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          從“節能”到“用能”—“雙碳”目標下我國鋼鐵能源轉型變革之路
          發布人:admin 發布時間:2022-05-26 瀏覽次數:151次

          能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎,人類社會文明的每一次重大進步都伴隨著能源利用的改進和革命。為應對能源供需矛盾、生態文明建設、經濟高質量發展帶來的挑戰,我國始終堅持能源轉型戰略。站在新的歷史方位,面對日益復雜的國際形勢和日益嚴峻的氣候變化挑戰,我國提出碳達峰、碳中和戰略目標,對能源轉型發展提出了新要求。

           《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,提出到“2025年非化石能源消費比重達到20%左右;2030年非化石能源消費比重達到25%左右;2060年,清潔低碳安全高效的能源體系全面建立,非化石能源消費比重達到80%以上”“把節約能源資源放在首位,大幅提升能源利用效率”。2022年政府工作報告明確提出“有序推進碳達峰碳中和工作,落實碳達峰行動方案,推動能源革命,確保能源供應,立足資源稟賦,堅持先立后破,通盤考慮,推動能源低碳轉型?!薄丁笆奈濉爆F代能源體系規劃》更是作出了“我國步入構建現代能源體系的新階段”的判斷。

           近日,習近平總書記在文章《正確認識和把握我國發展重大理論和實踐問題》中對能源和“雙碳”工作作出重要論述,文章再次強調了“堅持節約優先”“發展可再生能源,推動煤炭和新能源優化組合,增加新能源消納能力”“要深入推動能源革命”等重要觀點。

           鋼鐵是國民經濟的重要基礎產業,同時也是能源消耗大戶,冶金工業規劃研究院長期致力于幫助鋼鐵行業、企業提升能源利用水平,總結提出我國鋼鐵能源轉型歷程按照時間和能源種類兩個維度大致分為四個階段,即一次能源“使用”階段、二次能源“利用”階段、新舊能源“混用”階段以及未來能源“通用”階段,并分別進行了回顧、剖析與展望。需要說明的是,這四個階段之間并沒有明確的邊界,兩個階段之間也會存在一定時間段的交疊期。 

          一次能源“使用”階段——節約優先 

           一次能源“使用”階段從“五五”開始,我國提出“能源開發與節約并重,把節約放在優先位置”的方針,將節能納入國家經濟和社會發展計劃,鋼鐵工業大力加強節能工作,鋼鐵企業的能源管理逐步走上了科學化和制度化軌道。

           進入“七五”以后,鋼鐵工業能源工作主要是搞好“三個轉向”,即節能工作的著眼點從單體設備、工序的節能轉向企業的整體節能;節能管理方式從經驗管理轉向現代化管理,提高管理工作水平和效率;節能管理體系從單一節能部門轉向整個企業管理體系的分工協作綜合管理。通過氧氣轉爐取代平爐、連鑄取代模鑄、一火成材取代多火成材等系列生產結構調整及工藝流程優化,鋼鐵制造流程逐漸趨于連續化、緊湊化、減量化。

           “九五”以后,鋼鐵工業工作重點是生產設備技術改造和建設大型節能裝置,如發展連鑄、提高噴煤比。中國鋼鐵工業從單體節能擴展到系統節能,通過生產結構調整和工藝流程優化等措施,使得鋼鐵工業噸鋼能耗第一次出現大幅度下降,能耗指標下降200kgce/t。

           在一次能源“使用”階段,能源使用相對粗放,甚至在一定時間段重油曾被廣泛用作高爐噴吹燃料,加熱爐、鐵礦石燒結和鐵礦石球團法的點火、焙燒等。

          二次能源“利用”階段——提高效率 

           從“十五”開始進入二次能源“利用”階段,鋼鐵行業開始大力推廣應用“三干、三利用”節能減排新技術,“三干”即干熄焦、高爐干法除塵、轉爐干法除塵;“三利用”即可燃氣體、工業用水和工業廢棄物的全面回收和綜合利用。在《冶金流程工程學》的指引下,我國鋼鐵企業開始關注鋼鐵制造流程“能源轉換功能”的開發,這個階段更加注重實現系統能源效率的最大化,逐步推進實現從單體工序節能向系統節能的真正轉變。

           鋼鐵生產消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放出,其溫度上至1500℃,下至近于環境溫度的廣泛范圍,主要分為副產煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱:副產煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣,一般歸為余能,但其顯熱及壓力能屬于余熱;排氣余熱多為爐窯排出廢氣帶走的熱,占余熱資源總量的一半左右,溫度范圍為250℃~1000℃;固體余熱包括燒結礦、紅焦炭、高爐渣、轉爐渣及鑄坯等,一般在500℃以上;廢汽廢水余熱包括蒸汽冷凝水、鍋爐汽包的排污水(90℃~100℃)、高爐沖渣水(70℃~90℃)等??梢哉f,鋼鐵工業的二次能源是一座巨大的寶藏庫,亟待開發利用。

           在此期間,隨著副產煤氣發電、TRT(BPRT)、燒結余熱發電、干熄焦等余熱余能利用技術廣泛應用,鋼鐵企業煤氣損失率逐年降低、自發電比例不斷提高,鋼鐵工業二次能源利用取得顯著進步。副產煤氣是利用相對較好的二次能源,副產煤氣除供應生產系統外,富余的被送至煤氣電廠轉化為電力。得益于發電技術進步,目前高參數煤氣發電機組的效率超過40%,重點大中型鋼鐵企業余熱余能自發電率超過53%。重點大中型鋼鐵企業噸鋼轉爐煤氣回收量平均值達到117m3,TRT(BPRT)配備率達99%以上,干熄焦配備率達93%以上,同時擁有世界上最大單機低熱值燃氣-蒸汽聯合循環發電機組,超臨界煤氣發電、燒結余熱回收利用技術、飽和蒸汽發電技術等已經處于世界領先水平。

           鋼鐵二次能源利用也存在一些尚未解決的問題,包括余熱余能的回收往往重視回收輕視利用效率,能源介質長距離輸送,煤氣及蒸汽存在階段性不平衡及耦合利用方面仍有提升潛力,部分耗能設備介質使用沒有做到能級匹配和溫度對口,熔融鋼渣余熱等中低溫余熱尚未利用等。目前,焦化燃燒室排煙余熱、燒結余熱、高爐余熱、轉爐煉鋼余熱、電爐余熱、軋鋼加熱爐煙氣余熱等余熱資源,溫度相對較低,流量波動較大。對于余熱資源波動問題,多數企業設置蒸汽蓄熱器來解決,但效果仍不理想。鋼鐵企業的蒸汽需求量較少,只能產生低品位飽和蒸汽用于發電,效率較低。

          新舊能源“混用”階段——協調互補

           隨著“雙碳”目標的提出,“碳中和”戰略目標要求調整能源結構大力發展可再生能源,但是包括鋼鐵行業在內的全社會以煤為主的能源結構短期內不會改變,鋼鐵工業進入新舊能源“混用”階段。在這個階段,需要統籌化石能源與可再生能源協調互補,在立足以煤為主的能源稟賦基本國情的基礎上,以儲能系統為支撐逐步加強新能源的應用和消納。

           鋼鐵行業可發展的可再生能源有光伏發電和風力發電,鋼鐵企業大面積的廠房具有發展屋頂光伏發電的天然優勢,臨江靠海的鋼鐵企業具有發展風力發電的資源條件??稍偕茉从虚g斷不穩定的先天不足,較難實現連續穩定供能的要求,而鋼鐵企業有豐富的二次能源,能夠與可再生能源形成良性互補。因此,如何實現新能源消納成為鋼鐵能源轉型的關鍵環節。鋼鐵企業在引入新能源發電后,會給企業用能安全性和用能經濟性帶來一定的影響。首先,引入新能源發電對鋼鐵企業原有電力利用、余熱余能發電均形成影響,引起電網關口電量的大幅波動;其次,新能源發電的大容量接入,企業自發電比例提高,午間將富余電量以低價上網,晚高峰以峰價從電網購電,效益受到影響。某鋼鐵企業引入新能源發電對現有系統的影響。企業自發電200MW,其中煤氣發電180MW(2臺100MW)、余熱發電13.4MW,TRT發電5.9MW,不足部分約150MW由電網購入;引入300MW地面光伏及20MW屋頂光伏后,晴天正午最大富余功率約138MW,晚間差額約150MW。

           儲能系統可以有效解決能量供求之間在時間和空間上不匹配的矛盾,是新能源與可再生能源發展的核心支撐。在這個階段,需要基于鋼鐵流程特點,利用鋼鐵二次能源可調節性強的優勢,以儲熱、電化學儲能、空分儲能、煤氣柜等儲能系統為重要橋梁,與可再生能源構建多能互補與儲能相結合的能源體系,并探索可再生能源與副產煤氣、余熱余壓自發電機組相銜接的智慧電力供應網絡建設,促進能源結構清潔低碳化。 

          未來能源“通用”階段——聯通共享 

           人類的終極能源將是綠電、綠氫為核心的能源系統,鋼鐵行業亦是如此。

           近日,國家發展改革委、國家能源局等十部門聯合印發了《關于進一步推進電能替代的指導意見》,明確提出進一步拓展電能替代的廣度和深度,提高電能占終端能源消費比重,大力推進工業領域電氣化。電力長期以來一直是鋼鐵工業占比次高的重要能源(按當量值口徑占比約6%),伴隨著電力的逐步“綠化”,未來鋼鐵行業更要持續推進電氣化,大幅提高電能的應用比例,加快推廣以電代煤、以電代油、以電代氣。采用電爐直接冶煉廢鋼,可最大程度用電能替代煤類能源實現減碳,尤其是采用綠電冶煉時,幾乎可做到零碳排放。金屬化微波燒結、燒結SHRT、高爐BPRT、精煉機械真空泵、軋鋼電加熱、煤氣管道電伴熱、電能重卡、電動皮帶廊等均是非常好的電能替代場景。

           盡管電能替代會在鋼鐵脫碳進程中發揮重要作用,但是80%左右來源于原料與生產高品位熱能的碳排放無法通過電能替代實現脫碳,氫能是解決這一問題的有效途徑。氫能在鋼鐵的應用場景包括氫冶金、氫能重卡、熱處理爐保護氣等,其中氫冶金包括高爐富氫冶煉、氫基豎爐直接還原、氫基熔融還原等,國內外已經開展了大量的技術探索,國內中國寶武、河鋼、酒鋼、晉南鋼鐵等企業都已經在氫冶金研發應用方面取得一定進展,氫能的利用是鋼鐵工業脫碳過程中的關鍵。

           氫能屬于二次可再生能源,既可以作為儲能側的“穩定器”,也可以作為用電側的“燃料源”,可充當能源緩沖載體提高能源系統柔性。未來,氫能將扮演高效清潔的可再生二次能源、盤活智慧的能源載體、綠色低碳的工業原料三重角色,大力發展氫能、強化綠氫與綠電的互補是最終優化解決可再生能源轉型替代的關鍵。甲醇(CH3OH)是氫的優質載體,以氫制取甲醇實際上是將氫的能量轉移到甲醇中;甲醇與氫氣相比運輸成本更低、更安全,當需要用氫氣時可以通過槽罐車或管道運輸至相應區域,通過氣化裝置制取氫氣。甲醇同時是基本的化工中間體,可替代汽油及廣泛地應用于化學工業,可以解決我國液體燃料短缺和清潔替代問題。

           在未來建設以新能源為主體的新型電力系統背景下,鋼鐵行業能源系統應以電能替代和氫能替代為主線,綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產的各個環節。因此,構建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統,以甲醇作為優質載體,加上氫冶金技術的創新與應用,使鋼鐵擺脫對化石能源的依賴,從源頭上解決碳排放問題,是實現低碳甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時依靠“互聯網+”加快能源數字化、智能化升級,提高能源系統靈活感知及高效運行能力,最終實現能源系統聯通共享。鋼鐵以“綠氫+綠電”為核心的能源系統。

          結論與建議 

           碳達峰碳中和“1+N”政策體系和《“十四五”現代能源體系規劃》對未來能源發展和轉型路徑作了系統性部署,鋼鐵作為重要基礎產業,責無旁貸地走上能源轉型變革之路。

           鋼鐵行業走過了一次能源“使用”階段,正在由二次能源“利用”階段走向新舊能源“混用”階段,在這個關鍵的轉型期,需要統籌化石能源與非化石能源協調互補,在立足以煤為主的基本國情基礎上,以儲能系統為支撐逐步加強新能源的應用和消納,構建多能互補與儲能相結合的能源體系。

           在未來建設以新能源為主體的新型電力系統背景下,鋼鐵行業能源系統應以電能替代和氫能替代為主線,綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產的各個環節。因此,構建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統,以甲醇作為優質載體,加上氫冶金技術的創新與應用,使鋼鐵擺脫對化石能源的依賴,從源頭上解決碳排放問題,是實現低碳甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時依靠“互聯網+”加快能源數字化、智能化升級,提高能源系統靈活感知及高效運行能力,最終實現能源系統聯通共享。

           對于鋼鐵企業而言,每家企業的生產方式、裝備水平、流程結構、地域能源供應條件均有所差異,發展階段也不盡相同。因此,建議鋼鐵企業要正確認識和把握“雙碳”進程中能源轉型的重要性,開展能源專項咨詢,客觀評估能效水平并制定措施以達到國家政策要求,提升余熱余能自發電率降低用能成本,構建多能互補與儲能相結合的用能體系促進新能源消納,為企業爭取更大的發展空間以應對能耗雙控的不利影響,提前布局氫能等未來能源系統實現能源轉型高質量發展。

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