提高能源的綜合利用效率，對(duì)城市實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義，也是城市能源研究和產(chǎn)業(yè)孵化重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。對(duì)短期難以實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整又耗費(fèi)大量能源的行業(yè)來說，提高能源的綜合利用效率是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上來說節(jié)能降碳最可實(shí)施的手段。
鋼鐵行業(yè)是我國(guó)的重點(diǎn)用能大戶，總能耗約占全國(guó)總能耗的11%，是城市控制能源消費(fèi)總量、降低碳排放重點(diǎn)關(guān)注的行業(yè)。鋼鐵冶煉生產(chǎn)工藝包含了大量高溫冶煉、加工過程，因此在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的余熱資源，各類余熱量可占到鋼鐵業(yè)總能耗的70%。
目前，幾乎所有鋼鐵產(chǎn)品的工藝路線中都必須使用碳還原才能得到純凈的鐵水原料，在短期無法徹底告別化石燃料的情況下，大力挖掘鋼鐵行業(yè)余熱資源潛力，將化石燃料產(chǎn)生的熱量“吃干榨凈”，對(duì)于提升鋼鐵行業(yè)綜合能效，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要推動(dòng)作用。
低溫余熱“物盡其用”的利用重點(diǎn)考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。從技術(shù)角度看，目前鋼鐵業(yè)余熱利用的主流方式是采用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽后，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，此類發(fā)電方式一般要求余熱熱源溫度在350℃以上，此溫度以下的余熱熱源，傳統(tǒng)的發(fā)電方式已不適用，而在鋼鐵制造環(huán)節(jié)中，還存在大量的低溫余熱，如燒結(jié)環(huán)冷機(jī)三段煙氣和石灰窯煙氣屬于典型的低溫?zé)煔猓骄鶞囟染?00℃以下。
一直以來，鋼鐵行業(yè)對(duì)于這兩部分余熱的回收都很有限。而以有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)為代表的低溫余熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已具備全面商用化的條件。
ORC是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式，相對(duì)于傳統(tǒng)水蒸汽為工質(zhì)的發(fā)電方式而言，在熱源溫度較低的情況下(100℃、甚至40-50℃)就可以汽化為一定壓力的蒸汽，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用低品位余熱發(fā)電。
從經(jīng)濟(jì)角度看，為避免用戶因初期投入大而放棄利用低溫余熱，可以采用“合同能源管理(EMC)+融資租賃”的模式建設(shè)運(yùn)行，即節(jié)能公司與客戶簽訂合同能源管理合約后，與融資租賃公司簽訂設(shè)備融資租賃合約，由融資租賃公司購(gòu)買設(shè)備交由節(jié)能公司進(jìn)行安裝。
設(shè)備投運(yùn)后，客戶負(fù)責(zé)消納所發(fā)的全部電力，并按照合同約定的電費(fèi)及發(fā)電量向節(jié)能公司支付電費(fèi)，節(jié)能公司向融資租賃公司支付租金，待融資租賃合約期滿后，再由融資租賃公司將設(shè)備所有權(quán)轉(zhuǎn)交至節(jié)能公司手中。該模式避免了業(yè)主方或節(jié)能公司前期大規(guī)模資金投入，利用融資租賃的低成本資金進(jìn)行建設(shè)，大大提升了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。
蘇州市鋼鐵產(chǎn)業(yè)體量大、用能多，同時(shí)蘇州對(duì)能源消費(fèi)總量增幅有嚴(yán)格的控制，因此對(duì)低溫余熱利用有較大需求。低溫余熱發(fā)電方案也在蘇州開展了具體應(yīng)用。
位于江蘇張家港的江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司是目前全國(guó)單體規(guī)模最大的鋼鐵企業(yè)，該廠計(jì)劃利用7條燒結(jié)環(huán)冷機(jī)第三段、8條石灰窯煙氣及其它低溫余熱資源進(jìn)行ORC發(fā)電。沙鋼原來僅對(duì)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)三段煙氣進(jìn)行了部分回收，用于供應(yīng)生活熱水。但實(shí)際生活熱水的使用量有限，大量余熱通過直接排放的方式放散至大氣中，造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的余熱資源情況，項(xiàng)目總共計(jì)劃配置100臺(tái)125kw發(fā)電機(jī)組，預(yù)計(jì)項(xiàng)目全部建成后，每年可發(fā)電5200萬度，相當(dāng)于減排二氧化碳51844噸。項(xiàng)目采用目前最先進(jìn)的磁懸浮ORC發(fā)電機(jī)組，利用上述200℃以下的低溫余熱進(jìn)行發(fā)電，熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)傳統(tǒng)螺桿式發(fā)電機(jī)組的2倍，同時(shí)由于磁懸浮系統(tǒng)無油的特性，省去了潤(rùn)滑系統(tǒng)的維護(hù)，大大降低了后期運(yùn)維的成本。由于現(xiàn)場(chǎng)的熱源分布較為分散，項(xiàng)目將全部采用小型分布式機(jī)組的配置方案，這給后期的運(yùn)行監(jiān)測(cè)帶來了一定麻煩。
為此，城市能源研究院項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套智慧化的遠(yuǎn)程集采系統(tǒng)，所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集后，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳送至運(yùn)維人員手機(jī)上的APP終端，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)多個(gè)機(jī)組的統(tǒng)籌精細(xì)化管理。項(xiàng)目先期已完成2臺(tái)125kW試驗(yàn)機(jī)組的安裝調(diào)試，目前運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。
隨著技術(shù)的不斷成熟與商業(yè)模式的持續(xù)創(chuàng)新，未來低溫余熱發(fā)電將有著更加廣泛的應(yīng)用前景。鋼鐵業(yè)之外，該技術(shù)還可推廣至石化、水泥、化工等其它高耗能行業(yè)。即使按10%的低溫余熱利用率計(jì)算，低溫余熱發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用也可提供約780億度/年的清潔電力，相當(dāng)于每年節(jié)省2338萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能減碳效益巨大。
(作者均供職于國(guó)網(wǎng)(蘇州)城市能源研究院產(chǎn)業(yè)孵化中心)
