習近平主席在聯(lián)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(xiàn)碳中和”。鋼鐵行業(yè)是世界各國關(guān)注的重點碳排放行業(yè)，全球鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)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(yè)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(yè)面臨著巨大的壓力，必須走脫碳化發(fā)展道路。國內(nèi)學者對鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型進行了系統(tǒng)研究，中國鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑主要包括降低需求、提高能效、創(chuàng)新工藝3個方面，提高能源使用效率是實現(xiàn)CO2減排的重要手段之一。

  降低需求和創(chuàng)新工藝受經(jīng)濟環(huán)境、產(chǎn)業(yè)協(xié)同及社會廢鋼積蓄量等諸多因素的影響，而節(jié)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(xiàn)“碳達峰”戰(zhàn)略目標最重要、最經(jīng)濟的手段。“碳中和”戰(zhàn)略目標要求調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源。國家明確提出要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，國家發(fā)改委、能源局2021年2月發(fā)布《關(guān)于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)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(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展。

  可再生能源有間斷不穩(wěn)定的先天不足之處，較難實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供能的要求。而鋼鐵行業(yè)有較大的節(jié)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(yè)需創(chuàng)新節(jié)能理念、重塑能源結(jié)構(gòu)，在認知、體制和機制等方面全面提升，充分發(fā)揮鋼鐵能源轉(zhuǎn)換功能，全面實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略目標。

1、鋼鐵用能現(xiàn)狀及特點

  中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作取得積極進展，但仍存在工藝流程結(jié)構(gòu)不合理、鋼鐵生產(chǎn)和能源利用匹配難、節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新水平不高等問題，具有較大的節(jié)能潛力。

  鋼鐵聯(lián)合企業(yè)主要能源消耗為煤炭和電力，余熱余能資源巨大。副產(chǎn)煤氣是利用相對較好的二次能源，副產(chǎn)煤氣除了供應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)外，富余的還被送至煤氣電廠轉(zhuǎn)化為電力。得益于發(fā)電技術(shù)進步，目前超高溫亞臨界參數(shù)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(qū)解凍庫，很多企業(yè)在冬季簡單使用高品位的焦爐煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣進行烘干解凍，存在嚴重的高能低用現(xiàn)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(chǔ)。熱力學第一定律說明能量在數(shù)量上是守恒的；熱力學第二定律指出各種形式的能量在質(zhì)量上的不同，能源的轉(zhuǎn)換是有方向性的。能源利用基本原則就是保持輸入系統(tǒng)的能量與供給用戶所需的能量之間在數(shù)量上平衡，在質(zhì)量上匹配，使系統(tǒng)熱效率和?效率達到最大化。

2.2 系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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(yōu)化，以尋求過程進行的最佳推動力。按用戶所需能量的數(shù)量等級或品位要求，選擇適當?shù)妮斎搿⑤敵瞿芰窟M行匹配。用能的過程即為用能質(zhì)量、品位合理優(yōu)化，尋出最優(yōu)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(yīng)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(guān)鍵在于溫度對口，站在系統(tǒng)的高度綜合利用好各種能源，而不是追求單一生產(chǎn)設(shè)備或工藝的能源利用效率。

3、鋼鐵多能互補與儲能相結(jié)合的創(chuàng)新理念

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

  能源的多能互補創(chuàng)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(yīng)用，實現(xiàn)1 1＞2的產(chǎn)出效益。多能互補將實現(xiàn)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(chuàng)新化學能釋放與利用理論，發(fā)展基于多能互補的分布式能源系統(tǒng)，有機結(jié)合多層次不同品位化學過程與動力循環(huán)，實現(xiàn)燃料化學能源與物理能的綜合梯級利用。儲能系統(tǒng)可有效解決余熱利用的間歇性、波動性及品質(zhì)參差不齊的問題。構(gòu)建多能互補與儲能系統(tǒng)相結(jié)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(yè)具有豐富的二次能源，與其他行業(yè)相比更具發(fā)展多能互補與儲能系統(tǒng)的條件，以下介紹幾項應(yīng)用案例。

3.1 鋼鐵二次能源與可再生能源的互補

  鋼鐵行業(yè)可發(fā)展的可再生能源利用有光伏發(fā)電和風力發(fā)電，鋼鐵企業(yè)大面積的廠房具有發(fā)展屋頂光伏發(fā)電的天然優(yōu)勢，臨江靠海的鋼鐵企業(yè)具有發(fā)展風力發(fā)電的資源條件。寶武集團利用廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電裝機容量已達90 MW，鞍鋼集團鲅魚基地建設(shè)了總裝機容量14 MW的風力發(fā)電機組。然而，可再生能源具有間斷不穩(wěn)定的先天不足，較難實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供能的要求。

  化石能源與可再生能源的互補在其他行業(yè)已經(jīng)有了成功應(yīng)用，如大唐天威嘉峪關(guān)10 MW光煤互補項目、內(nèi)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(jīng)濟性、潔凈度方面遠比不上鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣及焦爐煤氣。可以利用鋼鐵副產(chǎn)煤氣可調(diào)節(jié)性強的優(yōu)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(tǒng)，并探索可再生能源與副產(chǎn)煤氣、余熱余壓自發(fā)電機組相銜接的智慧電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，促進能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化。

  鋼鐵企業(yè)豐富的低溫余熱資源可用于生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化制備生物質(zhì)能，開展生物質(zhì)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(zhì)能利用，另一方面也為鋼鐵企業(yè)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(shù)（流量、壓力及溫度）有較大的波動性，且鋼鐵生產(chǎn)對低壓蒸汽的需求量很少，多數(shù)只能用于產(chǎn)生較低壓力、溫度的蒸汽進行冷凝式發(fā)電，發(fā)電效率較低（10%左右）。

3.3 儲能系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用

  儲能是能源科學技術(shù)中的一個重要領(lǐng)域。在能量轉(zhuǎn)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(yè)窯爐的間斷運行等。由于儲能技術(shù)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(chǎn)一直有被應(yīng)用，煤氣系統(tǒng)中的“煤氣柜”作為煤氣緩沖與儲存裝置，在系統(tǒng)中可以視為儲能（蓄能）設(shè)備，這是鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)中最為重要的蓄能設(shè)施；蒸汽系統(tǒng)中，蒸汽蓄能器也是一種重要的蓄能裝置。

  在新的發(fā)展形勢下，要更加注重儲能系統(tǒng)在鋼鐵生產(chǎn)中的創(chuàng)新應(yīng)用。對于燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等波動較大的熱源，設(shè)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(wěn)定，從而維持汽輪發(fā)電機組進汽量和進汽溫度的穩(wěn)定，增加機組運行穩(wěn)定性。當用戶用電有峰谷價差時，將谷電時段進入燒結(jié)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(fā)電量轉(zhuǎn)移至峰電時間段，獲取峰谷電價所帶來的經(jīng)濟效益。同時儲能裝置還能解決爐側(cè)短時故障帶來的緊急停機、系統(tǒng)防凍等功能問題。儲能系統(tǒng)一般由煙氣固體儲熱裝置、煙風管道系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)等組成。

  儲能系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用給鋼鐵企業(yè)帶來多種益處：一是穩(wěn)定煤氣、蒸汽的參數(shù)提高余熱發(fā)電機組發(fā)電效率；二是利用電網(wǎng)的谷價電生產(chǎn)，由儲熱系統(tǒng)將余熱儲存，在電價高峰時段用儲存的余熱發(fā)電，企業(yè)少用電網(wǎng)的峰價電，通過峰谷套利的形式獲得穩(wěn)定的經(jīng)濟效益；三是參與電力輔助服務(wù)，通過低成本電力和服務(wù)補貼，增加企業(yè)收益。

4、能源資源環(huán)境、高效清潔低碳一體化協(xié)同創(chuàng)新

  在“碳達峰”、“碳中和”背景下，從中長期看要求鋼鐵行業(yè)乃至全社會實現(xiàn)能源資源環(huán)境、高效清潔低碳一體化協(xié)同創(chuàng)新，主要包括以下發(fā)展方向：加速發(fā)展綠色能源，包括開發(fā)應(yīng)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(xù)發(fā)展?jié)崈裟茉醇夹g(shù)與系統(tǒng)，實現(xiàn)能源、資源與環(huán)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(xiàn)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(chǎn)過程是一個高溫物理化學反應(yīng)及二次能源集成耦合優(yōu)化的過程。化工系統(tǒng)只注重產(chǎn)品的回收率及其品質(zhì)質(zhì)量是否達標，能源系統(tǒng)只注重能源轉(zhuǎn)換效率，生態(tài)系統(tǒng)則只注重各種環(huán)境指標能否達標。但從總系統(tǒng)分析，以上化工、能源、生態(tài)若按單系統(tǒng)考慮均會出現(xiàn)問題。從長期來看，若要從根本上克服鋼鐵能源系統(tǒng)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(huán)境、高效清潔低碳一體化協(xié)同創(chuàng)新道路，構(gòu)建化工-能源-生態(tài)一體化用能系統(tǒng)，進行合理優(yōu)化與集成，實現(xiàn)能效提升及協(xié)同碳減排。

  化工-能源-生態(tài)一體化用能系統(tǒng)一般需關(guān)注以下方向：一是實現(xiàn)化學能與物理能的綜合梯級利用；二是打破獨立循環(huán)系統(tǒng)各自發(fā)展造成的阻礙熱力與環(huán)保性能提高的障礙，以實現(xiàn)不同用能循環(huán)的有機整合；三是尋求關(guān)鍵技術(shù)、材料、工質(zhì)等的突破，以實現(xiàn)更高層次的循環(huán)系統(tǒng)集成。

5、結(jié)論

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

（2）鋼鐵行業(yè)存在較大的節(jié)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(yè)擁有豐富的二次能源，但該能源具有間歇性、波動性及品質(zhì)參差不齊的特征。

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

（4）在“碳達峰”“碳中和”的背景下，及鋼鐵節(jié)能空間日趨變窄的嚴峻形勢下，亟需在傳統(tǒng)節(jié)能理念的基礎(chǔ)上創(chuàng)新變革，構(gòu)建多能互補與儲能系統(tǒng)相結(jié)合的能源體系，加大可再生能源應(yīng)用比例，加快推進鋼鐵能效提升及能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（5）中長期來看，需以更高的站位走能源資源環(huán)境、高效清潔低碳一體化協(xié)同創(chuàng)新道路，構(gòu)建化工-能源-生態(tài)一體化用能系統(tǒng)，進行合理優(yōu)化與集成，實現(xiàn)能效提升及協(xié)同碳減排。

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