钢铁行业用电现状和节电技术
中国钢铁行业发展迅速，自进入21世纪后粗钢产量从1.28亿吨增长到10.65亿吨，年均增幅达11.2%，钢铁总产量占全球的56.7%。装备大型化，流程智能化快速提升。头部钢铁企业竞争力强，生产水平较高，技术设备和粗钢等出口到世界主要国家。
中国钢铁行业仍然以长流程为主，短流程占比约为10%，但电力是钢铁企业不可或缺的重要能源。中国钢铁行业耗电约占全国总用电的10%左右，占工业用电量的15%左右，电力成本占钢铁公司制作成本10%。钢铁行业节电可以有效促进电力系统优化升级。中国钢铁行业2016年～2020年能源和电力消费情况见图1。
钢铁行业能源消费量和电力消费量逐年递增，2020年能源消费总量达到6.97亿吨标煤，约占全国的14%，电力消费量为6889亿千瓦时，约占全国电力消费的9.2%[1]。中国钢铁行业吨钢综合能耗从2006年的0.645吨标准煤/吨下降到2020年的0.545吨标准煤/吨，降幅达15.5%[2]。2020年中国钢铁行业生产工序耗电见表1[3]。
钢铁电力系统的特点是用户多且分散、发电源多、负荷变化频繁，同生产的全部过程联系紧密。钢铁电力系统包括发电、配电和用电三个环节。发电环节与外部电网共同为钢铁企业供电。发电设备分为两类，一类是利用生产的全部过程中回收的余能余热发电；另一类是利用副产煤气或动力煤发电。近些年，钢铁企业正在推行清洁能源发电装置，如太阳能、风能发电设备。配电环节主要是通过线路与变压器输配电能，包括220千伏变电站、110千伏区域变电站、110千伏车间负荷终端变电所、车间主电室，以及各种继电保护和功率补偿装置。用电环节包括各种用电设备和启停控制管理系统[4]。典型钢铁企业电力系统见图2。
钢铁企业主要工序耗电占比见图3，其中能源系统耗电量最大，主要耗电设备集中在制氧系统、鼓风系统、空压机系统中的大功率电机上。冷轧、热轧工序用电主要是主轧线]。钢铁企业工业过程负荷占绝大多数比例，包含大量大功率电机和大容量用电设备，如电炉、轧机、鼓风机和传送带等，这些设备的运作时的状态直接影响总用电量大小。
中国钢铁行业能耗与世界领先水平还存在一定差距，目前德国吨钢综合能耗约为0.511吨标准煤/吨，中国吨钢节能潜力为6.3%；美国吨钢电耗为356.3千瓦时/吨，中国吨钢电耗为558.8千瓦时/吨，节电潜力为36.2%。电弧炉方面：日本SPCO公司研发的环保生态电弧炉，电耗约为250千瓦时/吨，我国电炉冶炼节电潜力为28.6%，目前，中国领先水平电炉电耗为280千瓦时/吨。
钢铁工业作为典型的高耗能行业，其节能成效对国家“十四五”约束目标意义重大，也是实现“碳中和”目标中必不可缺的一环。针对钢铁企业提出几点节电意见：（1）大力淘汰落后产能，出清一批高耗电落后钢厂；（2）强化工序节能，积极采取综合节电措施，推广应用变频调速、节能型变压器、高效风机水泵等设备；（3）转变流程结构，从长流程转向短流程，目前我国短流程冶炼中铁水仍占据特殊的比例，而美国、欧盟等国家基本为全废钢冶炼，从而节省了铁水制作的完整过程中的用电量；（4）建设能源管控系统，推广使用数字化测量仪器仪表，加强能源的平衡、调度、分析和预测，实现系统性节能降耗，并充分的利用园区风、光、余热等资源参与发电。
钢铁行业节电技术的重点是干熄焦技术、煤气回收技术和蓄热式燃烧技术等。电气节能技术包括变频节电技术、节能电机以及节能水泵等。此外多能互补是下一阶段重点节电技术的发展趋势，钢铁企业依靠占地面积大或园区临海天然适合发展太阳能光伏发电和风能发电作为企业日常用电的补充。钢铁企业的副产煤气由于其较高的纯净度也适合与光能、风能互补，形成可再次生产的能源与副产煤气、余热余压自发电机组相衔接的智慧电力供应网络，促进能源结构清洁低碳化。通过煤气、蒸汽和电力的储能系统，可以帮企业提高余热发电机组发电效率；在电价高峰时段用储存的余热发电，少用电网的峰价电；并参与电力辅助服务。
联合循环发电技术（CCPP）包括三部分：燃气轮发电机组，余热锅炉，热源是燃气轮机的排气和汽轮发电机组。机组所使用的燃料是焦炉煤气和高炉煤气的混和气体，进入燃气轮机与通过净化及加压的空气燃烧产生高温烟气，推动燃气轮机做功。燃气轮机的排气进入余热锅炉加热给水，产生蒸汽送入汽轮机做功，进而达到联合循环的目的。
CCPP优点有：热效率比同等功率条件下的蒸汽轮机高；SO2、CO和氮氧化物等空气污染物较少；联合发电机组占比小；建设周期短且能节约烟气脱硫、脱销的费用，投资更低。CCPP机组与钢铁公司制作流程结合不但解决了，副产煤气的使用问题，还能帮企业增加自发电量，有实际效果的减少碳排放，并取得一定经济效益。但CCPP技术应用的前提是钢铁企业一定具有完善的煤气平衡计划，煤气浓度低的情况下CCPP发电效益并不高。
目前多家大型钢铁企业如宝钢、鞍钢、马钢、济钢、通钢、包钢、迁钢等钢厂的CCPP机组已建成运行。鞍钢2019年建成180兆瓦世界首套具有凝抽背热电联产功能的分轴式高炉煤气联合循环发电机组年发电量为14×108千瓦时[6]。
中国钢铁生产流程铁前工序能耗占比在70%以上，减少铁前工序能耗，利用余热余能和高炉煤气十分重要。高炉煤气余压透平发电装置(TRT，blast furnace top gas recovery turbine unit)可通过高炉炉顶排出的具有很多压力和温度的高炉煤气，推动透平膨胀机旋转做功、驱动发电机发电，系统流程见图5。该技术即可回收泄漏的能量，又能稳定高炉炉顶压力，改善高炉生产的条件。与其他余热回收发电机组和常规火力发电相比，TRT不需消耗新的能源，运行过程中不产生污染，且发电成本大约只有火力发电成本的20%。TRT运行良好的情况下，吨铁发电量约20~40千瓦时，能供给高炉鼓风耗电的30%。高炉煤气干法除尘净化技术相对于过去的湿法除尘净化效率高，还能够使TRT吨铁发电量提高30%左右，最高达到54千瓦时/吨，增加能量的回收利用，降低吨铁的能源消耗。
近年来，TRT技术在中国钢铁工业快速推广，钢铁企业TRT技术的普及率已较高。但是不同企业TRT运行效率和效果差别很大。小高炉由于炉顶压力低，配置TRT的回收效果不理想，影响TRT的应用效果和经济性。而且TRT作业效率对烟气含尘率有一定要求，需要保证除尘系统正常运行[7]。
干法熄焦区别于湿法熄焦工艺，它采用惰性气体代替水来熄灭刚出炉的高温红炭，回收利用红焦显热。将1000℃的高温焦炭置入密闭的炉子之内，使用低温惰性气体来置换高温焦炭本身的热量，让焦炭的温度能下降到200℃左右，且升温后的气体通过余热锅炉展开热交换后会产生高压蒸汽，这些蒸汽可以被应用于发电、采暖等，具备循环利用的价值。1万吨干熄焦产生的动力蒸汽若全部用于发电，则能减少近1000吨的煤炭消耗，取得良好综合效益[8]。
与湿法熄焦相比，干法熄焦对环境的污染程度会小很多，且还能利用余热发电或供热。目前，在大型钢铁联合企业当中，均倾向于采用干熄焦技术。干熄焦技术推广障碍大多数表现在其自身投资较高、运行时间比较久、若运行发生故障维修麻烦和生产的全部过程中会产生二氧化硫，因此在独立焦化企业占比较少。近年来诸多企业根据生产能力对干熄焦设备做了大规模开发。其中，武钢、马钢、南钢、本钢、包钢、等十几家企业，已建成超过100吨/h的焦炭淬火装置。目前国内最大的干熄焦装置可达260吨/小时。
[1] 国家统计局.《中国统计年鉴》（2021）[M]. 北京：中国统计出版社，2021.
[2] 张春霞,上官方钦,张寿荣,殷瑞钰.关于钢铁工业温室气体减排的探讨[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2012,4(03):221-230.
[3] 中国钢铁工业协会.《中国钢铁工业年鉴（2021）》[M]. 北京：中国冶金出版社，2021.
[4] 张玉庆,孙彦广.钢铁企业智能电力系统功能与运行架构研究[J].冶金自动化,2011,35(03):8-13.
[5] 曾玉娇. 钢铁企业电力系统有功和无功优化调度问题的研究[D].钢铁研究总院,2015.
[6] 鞍钢集团工程技术有限公司. 世界首套分轴式高炉煤气联合循环发电机组（CCPP）在鞍钢投产 [OL].
[8] 张宗有,赵永山,涂连涛,龚传波,李良.延迟焦化装置节能降耗措施[J].炼油技术与工程,2014,44(02):52-55.
