網(wǎng)側(cè)，可參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等電力輔助服務(wù)和電能質(zhì)量改善。
當(dāng)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(fēng)、光強(qiáng)度而波動，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力波動較為復(fù)雜，存在棄“風(fēng)”棄“光”等現(xiàn)象，因此，需要儲能系統(tǒng)對富余發(fā)電量進(jìn)行儲存，同時對電網(wǎng)波動進(jìn)行調(diào)頻處理。電化學(xué)儲能作為新能源發(fā)電的強(qiáng)制配套措施，配套過少易導(dǎo)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(fù)雜，需要同時考慮鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序的用能及負(fù)荷波動情況，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。
液化空氣儲能?？辗盅b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(shè)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(fù)荷生產(chǎn)能力，可利用分時電價進(jìn)行錯峰生產(chǎn)，在電價高時低負(fù)荷生產(chǎn)，在電價低時高負(fù)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(jī)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(fù)荷的調(diào)節(jié)。
液化空氣儲能技術(shù)的原理是通過低溫液化技術(shù)利用過剩電能，將常溫常壓空氣液化存儲在貯槽，將電能轉(zhuǎn)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(jī)，深冷能轉(zhuǎn)化成電能補(bǔ)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(shè)備有機(jī)耦合，可以最大化節(jié)約設(shè)備投資成本，提高儲能經(jīng)濟(jì)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(bǔ)，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(yīng)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(fēng)電、光電通過電解制氫進(jìn)行存儲，促進(jìn)新能源平滑并網(wǎng)，緩解棄“風(fēng)”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(gòu)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(yùn)氫氣。尤其是當(dāng)氫氣應(yīng)用到交通領(lǐng)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(zhǔn)，“將氫的儲存運(yùn)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(shù)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(yīng)用有著良好的協(xié)同促進(jìn)關(guān)系，鋼鐵企業(yè)既是產(chǎn)氫單位又是用氫單位，應(yīng)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(shù)和材料限制，目前還存在效率低、成本高問題。結(jié)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(shù)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(bǔ)，提高能源使用效率。
集成應(yīng)用儲能系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)可行性良好
以國內(nèi)某北方鋼企進(jìn)行儲能系統(tǒng)集成應(yīng)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(jī)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(jié)余熱發(fā)電機(jī)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(shè)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(yù)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(bǔ)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(yīng)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(yīng)的企業(yè)電力調(diào)控機(jī)制。
針對新能源引入后的用能安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，該企業(yè)構(gòu)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(gòu)建起由電化學(xué)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(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，暫未引入）。具體而言，企業(yè)將電化學(xué)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(chǔ)，構(gòu)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(fù)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(jī)組發(fā)電。儲能系統(tǒng)建成后，還需對其電力調(diào)度進(jìn)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(shè)備投資，增大了儲能容量，促進(jìn)了新能源發(fā)電與鋼鐵的進(jìn)一步結(jié)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(jì)可行性良好。圖3為鋼鐵企業(yè)儲能系統(tǒng)構(gòu)建示意圖。
結(jié)論與建議
當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)處于向“多能互補(bǔ)”用能新格局轉(zhuǎn)型的時期，鋼鐵行業(yè)及企業(yè)應(yīng)擔(dān)當(dāng)作為，攜手挖掘能源轉(zhuǎn)換潛力，實現(xiàn)極致能效，同時創(chuàng)新優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，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(jìn)行鋼鐵流程多能互補(bǔ)、低碳高效運(yùn)行模式及能源技術(shù)改造示范開發(fā)。二是立項支持能源高效轉(zhuǎn)換技術(shù)創(chuàng)新突破，如燒結(jié)豎式換熱裝置、焦?fàn)t荒煤氣余熱高效回收發(fā)電、轉(zhuǎn)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(biāo)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(yán)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(dāng)前乃至未來相當(dāng)長一段時間的中心工作，鋼鐵企業(yè)都應(yīng)以鋼鐵行業(yè)能效標(biāo)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(dǎo)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(dá)標(biāo)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(guān)政策、中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的《鋼鐵行業(yè)能效標(biāo)桿三年行動方案》以及“三清單、兩標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)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(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，從余熱深度回收及梯級利用、能源網(wǎng)絡(luò)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?xì)湓卦侠民詈系榷嗑S度進(jìn)行系統(tǒng)能效提升，切實降本增效。
其四，鋼鐵企業(yè)應(yīng)高度重視能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，充分利用鋼鐵余熱余能資源豐富的優(yōu)勢，嘗試構(gòu)建符合自身特點的低碳多能互補(bǔ)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(yīng)用比例增加，實現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。（熊超 溫燕明）
上篇詳見6月8日02版
（作者熊超系冶金工業(yè)規(guī)劃研究院總設(shè)計師，溫燕明系原濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)副總經(jīng)理）
