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    雙碳目標下的鋼鐵節能理念創新與能源結構重塑探討

    2022-01-13 蘭格鋼鐵網 17   

      習近平主席在聯合國大會上向國際社會鄭重宣布,“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”。鋼鐵行業是世界各國關注的重點碳排放行業,全球鋼鐵行業生產過程中排放的CO2約占全球溫室氣體排放總量的4%~5%,中國鋼鐵行業碳排放占全國排放總量的比例高于全球平均水平,中國鋼鐵工業面臨著巨大的壓力,必須走脫碳化發展道路。國內學者對鋼鐵低碳轉型進行了系統研究,中國鋼鐵低碳轉型發展路徑主要包括降低需求、提高能效、創新工藝3個方面,提高能源使用效率是實現CO2減排的重要手段之一。

      降低需求和創新工藝受經濟環境、產業協同及社會廢鋼積蓄量等諸多因素的影響,而節能及能效提升是能夠把控且最為行之有效的舉措,也是實現“碳達峰”戰略目標最重要、最經濟的手段?!疤贾泻汀睉鹇阅繕艘笳{整能源結構,大力發展可再生能源。國家明確提出要構建清潔低碳安全高效的能源體系,國家發改委、能源局2021年2月發布《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》,提出提升可再生能源消納水平,推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展。

      可再生能源有間斷不穩定的先天不足之處,較難實現連續穩定供能的要求。而鋼鐵行業有較大的節能潛力、豐富的二次能源,能夠與可再生能源形成良性互補。鋼鐵行業需創新節能理念、重塑能源結構,在認知、體制和機制等方面全面提升,充分發揮鋼鐵能源轉換功能,全面實現“碳達峰”“碳中和”戰略目標。

    1、鋼鐵用能現狀及特點

      中國鋼鐵工業節能工作取得積極進展,但仍存在工藝流程結構不合理、鋼鐵生產和能源利用匹配難、節能技術創新水平不高等問題,具有較大的節能潛力。

      鋼鐵聯合企業主要能源消耗為煤炭和電力,余熱余能資源巨大。副產煤氣是利用相對較好的二次能源,副產煤氣除了供應生產系統外,富余的還被送至煤氣電廠轉化為電力。得益于發電技術進步,目前超高溫亞臨界參數機組的效率超過40%,但是在煤氣及蒸汽耦合利用方面仍有提升潛力。

      對于部分容易被忽視的用能單位,如北方地區解凍庫,很多企業在冬季簡單使用高品位的焦爐煤氣燃燒產生的煙氣進行烘干解凍,存在嚴重的高能低用現象。

    2、鋼鐵用能的幾項基本原則

    2.1 熱力學定律

      熱力學定律是用能的基礎。熱力學第一定律說明能量在數量上是守恒的;熱力學第二定律指出各種形式的能量在質量上的不同,能源的轉換是有方向性的。能源利用基本原則就是保持輸入系統的能量與供給用戶所需的能量之間在數量上平衡,在質量上匹配,使系統熱效率和?效率達到最大化。

    2.2 系統最小外部損失

      外部的損失,即有形的損失,包括由廢氣、廢液、廢渣、冷卻水、各種中間物壓縮氣體或產品帶走的能量損失,以及跑、冒、滴、漏造成的損失,另外還有保溫不良的散熱損失等。這些損失多為表面的,較容易發現,目前大都已得到緩解或利用,只有保溫方面有進一步改善的空間。

    2.3 最佳推動力原則

      一切動力的傳輸和轉化過程,都是在一定的熱力勢差(溫度差、壓力差、電位差、化學位差等)推動下進行。需采取多種措施進行優化,以尋求過程進行的最佳推動力。按用戶所需能量的數量等級或品位要求,選擇適當的輸入、輸出能量進行匹配。用能的過程即為用能質量、品位合理優化,尋出最優推動力的過程。例如工藝加熱溫度只需要120 ℃時,供給加熱的蒸汽宜在0.3~0.5 MPa壓力范圍、130~150 ℃溫度范圍,不應使用0.8 MPa以上壓力的蒸汽。

    2.4 能源梯級利用原則

      能源梯級利用的基本原則是“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”,關鍵在于溫度對口,站在系統的高度綜合利用好各種能源,而不是追求單一生產設備或工藝的能源利用效率。

    3、鋼鐵多能互補與儲能相結合的創新理念

      中國鋼鐵行業節能工作的進步,得益于節能技術的不斷創新,更為重要的是堅持以上幾項用能原則進行系統節能。在“碳達峰”、“碳中和”的背景下,及鋼鐵節能空間日趨變窄的嚴峻形勢下,亟需在傳統節能理念的基礎上創新變革,加快推進鋼鐵能效提升,重塑鋼鐵能源結構。

      能源的多能互補創新,是極為重要的能源合理利用的方法措施,可以在不同條件下按不同方式進行合理應用,實現1 1>2的產出效益。多能互補將實現不同種類能源和燃料的相互補充與綜合利用,既包括不同種類能源的互補,也包括同一類能源不同種類燃料之間的互補。通過創新化學能釋放與利用理論,發展基于多能互補的分布式能源系統,有機結合多層次不同品位化學過程與動力循環,實現燃料化學能源與物理能的綜合梯級利用。儲能系統可有效解決余熱利用的間歇性、波動性及品質參差不齊的問題。構建多能互補與儲能系統相結合的能源體系,能源利用效率將會得到大幅提升,可再生能源也得以最佳利用。

      鋼鐵企業具有豐富的二次能源,與其他行業相比更具發展多能互補與儲能系統的條件,以下介紹幾項應用案例。

    3.1 鋼鐵二次能源與可再生能源的互補

      鋼鐵行業可發展的可再生能源利用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。寶武集團利用廠房屋頂建設光伏發電裝機容量已達90 MW,鞍鋼集團鲅魚基地建設了總裝機容量14 MW的風力發電機組。然而,可再生能源具有間斷不穩定的先天不足,較難實現連續穩定供能的要求。

      化石能源與可再生能源的互補在其他行業已經有了成功應用,如大唐天威嘉峪關10 MW光煤互補項目、內蒙古額濟納旗250 MW風光煤互補示范工程。這些示范工程以燃煤與光伏、可再生能源互補,其經濟性、潔凈度方面遠比不上鋼鐵企業的副產高爐煤氣、轉爐煤氣及焦爐煤氣??梢岳娩撹F副產煤氣可調節性強的優勢,與只能間斷供能的太陽能、風能組成一個多能互補供能系統,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。

      鋼鐵企業豐富的低溫余熱資源可用于生物質熱化學轉化制備生物質能,開展生物質能和鋼鐵余熱的“資源-能源-再資源”綜合利用,一方面增加鋼廠生物質能利用,另一方面也為鋼鐵企業拓展余熱利用功能增加了途徑,形成的生物炭可用于荒漠治理與碳匯。

    3.2 鋼鐵不同高低品位能源的互補

      鋼鐵余熱余能中煤氣是屬于高品位能源,而煙氣的品位較低,參數(流量、壓力及溫度)有較大的波動性,且鋼鐵生產對低壓蒸汽的需求量很少,多數只能用于產生較低壓力、溫度的蒸汽進行冷凝式發電,發電效率較低(10%左右)。

    3.3 儲能系統的創新應用

      儲能是能源科學技術中的一個重要領域。在能量轉換和利用的過程中,常常存在供求之間在時間和空間上的不匹配,如電力負荷的波峰波谷,太陽能、風能和海洋能等清潔能源的間歇性,工業窯爐的間斷運行等。由于儲能技術可以解決熱能供求在時間和空間上的不匹配,因而是提高能源利用效率的有效手段。

      儲能在鋼鐵生產一直有被應用,煤氣系統中的“煤氣柜”作為煤氣緩沖與儲存裝置,在系統中可以視為儲能(蓄能)設備,這是鋼鐵工業能源系統中最為重要的蓄能設施;蒸汽系統中,蒸汽蓄能器也是一種重要的蓄能裝置。

      在新的發展形勢下,要更加注重儲能系統在鋼鐵生產中的創新應用。對于燒結、轉爐等波動較大的熱源,設置儲能(儲熱)裝置在煙氣量大或煙氣溫度偏高時,將鍋爐入口煙氣通過接出的分支管道,分流給煙氣儲能裝置進行熱量儲存;當煙氣不足時,儲能裝置切換到放熱模式,將儲能裝置存儲的熱量以煙氣的形式放熱進入鍋爐,維持鍋爐進口煙氣量和煙氣溫度的穩定,從而維持汽輪發電機組進汽量和進汽溫度的穩定,增加機組運行穩定性。當用戶用電有峰谷價差時,將谷電時段進入燒結余熱鍋爐的部分煙氣分流進入煙氣儲能裝置進行熱量存儲,在峰電時將熱量放出;通過煙氣儲能裝置將部分谷電發電量轉移至峰電時間段,獲取峰谷電價所帶來的經濟效益。同時儲能裝置還能解決爐側短時故障帶來的緊急停機、系統防凍等功能問題。儲能系統一般由煙氣固體儲熱裝置、煙風管道系統、除灰系統等組成。

      儲能系統的創新應用給鋼鐵企業帶來多種益處:一是穩定煤氣、蒸汽的參數提高余熱發電機組發電效率;二是利用電網的谷價電生產,由儲熱系統將余熱儲存,在電價高峰時段用儲存的余熱發電,企業少用電網的峰價電,通過峰谷套利的形式獲得穩定的經濟效益;三是參與電力輔助服務,通過低成本電力和服務補貼,增加企業收益。

    4、能源資源環境、高效清潔低碳一體化協同創新

      在“碳達峰”、“碳中和”背景下,從中長期看要求鋼鐵行業乃至全社會實現能源資源環境、高效清潔低碳一體化協同創新,主要包括以下發展方向:加速發展綠色能源,包括開發應用可再生能源與清潔能源;化石能源的潔凈化利用,積極探索清潔高效或零排放的可持續發展潔凈能源技術與系統,實現能源、資源與環境一體化,通過開拓燃料化學能利用或釋放新方式,探索燃料化學能傳遞和釋放過程中有效分離污染物的方法,同時實現燃料化學能的高效利用與污染物低能耗分離回收。

      鋼鐵生產過程是一個高溫物理化學反應及二次能源集成耦合優化的過程?;は到y只注重產品的回收率及其品質質量是否達標,能源系統只注重能源轉換效率,生態系統則只注重各種環境指標能否達標。但從總系統分析,以上化工、能源、生態若按單系統考慮均會出現問題。從長期來看,若要從根本上克服鋼鐵能源系統波動大及一次性粗放燃燒的特點,需以更高的站位,走能源資源環境、高效清潔低碳一體化協同創新道路,構建化工-能源-生態一體化用能系統,進行合理優化與集成,實現能效提升及協同碳減排。

      化工-能源-生態一體化用能系統一般需關注以下方向:一是實現化學能與物理能的綜合梯級利用;二是打破獨立循環系統各自發展造成的阻礙熱力與環保性能提高的障礙,以實現不同用能循環的有機整合;三是尋求關鍵技術、材料、工質等的突破,以實現更高層次的循環系統集成。

    5、結論

    (1)中國鋼鐵低碳轉型發展路徑主要包括降低需求、提高能效、創新工藝3個方面,提高能源使用效率是實現CO2減排的重要手段之一。

    (2)鋼鐵行業存在較大的節能潛力,尤其在煤氣及蒸汽耦合利用等方面存在較大的提升潛力;鋼鐵行業擁有豐富的二次能源,但該能源具有間歇性、波動性及品質參差不齊的特征。

    (3)熱力學定律、系統最小外部損失、最佳推動力、能源梯級利用等原則,是鋼鐵節能工作的基本理念,必須堅決執行。

    (4)在“碳達峰”“碳中和”的背景下,及鋼鐵節能空間日趨變窄的嚴峻形勢下,亟需在傳統節能理念的基礎上創新變革,構建多能互補與儲能系統相結合的能源體系,加大可再生能源應用比例,加快推進鋼鐵能效提升及能源結構優化。

    (5)中長期來看,需以更高的站位走能源資源環境、高效清潔低碳一體化協同創新道路,構建化工-能源-生態一體化用能系統,進行合理優化與集成,實現能效提升及協同碳減排。


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