鋼鐵行業錯峰生產降本增效實踐

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

在鋼鐵生產過程中，由于碳元素的不完全燃燒，多個工序會副產煤氣資源，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工藝用氣外，剩余部分主要供給煤氣發電機組發電。煤氣發電可減少富余煤氣放散引起的環境污染，同時通過對其資源化利用，可減少企業外購電量，降低噸鋼外購能源費用，提高企業競爭力。因此，近年來，國內鋼鐵企業幾乎都建成了煤氣發電裝置，且迅速往大型化、高效化發展，如寶鋼300 MW 煤氣發電機組，馬鋼北湖發電廠183 MW CCPP 發電機組、津西鋼鐵135 MW超超臨界煤氣發電機組等。

由于日間和夜間對電網供電需求的不平衡，工業用電基本已采取峰平谷差額電價供給方式，各地根據當地電力結構及用電負荷調整價差。一般日間用電集中，對電網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 月國家發改委發布《國家發展改革委關于進一步完善分時電價機制的通知》（發改價格〔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，如河南省發布通知規定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電及錯峰生產用電的模式，利用鋼鐵企業煤氣發電機組調控外購電比例，在不影響生產的前提下，減少峰電期間企業從電網的購電量。通過錯峰用能實施案例，分析煤氣的貯存、使用過程，結合產線生產節奏，以錯峰用電的管理思路進一步創新用能管控模式。

1 用能情況

1.1 江蘇地區分時電價

2021年10月江蘇省發改委發布《省發展改革委關于進一步做好深化燃煤發電上網電價市場化改革工作的通知》（蘇發改價格發〔2021〕1008 號），規定高峰、平段、低谷時段電價以市場交易購電價格為基礎按照統一比例進行調整，其中大工業用電高峰時段上浮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

由于鋼鐵行業富余煤氣資源主要用于煤氣發電，因此對于外購電力降本分為發電側及用電側降本。發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，提升該時段煤氣發電負荷，從而降低外購電成本。用電側主要依靠生產單位進行錯峰生產，主要以優化檢修排產為主。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。

統計永鋼煤氣資源使用情況，除發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

統計2022年一季度各煤氣發電機組發電負荷，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電使用，以提高發電價值的方法，該法目前在行業中應用較為普遍。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，發電不能滿發時，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。

根據現場實際數據，正常生產下單月可錯峰收、送煤氣約300 萬m3，按每月早峰、晚峰各送氣150 萬m3計算，月產生經濟效益約60 萬元。根據煤氣發電效率，3 m3高爐煤氣發電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節約的煤氣用于發電，產生效益為60萬元。

2.2 熱風爐錯峰燒爐

根據現場生產實際，永鋼熱風爐煤氣消耗約占煤氣總消耗的48%，正常生產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］。

根據經驗，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，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。根據煤氣發電效率，3 m3高爐煤氣發電1 kWh，自耗電按7.5%，峰價電時段節約的煤氣用于發電，產生效益為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，據統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，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最大的硅磚在1 000 ℃時熱膨脹系數≤1.25%。熱風爐燃燒室內保持900 ℃時，格子磚橫、縱向產生的最大膨脹縫分別為7.4 mm、31.5 mm，現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《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%，根據煤氣發電效率，3 m3高爐煤氣發電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節約的煤氣用于發電，產生效益為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2021 全年鐵水包烘烤用氣情況統計，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。根據煤氣發電效率，3 m3高爐煤氣發電1 kWh，自耗電為7.5%，峰價電時段節約的煤氣用于發電，實施錯峰烘烤期間產生效益為12.5萬元。

3 用電錯峰

3.1 排產優化

在保證生產穩定的前提下，應提倡谷價電時段滿負荷生產，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節奏，避免谷電時段倉滿停機的情況。礦渣微粉則根據微粉的銷價與水渣成本價的價差，分成全天生產、避峰生產、谷電生產、外賣等4 種模式。利用成品倉容量大于產能的特性，充分發揮球團成品倉庫的儲存能力，調節不同時段的生產負荷。

3.2 軋制品種優化

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

表3 同材質不同規格品種鋼軋線電耗

表4 不同材質同規格品種鋼軋線電耗

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。經實踐統計，電站充、放電轉換效率約88%，運行穩定，故障率較低，基本不受其他生產因素影響，年運行時長可達8 000 h，根據峰平谷電價差，年可產生錯峰效益約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，能產生高溫高壓的蒸汽，實現熱能的高效利用。企業可考慮利用煤氣進行熔鹽加熱和儲能，在谷電時，煤氣不發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生高溫蒸汽用以發電，起到調峰作用。目前行業內已有較多鋼企關注該項技術，新型儲能發電技術的接受度也越來越高。

5 總結

各鋼鐵生產企業裝備情況、生產模式不盡相同，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濟投資的情況下，提升峰價電時段煤氣的利用效率，實現降本創效。