陸 培，施 亞，周 艷，黃厚亮，沙錦榮

（江蘇永鋼集團有限公司，江蘇張家港 215600）

引言

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，由于碳元素的不完全燃燒，多個工序會副產(chǎn)煤氣資源，包括焦爐煤氣、高爐煤氣以及轉爐煤氣。焦爐煤氣熱值約18 000 kJ∕m3、高爐煤氣熱值約3 600 kJ∕m3、轉爐煤氣熱值約7 000 kJ∕m3。這些煤氣資源除用于生產(chǎn)工藝用氣外，剩余部分主要供給煤氣發(fā)電機組發(fā)電。煤氣發(fā)電可減少富余煤氣放散引起的環(huán)境污染，同時通過對其資源化利用，可減少企業(yè)外購電量，降低噸鋼外購能源費用，提高企業(yè)競爭力。因此，近年來，國內鋼鐵企業(yè)幾乎都建成了煤氣發(fā)電裝置，且迅速往大型化、高效化發(fā)展，如寶鋼300 MW 煤氣發(fā)電機組，馬鋼北湖發(fā)電廠183 MW CCPP 發(fā)電機組、津西鋼鐵135 MW超超臨界煤氣發(fā)電機組等。

由于日間和夜間對電網(wǎng)供電需求的不平衡，工業(yè)用電基本已采取峰平谷差額電價供給方式，各地根據(jù)當?shù)仉娏Y構及用電負荷調整價差。一般日間用電集中，對電網(wǎng)供電需求大的為峰電期，電價會適當上浮，而夜間需求量小的為谷電期，電價會適當下調［1］。2021 年7 月國家發(fā)改委發(fā)布《國家發(fā)展改革委關于進一步完善分時電價機制的通知》（發(fā)改價格〔2021〕1093 號），明確要求各地劃分峰谷時段、合理確定峰谷電價差。上海、湖北、河南、江西、山東、河北等多地開啟峰谷分時電價機制，如河南省發(fā)布通知規(guī)定2022 年12 月起峰平谷電價比調整為1.71∶1∶0.47；江西省通知適當擴大峰谷價差，高峰時段電價上浮50%，低谷時段電價下浮50%，較此前擴大了20%；湖北省調整后最大峰谷電價差達到1.01 元∕kWh，較原來增加了0.15 元∕kWh。［2］

基于峰谷電差額電價供給方式，以江蘇永鋼集團為例，提出一種煤氣全流程錯峰發(fā)電及錯峰生產(chǎn)用電的模式，利用鋼鐵企業(yè)煤氣發(fā)電機組調控外購電比例，在不影響生產(chǎn)的前提下，減少峰電期間企業(yè)從電網(wǎng)的購電量。通過錯峰用能實施案例，分析煤氣的貯存、使用過程，結合產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏，以錯峰用電的管理思路進一步創(chuàng)新用能管控模式。

1 用能情況

1.1 江蘇地區(qū)分時電價

2021年10月江蘇省發(fā)改委發(fā)布《省發(fā)展改革委關于進一步做好深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價市場化改革工作的通知》（蘇發(fā)改價格發(fā)〔2021〕1008 號），規(guī)定高峰、平段、低谷時段電價以市場交易購電價格為基礎按照統(tǒng)一比例進行調整，其中大工業(yè)用電高峰時段上浮71.96%，平期時段按市場交易價格，低谷時段下浮58.15%。2021 年江蘇省外購分時電價見表1，其中峰谷電價差高達0.832 4 元∕kWh，錯峰用電降本效益潛力巨大。

表1 2021年江蘇省外購分時電價

1.2 永鋼用能情況

由于鋼鐵行業(yè)富余煤氣資源主要用于煤氣發(fā)電，因此對于外購電力降本分為發(fā)電側及用電側降本。發(fā)電側主要以煤氣錯峰負荷控制為主，通過減少峰電時段煤氣用量，提升該時段煤氣發(fā)電負荷，從而降低外購電成本。用電側主要依靠生產(chǎn)單位進行錯峰生產(chǎn)，主要以優(yōu)化檢修排產(chǎn)為主。本文主要分析研究煤氣峰平谷管理理念，從煤氣錯峰使用上尋找降本空間。

統(tǒng)計永鋼煤氣資源使用情況，除發(fā)電外各爐窯設備用氣量及其占比見表2，其中高爐熱風爐、加熱爐、燒結點火爐、石灰窯的用氣量占比相對較高，分別為48.07%、31.81%、4.56%、3.99%。

表2 各爐窯設備用氣量及其占比

統(tǒng)計2022年一季度各煤氣發(fā)電機組發(fā)電負荷，峰、平、谷煤氣消耗比例分別為33.9%、33.5%、32.6%。綜合各機組滿負荷發(fā)電時煤氣消耗能力，峰、平、谷時段的煤氣缺口分別為6.32 萬m3∕h、6.96 萬m3∕h、8.89 萬m3∕h，具備開展錯峰 用能的空間。

2 發(fā)電錯峰

2.1 煤氣柜儲氣調整

煤氣柜儲氣調整是利用高爐、轉爐煤氣柜的儲氣能力，在谷、平價電時段內對煤氣進行收氣，在峰價電時段將煤氣供發(fā)電使用，以提高發(fā)電價值的方法，該法目前在行業(yè)中應用較為普遍。以10 萬m3高爐煤氣柜、12 萬m3轉爐煤氣柜以及5 萬m3轉爐煤氣柜為例，當預測峰價電時段煤氣存在不足，發(fā)電不能滿發(fā)時，在谷價及平價電時段進行收氣。收氣柜容控制標準為：10 萬m3高爐煤氣柜容≥6 萬m3；12 萬m3轉爐煤氣柜容≥8 萬m3；5 萬m3轉爐煤氣柜容≥4 萬m3。若預測峰價電時段煤氣有富余，存在放散可能，則氣柜柜容可保持低位運行，同時設置氣柜送氣下限：10 萬m3高爐煤氣柜為2 萬m3；12 萬m3轉爐煤氣柜為5 萬m3；5 萬m3轉爐煤氣柜為1 萬m3。

根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，正常生產(chǎn)下單月可錯峰收、送煤氣約300 萬m3，按每月早峰、晚峰各送氣150 萬m3計算，月產(chǎn)生經(jīng)濟效益約60 萬元。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為60萬元。

2.2 熱風爐錯峰燒爐

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際，永鋼熱風爐煤氣消耗約占煤氣總消耗的48%，正常生產(chǎn)階段熱風爐煤氣消耗峰、平、谷比例分別為33.54%、33.27%、33.19%，各時段用氣比例差異較小。通常高爐熱風爐周期性運行包括4 個階段：燃燒1.75 h、燜爐0.25 h、送風1 h、休止4 min。正常情況下熱風爐拱頂溫度燒至1 250～1 300 ℃，送風時開啟混風閥，保證進入高爐的風溫在1 200 ℃左右，當熱風爐以最大能力蓄熱時拱頂溫度可達1 330 ℃，送風結束后燃燒初期的爐溫仍可保持在1 270 ℃以上，證明熱風爐格子磚的蓄熱能力有富余，具備實施錯峰用氣的條件［3］。

根據(jù)經(jīng)驗，為確保送風末期風溫＞1 200 ℃，煙道溫度不低于375 ℃，同時考慮爐箅子的安全使用溫度為450 ℃，規(guī)定煙道溫度上限為410 ℃，確定煙道溫度控制范圍為375～410 ℃。煙道溫度每升高1 ℃約消耗煤氣242 m3，則每座熱風爐燒爐過程中可調節(jié)的煤氣量為242 ×(410 -375)=8 470 m3。每個燒爐周期為1.75 h，則高爐煤氣調節(jié)上限為8 470 ÷ 1.75=4 840 m3∕h。通過24 h 熱風爐燃燒周期排序表，對3 座熱風爐的周期性運行狀態(tài)進行排序，模擬谷電向峰電過渡期間的爐座及其當時的運行狀態(tài)，推算該爐座提前至谷電5：00 時開始蓄熱，并在8：00前將煙道溫度燒至410 ℃，峰電8：00時逐步下調煤氣流量，將煙道溫度控制在360～370 ℃。

經(jīng)實踐，在谷電0：00～8：00 向峰電8：00～11：00過渡期間實施錯峰燒爐，峰、平、谷時段用氣比例分別為32.70%、33.53%、33.77%，峰電時段用氣比例較實施前下降0.84 個百分點。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電按7.5%，峰價電時段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為678萬元。

2.3 高爐中修期間熱風爐錯峰保溫

高爐中修期間熱風爐實施保溫操作，正常工作時熱風爐熱量80%通過熱風送走，保溫時用氣量僅需正常的20%。高爐中修時有大量的燜爐時間，為保持爐內溫度＞900 ℃，需每間隔4 h 燒爐一次，每次燒爐2 h，據(jù)統(tǒng)計峰價電占比一般較高，峰、平、谷價電時段用氣占比約為32%、30%、38%，存在錯峰燒爐空間。

2.3.1 錯峰保溫注意事項

實施錯峰保溫需注意以下幾點：

（1）控制燃燒室溫度下限，防止通入煤氣后無法燃燒出現(xiàn)安全隱患。

（2）保溫期間熱量在爐底聚集，煙道溫度過高將影響爐箅子的使用安全。

（3）計算格子磚膨脹系數(shù)，避免溫度變化過大影響硅磚壽命。

（4）考慮爐皮熱量損失，避免溫度過低。

2.3.2 錯峰方案

煤氣進入熱風爐后，燃燒室溫度需達到900 ℃才能確保煤氣完全燃燒，因此需確保熱風爐燃燒室溫度不低于950 ℃，考慮爐箅子使用安全，控制煙道溫度不大于350 ℃。按上述控制標準將熱風爐2 燒1送改為3座熱風爐同時燒爐、同時燜爐。在高爐中修熱風爐保溫期間用足谷價氣，充分利用熱風爐格子磚的蓄熱能力，在谷價電期間進行燃燒蓄熱，保證8：00 時燃燒室溫度＞1 050 ℃，平價電期間根據(jù)情況進行1～2次燒爐，補充燃燒室溫度，峰價電期間燜爐保溫。

2.3.3 核算格子磚膨脹影響

熱風爐格子磚中膨脹系數(shù)最大的硅磚在1 000 ℃時熱膨脹系數(shù)≤1.25%。熱風爐燃燒室內保持900 ℃時，格子磚橫、縱向產(chǎn)生的最大膨脹縫分別為7.4 mm、31.5 mm，現(xiàn)場實際預留的膨脹縫及耐材尺寸可滿足正常使用。

2.3.4 核算爐體熱量損失

根據(jù)《高爐熱風爐平衡測定與計算方法》（GB∕T 32287—2015）計算爐皮熱量損失，熱風爐燜爐8 h損失熱量為46 330 240 kJ（即14 478 m3高爐煤氣），燃燒室溫降200 ℃，燜爐8 h后燃燒室溫度仍然大于950 ℃，滿足保溫工藝要求。

經(jīng)實踐，某1 080 m3高爐在為期29 天的中修期間共消耗高爐煤氣269.7 萬m3，峰、平、谷用氣比例為0.51%、53.74%、45.75%，根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，產(chǎn)生效益為14.5萬元。

2.4 鐵水包錯峰烘烤

鑄鐵車間鐵水包砌筑完畢放置超過24 h 后需進行烘烤，鐵水包烘烤時間要求為（28±1）h。原烘烤時間一般為8：00 至次日13：00，期間有1 個谷價電，3 個峰價電，3 個平價電。根據(jù)2021 全年鐵水包烘烤用氣情況統(tǒng)計，年用氣總量約為800 萬m3，其中峰電時段用氣量最大，用氣占比38.6%，平電用氣占比32.6%，谷電用氣占比28.8%。為提高煤氣使用價值，考慮通過調整鐵水包烘烤的開始和截止時間增加谷價氣用量的占比。實施方案為3：00 開始小火烘烤，7：00 轉中火，13：00 進入大火階段直至次日 8：00 烘烤結束。調整后的峰、平、谷用氣占比分別為29.68%、31.1%、39.22%，該方案可降低峰價氣占比8.92 個百分點，且新包上線時間為上午，便于操作人員跟蹤第一包鐵水受鐵情況。根據(jù)煤氣發(fā)電效率，3 m3高爐煤氣發(fā)電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節(jié)約的煤氣用于發(fā)電，實施錯峰烘烤期間產(chǎn)生效益為12.5萬元。

3 用電錯峰

3.1 排產(chǎn)優(yōu)化

在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，應提倡谷價電時段滿負荷生產(chǎn)，杜絕谷價電時段安排檢修。

此外將重點用能設備納入錯峰停機管控，如當高爐停爐，噴煤用量減少時，及時調整噴煤車間磨機生產(chǎn)節(jié)奏，避免谷電時段倉滿停機的情況。礦渣微粉則根據(jù)微粉的銷價與水渣成本價的價差，分成全天生產(chǎn)、避峰生產(chǎn)、谷電生產(chǎn)、外賣等4 種模式。利用成品倉容量大于產(chǎn)能的特性，充分發(fā)揮球團成品倉庫的儲存能力，調節(jié)不同時段的生產(chǎn)負荷。

3.2 軋制品種優(yōu)化

分析各品種鋼生產(chǎn)電耗，合理安排生產(chǎn)，高效利用峰、谷時段。根據(jù)不同規(guī)格、材質的品種鋼電單耗差異，在谷電時段生產(chǎn)高電耗產(chǎn)品，在峰電時段生產(chǎn)低電耗產(chǎn)品。表3、表4為某棒材車間產(chǎn)品電單耗，可以看出相同材質間不同規(guī)格產(chǎn)品電耗差異最高達27.76 kWh∕t，同規(guī)格下不同材質間產(chǎn)品電耗差異最高達14.31 kWh∕t，存在較大優(yōu)化空間。

表3 同材質不同規(guī)格品種鋼軋線電耗

表4 不同材質同規(guī)格品種鋼軋線電耗

4 儲能調峰

4.1 化學電池儲能

儲能電站利用化學電池進行電力儲放，規(guī)模為5 MW∕20 MWh，實行“兩充兩放”的日運行模式。每日谷電、平電時段充電，峰電時段放電。經(jīng)實踐統(tǒng)計，電站充、放電轉換效率約88%，運行穩(wěn)定，故障率較低，基本不受其他生產(chǎn)因素影響，年運行時長可達8 000 h，根據(jù)峰平谷電價差，年可產(chǎn)生錯峰效益約590 萬元。

4.2 熔鹽儲能

熔鹽儲熱是一種顯熱儲熱技術，目前廣泛應用于太陽能光熱電站，熔鹽在常壓下具有200～600 ℃高溫差，因此蓄熱能力大，能產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，實現(xiàn)熱能的高效利用。企業(yè)可考慮利用煤氣進行熔鹽加熱和儲能，在谷電時，煤氣不發(fā)電而直接加熱熔鹽儲熱；峰電時，熔鹽中的熱量通過鹽水換熱器產(chǎn)生高溫蒸汽用以發(fā)電，起到調峰作用。目前行業(yè)內已有較多鋼企關注該項技術，新型儲能發(fā)電技術的接受度也越來越高。

5 總結

各鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)裝備情況、生產(chǎn)模式不盡相同，但只要存在峰谷電價差就存在外購電費降本潛力，錯峰用電、錯峰用煤氣均有一定借鑒意義。探索煤氣全流程最優(yōu)使用模式，細化管控對象，精準管控用氣時間，形成有效的錯峰管理機制，在不新增煤氣資源及經(jīng)濟投資的情況下，提升峰價電時段煤氣的利用效率，實現(xiàn)降本創(chuàng)效。