我国钢铁工业余热余能发电现状分析

熊 超 史君杰 翁雪鹤

我国钢铁工业余热余能发电现状分析

熊 超 史君杰 翁雪鹤

一、引言

近十年来，我国钢铁工业粗钢产量增长了108%，总用能量仅增加了93%；重点生产工序能耗达标率逐年提高，我国钢铁工业节能工作取得显著成效。但依然存在较大的节能潜力，其中很重要的一个方面就是余热余能的高效利用仍有进一步潜力。

钢铁工业制造流程是一个大规模能源循环系统，在构成该系统的工序内部，在各工序之间进行复杂的能量消耗、转换、再生、输送，而且钢铁联合流程具有很强的热管理特征。钢铁生产消耗的一次能源中约40%以某种形式的热能释放出，其温度上至1500℃，下至近于环境温度的广泛范围。目前我国生产1吨钢产生的余热余能资源量为8吉焦-9吉焦，主要分为副产煤气、排气余热、固体余热及废汽废水余热。副产煤气包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，一般归为余能，但其显热及压力能属于余热；排气余热多为炉窑排出废气带走的热，占余热资源总量的一半左右，温度范围250℃-1000℃；固体余热包括烧结矿、红焦炭、高炉渣、转炉渣及铸坯等，一般在500℃以上；废汽废水余热包括蒸汽冷凝水、锅炉汽包的排污水（90℃-100℃）、高炉冲渣水（70℃-90℃）等。

我国钢铁余热余能除加热燃料、生产预热外，最经济的利用方式是外供周边用户。由于大多数钢铁企业周边没有煤气、蒸汽用户，因此通过能源转换产生电力，成为钢铁企业余热余能利用的主要途径，自发电率也成为衡量企业节能水平高低的关键指标。钢铁企业余热余能发电方式主要包括煤气发电、蒸汽发电、TRT、烧结余热发电、干熄焦发电等。

二、煤气发电

钢铁联合企业的副产煤气包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，三种煤气占企业总能耗的近40%。高炉煤气特点是热值较低，发生量大，平均每吨铁产高炉煤气1500立方米-1800立方米，热值为2800千焦/立方米-3500千焦/立方米。焦炉煤气是钢铁企业中最为优质的气体燃料，平均每吨焦炭产焦炉煤气400立方米-440立方米，热值为16500千焦/立方米-18000千焦/立方米。转炉煤气根据装备水平和操作水平，吨钢可回收60立方米-140立方米，热值为6000千焦/立方米-8000千焦/立方米。

目前钢铁行业煤气发电机组根据发电原理不同分为燃气—蒸汽联合循环发电（CCPP）和常规锅炉发电。由于CCPP机组具有较高发电效率，在“十一五”“十二五”期间推广较快，但由于投资较大及维护费用较高，近些年逐步被高参数锅炉发电机组取代。

过去二十年，全燃煤气锅炉发电技术为我国钢铁工业的二次能源利用做出了重要贡献，目前正逐步由中温中压向高温高压、高温超高压、超高温超高压和亚临界等高参数方向发展。高温超高压、超高温超高压煤气发电是行业主流煤气发电方式。采用技术成熟的高温超高压燃气锅炉和一次中间再热汽轮发电机组，提高热能利用效率，发电效率介于36%-38%，比钢铁企业传统的中温中压发电效率有大幅提升。近些年钢铁企业纷纷淘汰中、低参数机组，建设高温超高压机组，都获得了较大效益。

高温超高压机组是指蒸汽压力13.5兆帕，温度大于535℃的机组 (过去该压力等级只能用于135兆瓦以上的机组，只适合大中型钢铁企业)。由于该机组的小型化发展较快，为在中小型钢铁企业中推广创造了条件，在近3-5年时间内，淘汰中低参数机组、集中煤气资源、建设高温超高压煤气发电机组将成为主流趋势。目前国内相关单位正在攻关亚临界煤气锅炉，并在80兆瓦、150兆瓦等级有所突破，从长远来看，亚临界煤气发电将会得到逐步推广。

三、蒸汽发电

我国钢铁企业大多采用转炉及轧钢加热炉余热蒸汽作为热源，少部分企业烧结工序、焦炉工序没有配套烧结余热发电、干熄焦发电，而是将余热蒸汽送至全厂蒸汽余热发电机组集中发电。

转炉一次烟气为高温烟气，在与二次烟气混合降温进入除尘系统前，采用汽化冷却烟道或余热锅炉对烟气进行降温，同时回收大量蒸汽。利用余热锅炉回收这部分蒸汽的物理热，蒸汽回收量不小于60千克/吨钢。

轧钢加热炉汽化冷却系统采用自然循环、蒸汽引射。系统设备构成分为除氧给水系统、汽包热水循环系统及排污系统。饱和温度的热水从汽包经下降管进入炉底管，在炉底管受热后部分热水汽化，汽水混合物经上升管进入汽包，蒸汽在汽包内通过汽水分离装置经调节阀送入车间管网。

我国钢铁企业现在主要有饱和蒸汽发电、过热蒸汽发电及螺杆发电三种蒸汽发电方式。行业中蒸汽发电普遍存在蒸汽压损较大、产生的饱和蒸汽压力等级不一、冬季供暖造成汽轮发电机组停运等问题，导致许多企业的蒸汽发电机组不能达到设计指标。针对上述问题，主要以提高蒸汽发电的稳定性，通过了一系列优化措施，主要包括：

（1）提高转炉蒸汽压力增加蓄热器设备合理利用转炉间断式蒸汽。

（2）增设汽机集汽箱，将转炉和轧钢等加热炉产生的饱和蒸汽汇入汽机集汽箱内，通过汽机集汽箱稳压和稳流后再进入汽水分离器，最后进入汽轮机。

（3）充分利用高炉冲渣水、循环水余热回收以保证冬季供暖，确保蒸汽发电机组不停运。

（4）在汽轮机选型时，少选择纯凝式汽轮机，尽量选择低品位热能汽轮机，比如多级除湿汽轮机、机内再热除湿多级冲动式汽轮机等。

四、TRT

高炉炉顶余压利用方式分为两种：一是通过TRT，即高炉煤气余压透平发电装置回收发电；二是采用BPPT，即煤气透平与电机同轴驱动的高炉鼓风能量回收成套机组的方式回收能量，减少高炉鼓风电耗。BPPT技术创新性地提出了煤气透平和高炉鼓风机同轴的技术解决方案，用煤气透平直接驱动高炉鼓风机，将两台旋转机械装置组合成一台机组，既能向高炉供风，又能回收煤气余压、余热。此外，随着高炉煤气湿法除尘工艺的淘汰，炉顶煤气压力和温度得以提高，余压利用更加高效。我国高炉余压利用装置的配备率已经很高，未配置相关设备的高炉均为小型高炉，钢铁行业的淘汰落后产能工作已经进入收尾阶段，加之高炉节能降本工作的倒逼，预计未来几年高炉余压利用装置的配备率可以达到100%，下一步的发展趋势主要集中在如何提高余压回收效率。我国企业已经成功研发出新一代3HTRT系统—提高高炉冶炼强度的顶压能量回收系统，在保持和优化原先TRT系统回收发电功能的基础上，通过对高炉顶压进行高精度的智能控制，可以升高高炉顶压的设定值，增大高炉送风的质量和流量，从而提高高炉冶炼强度，达到提高高炉利用系数、降低入炉焦比的功效。其技术核心是根据TRT管网系统流体力学原理，结合高智能控制算法，确定静叶或旁通阀的动态开度，以保证顶压的高精度稳定。

BPRT机组可以将回收的能量直接补充到轴系上，避免能量转换的损失，提高装置效率，减少环境污染和能量浪费，稳定炉顶压力，改善高炉生产条件，降低产品成本。此外，BPRT设备建设投资及劳动定员少，具有显著的经济、环境及社会效益。随着国家对重大技术装备国产化的支持，BPRT必将以其独特的优势得到广泛应用，向全面、大型化趋势发展。

五、烧结余热发电

烧结余热利用是将烧结生产工序中产生的废气热量加以回收再利用的技术。主要分两大部分：一是占总带入热量约24%的烧结烟气余热；另一部分是占烧结过程带入总热量约45%的烧结矿显热。烧结矿余热高效回收与利用是降低烧结工序能耗的主要方向。目前我国钢铁企业烧结余热回收平均发电量约16千瓦时/吨烧结矿。

烧结余热发电系统主要有四种类型：单压系统、双压系统、闪蒸补汽系统及带补燃系统。双压系统效率最高，目前在国内应用较广泛，但双压系统投资较高，回收期相对较长；烧结余热发电主要利用环冷机前两个风机的废气热量，从目前运行情况看，吨矿发电量最高可以达到21千瓦时，但目前国内大多数机组的作业率普遍在设计指标80%以下，个别甚至在50%左右运行。

我国烧结机装备不断实现大型化，新建设备中360平方米及以上的大型烧结机成为主流，随着淘汰落后进程的进一步加快，大型烧结机、大型密闭性环冷机的比例和产能占比将继续提升，烧结机余热发电的潜在装机总量预计在3500兆瓦以上。在增加烧结机余热发电设备的同时，提高吨矿发电效率也将是重要课题，主要改进和研究方向有：

（1）提高烧结余热发电的热源稳定性。首先提高烧结生产的作业水平、作业率，减少烧结机停机次数与停机时间；其次是通过提高设备和操作水平，降低环冷机的漏风率，采用环冷机底部柔磁性密封、环冷机水密封、台车横梁和烟罩密封等技术降低漏风率。

（2）研究烧结矿冷却新工艺，提高热量回收效率。目前，我国已有企业采用竖罐冷却代替环冷机或带冷机，冷却风供风总量可减少一半左右，热烟气100%全部回收，且温度约可提高至450℃，余热回收效率显著提高，与环冷机余热发电量相比可提高60%-80%。

（3）提高余热锅炉与汽轮机稳定性能与运行水平。通过合理控制出口烟温，有效布置炉内结构，做好炉墙密封，合理选择炉管形式与材质，采用涂层保护等措施减少余热锅炉的磨损、积灰、漏风和腐蚀等问题。确定合理的汽轮机主蒸汽、再热蒸汽和二次蒸汽的压力和温度参数，尤其是工况波动状况下汽轮机的变负荷运行方式，提高汽轮机运行的稳定性。

六、干熄焦发电

我国干熄焦技术日趋成熟，已经能够自主设计、制造和建设50吨/时-260吨/时各种规模的干熄焦装置。采用干熄焦技术具有很大优点，包括有利于回收利用余热资源、提高焦炭质量、减少大气污染物排放、节约熄焦用水。2016年我国拥有焦炭生产能力约6.68亿吨，其中常规焦炉产能5.85亿吨。

目前我国焦化行业干熄焦率已达到34%（按全部产能计），按常规焦炉产能计已达到38.9%，其中重点大中型钢铁企业干熄焦率已达到92%以上。宝钢股份焦炭已实现100%干熄率，处于领先水平，其他钢铁企业虽然也有全部实现干熄焦，但是实际运行中焦炭干熄率只有86%-97%，未能达到100%干熄率。

从干熄焦装置处理能力大小来看，京唐西山焦化公司拥有4座70孔7.63米顶装焦炉，配置2套处理能力260吨/时干熄焦装置，装备在世界上处于领先水平；其他干熄焦装置处理能力比较大的企业有唐钢美锦、宝钢湛江等。

今后10年，我国常规焦炉发展方向是增加炭化室高度和容积，提高生产效率和焦炭质量、改善环境、多配弱黏结性炼焦煤、减少成本等。如顶装焦炉发展方向炭化室高度分别为7米、7.5米、7.63米、8米，捣固焦炉发展方向炭化室高度分别为6米、6.25米、6.5米、6.7米等，每组焦炉生产规模分别为100万吨/年-210万吨/年甚至更大。因此，干熄焦发展方向首先是装置大型化，新建焦炉配套干熄焦装置处理能力都在125吨/时以上，小于110吨/时干熄焦装置将非常少；其次是改善干熄炉、减少循环风量以及干熄焦锅炉高温高压化，提高热效率，在不增加焦炭烧损情况下，每吨干熄焦发电超过140千瓦时及以上，净外送电超过120千瓦时及以上。

七、自发电率

提高自发电率是钢铁企业节能减排、降低制造成本的有效手段。根据殷瑞钰院士提出的钢铁工业的三大功能理论，即“产品制造功能、能源转换功能和废弃物消纳处理功能”，钢铁联合企业完全可以做到“只买煤，不买电”。从理论计算上，有焦化的钢铁联合企业自发电可以做到110%，无焦化的钢铁企业可以做到80%。这几年不少先进企业的成功经验已证明这是有可能实现的目标。

据统计，2016年109家典型钢铁企业合计粗钢产量为66593万吨，年电力消费量26146187万千瓦时，自发量电量总计12144194万千瓦时，平均自发电率46.45%。应该说，钢铁行业自发电率仍然有较大的提升潜力，尽管国家相关部门多次出台政策鼓励余热余能发电，但钢铁行业余热余能自发电设施并网方面存在一定的问题。

八、余热余能发电建议

我国钢铁行业现在平均自发电率为46.45%，随着发电技术的发展，以及企业节能意识不断提高，各家企业的自发电水平不断提高，但仍然有较大的提升空间。

1.分布式能源梯级利用

根据不同品质的能源介质及不同区域，按照“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的科学用能原则实现能源的就地转换利用。

（1）根据煤气资源的数量、品质和用户需求不同，合理分配使用煤气，完善煤气缓冲系统。煤气的平衡与调度尽量做到物尽其用、就近利用、介质单一和管网简化，同时做到能源梯级利用。

（2）根据不同能源介质的特性充分考虑经济输送半径，在经济输送半径内集中尽可能多的能量，以形成经济规模提高设备的开工率，而且考虑能量的贮存，建立具有一定规模效应的地区式热能利用系统。

（3）根据区域分布式利用原则，在高炉区域，可利用高炉冲渣水余热驱动吸收式制冷机，作为高炉鼓风脱湿系统的冷源；在焦化区域，可利用焦炉煤气或干熄焦蒸汽驱动吸收式制冷机，作为焦炉煤气净化工艺冷源；利用焦炉、烧结、热风炉等中低温烟气驱动制冷机组；同时采用吸收式或喷射式制冷方式，也可以平衡热电厂的冬、夏热负荷，提高热电厂的节能和经济效益，使整个系统按能源品位分级利用和循环利用。

2.优化煤气发电机组配置

煤气发电是提高自发电率的重中之重，钢铁企业需做好整体规划，优化煤气发电机组配置，最大限度地提高能源利用效率。

（1）科学系统制定煤气平衡，避免阶段性放散。科学系统的全厂煤气平衡是配置发电机组的基础条件，由于煤气的产生与工艺用户的作业制度存在一定程度的差异，造成富余煤气的产量和作业小时的不平衡，在配置发电机组时也需要充分考虑。

（2）兼顾高效与安全可靠性。配置机组时既要考虑大型机组的高效率，又要考虑高炉休风、加热炉检修、发电机组检修等因素；一般考虑至少2台以上机组，作为全厂煤气的最终缓冲用户，并保证供电可靠性。根据总图布局、电力系统接入便利性选择集中建设大型机组或分布式小型机组。

（3）技术经济比选以保证投资效益最大化。节能的最终目的是降低成本，建设煤气发电机组时需对机组选型、组合配置等进行技术经济分析，在节约能源的同时保证投资效益的最大化。

（4）向高参数机组发展。钢铁企业各大企业热电机组应该逐步向高参数机组发展，行业内存在相当数量的中温中压机组，阻碍了能源转换效率的进一步提高。企业应结合自身发展规划，整合淘汰小型机组，建设大型高参数发电机组，将能够较大幅度提高企业的自发电水平。

3.推广应用节能节电技术

在行业中推广应用先进适用的节能节电技术，包括焦炉上升管煤气热量回收，烧结烟气循环、漏风治理、大烟道及环冷余热回收利用、烧结矿竖式冷却、余热回收蒸汽拖动风机，高炉热风炉蓄热体高辐射涂层、冲渣水热量回收利用，干式真空泵、低温轧制及免加热轧制、提高热送热装温度、加热炉黑体强化辐射技术，高效风机、水泵、压缩机、节电电机、变压器、变频调速、无功就地补偿、电力需求侧管理平台、电网升级改造智能化控制管理等。

建议政府部门不断完善政策，在规范管理中，细致分析不同行业的不同问题，制定更科学、更合理的政策，打破电网垄断，减少或减免电力部门收取自发电机组的过网费、管理费等，应根据大、小不同装机容量自发电设施并网方式，区分考虑制定并网政策，给余热余能发电创造有利条件，实现电力和企业的双赢。

（作者单位：冶金工业规划研究院）