杜學(xué)強(qiáng) 錢俊磊 曾 凱 何 茜 沈文博

(1.鋼鐵研究總院，2.冶金自動化研究設(shè)計院，3.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院)

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上宣布中國CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這是國家做出的事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體的重大戰(zhàn)略決策。2021年11月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，提出到2025年，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，主要污染物排放總量持續(xù)下降，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2020年下降18%。近期，發(fā)展改革委等三部委《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》、科技部等九部門《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案(2022—2030年)》，進(jìn)一步明確了重點行業(yè)和領(lǐng)域“雙碳”工作的目標(biāo)、路徑和任務(wù)，提出到2025年實現(xiàn)重點行業(yè)和領(lǐng)域的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)CO2排放比2020年下降18%，單位GDP能源消耗比2020年下降13.5%，鋼鐵行業(yè)各企業(yè)也在制定本領(lǐng)域的碳達(dá)峰碳中和愿景和路線圖。

中國鋼鐵工業(yè)CO2排放總量超過18億t，占全球鋼鐵CO2排放總量的60%以上，占全國CO2排放總量的15%左右[1-5]，鋼鐵企業(yè)噸鋼CO2排放量約1.6 tCO2/t[6]，重點企業(yè)噸鋼綜合能耗為550.43 kgce/t[7]。中國鋼鐵行業(yè)面臨巨大的節(jié)能降碳壓力，將從碳排放強(qiáng)度的“相對約束”進(jìn)入碳排放總量的“絕對約束”階段[8]。

在鋼鐵制造流程中，物質(zhì)流和能量流動態(tài)、平穩(wěn)、有序運行依賴于復(fù)雜、可靠、高效的物流系統(tǒng)，“界面”技術(shù)日益受到關(guān)注，開展了深入的高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)優(yōu)化的研究[9-12]，但這些研究主要集中在場地布置、鐵水容器、物流調(diào)度、鐵水溫降等方面，鐵水運輸環(huán)節(jié)機(jī)車的節(jié)能降碳尚未引起足夠重視。

高爐生產(chǎn)鐵水通過軌道式鐵水罐車或魚雷罐車轉(zhuǎn)運到轉(zhuǎn)爐，牽引機(jī)車一般是以柴油為燃料的內(nèi)燃式軌道牽引機(jī)車(簡稱內(nèi)燃機(jī)車)。內(nèi)燃機(jī)車效率低、油耗高、污染嚴(yán)重、CO2排放量大，特別是在鐵水運輸工況下需要頻繁加速、換向、制動、滿載和空載交替，這些缺點進(jìn)一步加劇。文章基于鋼鐵廠鐵水車運輸系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車和新型蓄電池機(jī)車的運行實績，分析蓄電池機(jī)車的運行特性和節(jié)省能源消耗、減少CO2排放的效果。

1 蓄電池機(jī)車的能耗分析

以某長流程中型聯(lián)合鋼鐵企業(yè)為例，該公司裝備1座2 100 m3高爐、1座1 350 m3高爐、2座1 080 m3高爐，一鋼廠裝備2座120 t轉(zhuǎn)爐，二鋼廠裝備1座210 t轉(zhuǎn)爐。鐵—鋼界面采用2個鐵水罐車編組運輸鐵水，牽引方式為“推重拉空”，重罐總重約500 t，平均單程運行距離約800 m，年轉(zhuǎn)運鐵水總運輸量為5 Mt，鐵水運輸線路見圖1。

圖1 鐵水運輸線路布置

該企業(yè)原有國產(chǎn)柴油內(nèi)燃機(jī)車13臺，正常在役運行10臺。該車型配備1臺6240ZJ型中型柴油機(jī)和ZJ4014GY型液力傳動箱，主傳動方式為液力耦合器，具有液力制動、液力換向、電換檔功能，適用于調(diào)車和小運轉(zhuǎn)工況，在同類機(jī)型中屬于傳動效率高、起動加速性能較好的產(chǎn)品。

2020年，該企業(yè)裝備1臺蓄電池機(jī)車替換1臺原有內(nèi)燃機(jī)車，與其它內(nèi)燃機(jī)車共同調(diào)度編組運行。該車型采用磷酸鐵鋰電池作為動力，傳動方式為三相交流變頻電機(jī)。蓄電池輸出的直流電通過直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control)系統(tǒng)逆變?yōu)槿嘟涣麟?，為異步電動機(jī)提供電能并進(jìn)行變頻調(diào)速控制。該技術(shù)具有低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的特點，在低速運行狀態(tài)下，上坡作業(yè)時的牽引力和下坡作業(yè)時的制動力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)燃機(jī)車，同時，機(jī)車具有能量回收功能，即在制動工況下將機(jī)車動能逆向發(fā)電回饋到蓄電池。

兩類機(jī)車的性能參數(shù)見表1。正常工況下，蓄電池機(jī)車與原有內(nèi)燃機(jī)車作業(yè)負(fù)荷相當(dāng)，空載率和待機(jī)率基本一致，可以直接對比。蓄電池機(jī)車平均每月耗電量為11 700 kWh，內(nèi)燃機(jī)車平均每月消耗柴油11 500 L(密度取0.86 kg/L)，統(tǒng)計期電力和柴油外購成本分別為0.65元/kWh和8.15元/L。

表1 機(jī)車運行數(shù)據(jù)

為了對比分析使用不同能源的機(jī)車的能耗，將能源消耗分別折算成標(biāo)準(zhǔn)煤能耗。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計算通則》GB/T2589-2020、《粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB 21256-2013，能耗折標(biāo)計算公式為：

E=N·K

(1)

式中：N為能源的消耗量，t(燃料)或kWh(電力)；K為折標(biāo)系數(shù)，柴油的折標(biāo)系數(shù)取1.457 1 kgce/kg，電力等價值折標(biāo)系數(shù)按國家能源局公布的上年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算(外購電)或上年度發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算(自發(fā)電)，電力當(dāng)量值折標(biāo)系數(shù)為0.122 9 kgce/kWh，按照國家統(tǒng)計局規(guī)定，文章計算綜合能耗時采用當(dāng)量值。

根據(jù)運行實績數(shù)據(jù)計算，折標(biāo)后內(nèi)燃機(jī)車能耗為14.41 tce/月，蓄電池機(jī)車能耗為1.44 tce/月。蓄電池機(jī)車替代內(nèi)燃機(jī)車后，折合機(jī)車直接發(fā)生的全廠噸鋼綜合能耗從0.346 kgce/t下降到0.035 kgce/t，節(jié)能率達(dá)89.9%。按統(tǒng)計期能源平均價格計算，不考慮設(shè)備采購成本和維修及耗材成本，機(jī)車的能源成本從2.249元/t下降到0.183元/t，折合噸鋼綜合成本降低2.066元/t。

2 蓄電池機(jī)車的CO2排放分析

鋼鐵制造流程產(chǎn)生的CO2主要來自碳基燃料的燃燒。內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生的CO2來自柴油的燃燒，并且機(jī)車所產(chǎn)生的CO2全部排放到大氣中。蓄電池機(jī)車不直接產(chǎn)生CO2，但發(fā)電過程可能排放CO2，2021年中國以煤炭作為燃料的火力發(fā)電占全社會發(fā)電量的71.13%，文章按照火電計算CO2排放量。

根據(jù)國家發(fā)改委《中國鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》，CO2排放量的計算見公式(2)。

(2)

式中：C為設(shè)備(或系統(tǒng)、過程)的CO2排放量；Ei為第i種能源的消耗量；xi為第i種能源的碳排放因子，即該種能源燃燒或使用過程中單位能源所產(chǎn)生的碳排放數(shù)量。柴油的碳排放因子xg可通過公式(3)計算得到。

xg=NCV·CEF·COF·(44/12)

(3)

式中：NCV為燃料的平均低位發(fā)熱量，MJ/kg；CEF為燃料單位熱值含碳量，kgC/MJ；COF為能源消耗氧化率。柴油的碳排放數(shù)據(jù)見表2，其中柴油的碳排放因子為3.095 9 kgCO2/kg。

表2 柴油的碳排放計算數(shù)據(jù)

電力的碳排放因子因發(fā)電形式、電網(wǎng)區(qū)域、用電時段等因素差異較大，根據(jù)國家發(fā)改委《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施(2022年修訂版)》，電力的碳排放因子為0.581 0 tCO2/MWh。

根據(jù)運行實績數(shù)據(jù)計算，內(nèi)燃機(jī)車的CO2排放量為30.62 tCO2/月，蓄電池機(jī)車的CO2排放量為6.80 tCO2/月，蓄電池機(jī)車替代內(nèi)燃機(jī)車后折合機(jī)車的噸鋼CO2排放量從0.735 kgCO2/t下降到0.160 kgCO2/t，CO2減排率達(dá)78.2%。

3 結(jié)論

電力機(jī)車不僅用清潔能源替代碳基燃料，而且能夠通過精準(zhǔn)的能量輸出控制和能量回饋控制，獲得更高的能量利用效率，實現(xiàn)顯著的節(jié)能、降本、減污、降碳效果。由于鋼鐵廠內(nèi)高爐出鐵口對位、轉(zhuǎn)爐倒罐站倒鐵等作業(yè)空間的限制，鐵水車運輸軌道不具備架線條件，而以蓄電池為單一動力的蓄電池機(jī)車可很好地解決這個難題。

中等規(guī)模鋼鐵廠鐵水車牽引機(jī)車的運行實績表明，運力相當(dāng)?shù)男铍姵貦C(jī)車替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車后，能耗、能源成本、CO2排放量分別下降89.9%、91.9%、78.2%。此外，蓄電池機(jī)車可大幅度改善司機(jī)的勞動條件，降低維修作業(yè)難度，提升機(jī)車自動化、數(shù)字化水平，為機(jī)車實現(xiàn)遙控操作、無人駕駛、智慧調(diào)度、遠(yuǎn)程運維等智能化和信息化手段、促進(jìn)“智能+”模式的智能制造體系建設(shè)提供了前提條件。特別需要說明的是，蓄電池機(jī)車顯著的社會效益和間接效益，是在獲得巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益的同時實現(xiàn)的。

因此，鋼鐵企業(yè)在節(jié)能、環(huán)保的巨大壓力下，面對鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的緊迫目標(biāo)和鋼鐵制造綠色化、智能化的發(fā)展方向，采用新型蓄電池機(jī)車替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車，實現(xiàn)鋼鐵廠鐵水運輸牽引裝備優(yōu)化升級勢在必行。