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低温余热发电未来将有着更加广泛的应用前景

提高能源的综合利用效率,对城市实现“双碳”目标具有重要意义,也是城市能源研究和产业孵化重点关注的内容。对短期难以实现能源结构调整又耗费大量能源的行业来说,提高能源的综合利用效率是从技术经济性上来说节能降碳最可实施的手段。

钢铁行业是我国的重点用能大户,总能耗约占全国总能耗的11%,是城市控制能源消费总量、降低碳排放重点关注的行业。钢铁冶炼生产工艺包含了大量高温冶炼、加工过程,因此在生产过程中产生大量的余热资源,各类余热量可占到钢铁业总能耗的70%。

目前,几乎所有钢铁产品的工艺路线中都必须使用碳还原才能得到纯净的铁水原料,在短期无法彻底告别化石燃料的情况下,大力挖掘钢铁行业余热资源潜力,将化石燃料产生的热量“吃干榨净”,对于提升钢铁行业综合能效,进而实现“双碳”目标具有重要推动作用。

低温余热“物尽其用”的利用重点考虑技术和经济性两个方面。从技术角度看,目前钢铁业余热利用的主流方式是采用余热锅炉产生蒸汽后,推动汽轮发电机发电,此类发电方式一般要求余热热源温度在350℃以上,此温度以下的余热热源,传统的发电方式已不适用,而在钢铁制造环节中,还存在大量的低温余热,如烧结环冷机三段烟气和石灰窑烟气属于典型的低温烟气,平均温度均在200℃以下。

一直以来,钢铁行业对于这两部分余热的回收都很有限。而以有机朗肯循环(ORC)为代表的低温余热发电技术经过数十年的发展,已具备全面商用化的条件。

ORC是以低沸点有机物为工质推动发电机发电的方式,相对于传统水蒸汽为工质的发电方式而言,在热源温度较低的情况下(100℃、甚至40-50℃)就可以汽化为一定压力的蒸汽,进而实现利用低品位余热发电。

从经济角度看,为避免用户因初期投入大而放弃利用低温余热,可以采用“合同能源管理(EMC)+融资租赁”的模式建设运行,即节能公司与客户签订合同能源管理合约后,与融资租赁公司签订设备融资租赁合约,由融资租赁公司购买设备交由节能公司进行安装。

设备投运后,客户负责消纳所发的全部电力,并按照合同约定的电费及发电量向节能公司支付电费,节能公司向融资租赁公司支付租金,待融资租赁合约期满后,再由融资租赁公司将设备所有权转交至节能公司手中。该模式避免了业主方或节能公司前期大规模资金投入,利用融资租赁的低成本资金进行建设,大大提升了项目的经济可行性。

苏州市钢铁产业体量大、用能多,同时苏州对能源消费总量增幅有严格的控制,因此对低温余热利用有较大需求。低温余热发电方案也在苏州开展了具体应用。

位于江苏张家港的江苏沙钢集团有限公司是目前全国单体规模最大的钢铁企业,该厂计划利用7条烧结环冷机第三段、8条石灰窑烟气及其它低温余热资源进行ORC发电。沙钢原来仅对烧结环冷机三段烟气进行了部分回收,用于供应生活热水。但实际生活热水的使用量有限,大量余热通过直接排放的方式放散至大气中,造成了严重的浪费。

根据现场的余热资源情况,项目总共计划配置100台125kw发电机组,预计项目全部建成后,每年可发电5200万度,相当于减排二氧化碳51844吨。项目采用目前最先进的磁悬浮ORC发电机组,利用上述200℃以下的低温余热进行发电,热电转换效率可达传统螺杆式发电机组的2倍,同时由于磁悬浮系统无油的特性,省去了润滑系统的维护,大大降低了后期运维的成本。由于现场的热源分布较为分散,项目将全部采用小型分布式机组的配置方案,这给后期的运行监测带来了一定麻烦。

为此,城市能源研究院项目团队开发了一套智慧化的远程集采系统,所有设备的运行状态通过现场传感器采集后,实时远程传送至运维人员手机上的APP终端,可实现一个团队同时对多个机组的统筹精细化管理。项目先期已完成2台125kW试验机组的安装调试,目前运行状态平稳。

随着技术的不断成熟与商业模式的持续创新,未来低温余热发电将有着更加广泛的应用前景。钢铁业之外,该技术还可推广至石化、水泥、化工等其它高耗能行业。即使按10%的低温余热利用率计算,低温余热发电技术的大规模应用也可提供约780亿度/年的清洁电力,相当于每年节省2338万吨标准煤,节能减碳效益巨大。

(作者均供职于国网(苏州)城市能源研究院产业孵化中心)

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