一、研究的背景与问题

    钢铁工业节能技术经历四十余年的引进、消化、再创新，1980-2005年大中型钢铁企业吨钢综合能耗从1.646tce/t钢降到0.747tce/t钢，下降率为55%。冶金流程和能源领域工作者从工程科学层面对钢铁能源的整体优化进行了不懈努力，如：“系统节能理论”提出了物流对能耗影响的分析方法，拓展了钢铁工业的节能原理与方法，指导企业节能方面做了大量工作；“冶金流程工程学”研究分析冶金制造流程过程中相关物质和能源流动的驱动力，继而再推广到整体流程的重构性集成优化。

    进入“十一五”，吨钢综合能耗下降幅度趋缓，大中型钢铁企业年均节能率只有0.68%；“十二五”起，随着国家能源体制改革逐步深化、政府对钢铁能源结构调整要求提高、市场驱动钢铁产品多变造成能源结构改变，钢铁生产面临控煤、控碳硬约束。针对钢铁既面临能源、资源、环境的强约束，又面临节能技术突破遭遇瓶颈，而低碳清洁能源比例低、集中式能源供应系统柔性不足、能源回收与能源转换效率提升难、钢铁生产和能源利用时空匹配难等问题更加突出的现状，行业专家呼吁：钢铁绿色低碳转型发展需要节能新理论、节能新技术。

二、技术解决方案

    2009年，宝钢启动环境经营战略，宝钢能源领域的技术创新关注到国际分布式能源理论的兴起和应用，这种相对于集中供能的分布式供能方式，利用一切可以利用的资源，辅以集中能源供应系统，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用。通过跟踪研究，项目团队认为可以探索、实践分布式能源理论结合钢铁能源系统，应对传统钢铁能源现存问题。

本项研究，首先揭示了钢铁能源特征与分布式能源理论的耦合特性：①钢铁清洁发展需求与分布式能源低碳特征相耦合，如：光伏、生物质能受现场条件、资源分布等影响，呈现分布式特征；②钢铁传统能源供需的宽幅波动与分布式能源供应的灵活性相耦合，并且都需要复杂的能源网络和能量缓冲；③钢铁能源负荷的多样性与分布式能源的多能互补、追求能效相耦合。为此，按“多能互补、网储一体、源荷交互”开展长达十年的研究与开发。

图1 项目主要研究内容与研发过程

    在实践过程中，理论与技术交替完善。至2015年，建立钢铁多流耦合分布式能源系统模型：以分布式能源的低碳特征多能互补优化传统能源结构，缓解钢厂的控煤减碳硬约束；以分布式能源的信息物理融合理念一体化调控钢厂的网储设施，应对复杂能源流的宽幅波动；以数据驱动需求侧响应能力，增强源荷互动能力，提升能源的极限利用价值。

以理论作为指导，通过实验模拟、模型开发、中试试验和应用示范，基于实施钢铁能源与分布式能源的充分耦合，构建高能效微网。在“多能互补、网储一体、源荷交互”各种技术策略中，以多流耦合分布式能源新技术开发与集成实现传统能源系统的理论重构与应用示范。

三、主要技术内容与创新

3、钢铁多流耦合分布式能源理论

钢铁流程具有典型的耗散结构特征，全流程不同工序存在连续、半连续、非连续特点，能源流“质”和“量”宽幅波动，从本质上阻碍集中式能源供应系统能效进一步提升；分布式能源系统具有灵活可靠特点，可同时满足用户多种能源需求的新型能源系统，是相异于集中供能的分散式供能方式。研究揭示了钢铁生产与分布式能源的耦合关系，提出以分布式能源的低碳特征缓解钢厂的控煤减碳硬约束，以分布式能源和信息物理融合技术动态调控钢厂的复杂能源流。

图2 钢铁生产与分布式能源的耦合关系

图3 “源-网-荷-储”为特征的多流耦合分布式能源系统架构

研究根据钢铁行业突破传统用能方式的理论发现，进一步提出“源-网-荷-储”多流耦合分布式能源理论。其特征在于：①以可再生能源开发、清洁能源引入，多能互补优化钢铁能源结构；②以钢铁过程余能极限回收利用与区域平衡提升能源价值；③以需求侧响应能力提升增强源荷互动能力；④以横向多能互补与纵向源荷网储加强系统可调整能力；⑤以多网互融数据驱动的网储一体来优化系统储能能力。

“分布式”不仅包含窄定义的清洁低碳“分布式能源”在钢铁流程中的梯级耦合应用，更重要的是指钢铁生产过程能源供应和能源应用过程“集中”与“分散”的组合，是传统钢铁能源系统架构在分布式能源理论指导下的新设计；通过理论研究与架构设计迭代完善，完成“源-网-荷-储”为特征的多流耦合分布式能源系统应用设计，在实践中不断丰富完善，形成了“多能互补、数据驱动、网储一体、源荷交互、区域平衡、极限能效”为实施钢铁多流耦合分布式能源系统架构的技术策略。

2、低碳清洁能源与传统钢铁能源多能互补技术

（1）钢企厂房屋面太阳光能发电技术

对钢铁厂房屋面结构承载、光伏与建筑结构的连接、汇流箱断路检测、发电安全并网、以及钢铁厂降尘环境下的增效发电等光伏应用条件等展开全面而系统的研究，创造性地克服钢铁厂房建筑用于光伏发电存在的诸多困难，率先实现了钢铁厂房大规模、高效能、稳定可靠地开展分布式光伏发电，建成世界最大屋顶光伏发电并网工程，使之成为钢厂低碳清洁能源的重要组成，不耗用常规一次能源和土地资源，对于缓解一次能源不足、优化能源配置可发挥积极示范作用。获得国家金太阳示范工程光伏发电项目补贴。

图4 宝钢屋顶光伏发电系统

（2）低品位余热资源利用研究与示范

形成钢铁中低温余热逐级回收与梯级利用系统解决方案，典型技术应用是宝钢兆瓦级ORC发电系统，是有机朗肯循环发电技术首次在烧结生产中应用，为钢厂普遍存在的涌动型低温余热的高能质回收利用与系统集成以及分布式能源微网构建提供了典型示范。

图5 钢铁中低温余热回收利用路线

（3）高炉煤气深度资源化研究

图6 基于宝钢和国内钢厂能源结构特点的BAO-CCU

开发了耦合钢厂余热的不同气体分离技术在高炉煤气热值提升与碳捕获的应用。围绕高炉煤气的热值提升和CO₂捕获利用，提出了从CCS(Carbon Capture and Storage)到与冶金工艺结合的CCU(Carbon Capture and Utilization)新理念，IEA、World Steel等国际组织在国际会议冠以Bao-CCU之名宣传介绍。该方案包含气体分离后的利用价值研究、高炉煤气脱碳工艺研究、能源微藻固碳技术等。

（4）低品质废热协同处置有机废弃物制备生物质能

开发了低能耗、适合大规模协同制备城市有机废弃物的生产工艺，该工艺结合钢铁企业丰富的余热资源，发挥城市钢厂的“废弃物处理、消纳、再资源化”功能，构建余热资源高效利用的分布式能源微网。

图7 钢铁低品位余热协调处置生物质技术方案

3、流体网络建模与能量储存优化技术

流体网络建模和能量储存优化技术，包括：利用高阶有限容积法开发管网和煤气柜储气的数值模拟技术，为电厂大流量和大动态使用高炉煤气解除安全风险；对热力系统不同效率汽源给出基于等效电算法的多目标优化方法，为系统调控决策提供支持；以启发式优化算法与群体智能算法结合混合整数非线性规划模型，发明循环水系统组合节能方法及系统；开发适用于南方钢厂的基于移动供热模式的浴室热水系统，以规模化的移动热网丰富了钢厂能量输配网络。

（1）高炉煤气动态平衡运行研究

开发了管网和煤气柜储气的数值模拟技术，为电厂大流量和大动态使用高炉煤气解除安全顾虑；开发了高炉煤气管网动态分析软件，实现大规模、多尺度的高炉煤气管网稳态和动态分析计算。

（2）热力系统基于基于等效电算法的多目标优化方法

针对不同效率汽源、热网路径、用能终端，开发了热力系统基于等效电算法的多目标优化方法，为系统调控决策提供支持。首次将清华大学江亿院士提出的“等效电方法”应用于钢厂，实现从能源数量与质量上对复杂能源系统的优化。

（3）基于移动供热模式的浴室热水系统

针对钢铁企业存在大量的低温余热，和冬季不使用蒸汽采暖的南方钢厂，开发了烟气余热资源的跨区域利用技术，实现低温余热的浴室移动供热，以规模化的移动热网丰富了钢厂能量输配网络，从而将低品位余热资源替代现有厂区，生活用能，服务社会用户。

（4）流体系统节能关键技术研究与应用

国际上不仅重视流体机械本体效率研究，而且也高度重视流体系统节能研究。按系统节能理念和数据驱动方法，针对净循环冷却水系统综合优化模型的特性，以启发式优化算法与群体智能算法结合混合整数非线性规划模型，提出循环水系统优化节能方法。

4、模型支撑数据驱动源荷交互技术

（1）工序极限能耗分析研究

在Carnegie Mellon University的R.J.Fruehan教授理论极限能耗模型基础上拓展开发了三层多阶工序极限能耗模型，以数据驱动构建钢铁工序能效对标的定量化极限能耗模型，为工序节能操作管理、技术应用和研发突破提供定量标杆。

图8 三层多阶模型结构划分图

（2）钢铁电力负荷预测研究

针对钢铁企业用电的大幅度波动对外部电网和企业自身的用电安全具有重大影响以及企业本厂发电和用电优化调整可带来巨大降本空间，从发电、用电和关口平衡、构建能效电厂等方面着手，形成多种自适应预测方法及滚动优化算法，控制关口电量和制定用户响应策略，提升钢铁能源系统“荷”侧响应能力。

图9 日用电量预测结果比较

（3）燃气资源高效合理地利用

针对典型燃气用户，通过在不同工况下的效率曲线测试，以理论分析和试验结果与燃气互换性曲线比较，研究煤气混合配比对效率的影响和优化方案。主要包含①混合煤气互换性研究；②典型燃气用户燃气配比；③燃烧效率的若干影响因素。为加热设备燃气互换、高效合理有效利用和平衡燃气提供了理论依据。

图10 均热炉(左)环形炉(右)混合燃气比例的允许范围

四、应用情况与效果

本项目建立分布式能源面向钢铁企业的理论与架构，以“多能互补、源荷交互、数据驱动，极限能效”为主线，通过模型开发和应用实践，共实施科研类项目10个、项目工程类27个，使得宝钢股份宝山基地节能水平有了显著提高：促使宝钢股份宝山基地吨钢综合能耗较2013年下降5.3%，在同比钢产量增加10%的情况下，煤炭消耗减少35万吨，下降3%；建成世界最大的建筑屋顶光伏示范工程，总装机容量高达72MW，建成国际首套兆瓦级利用烧结余热的有机郎肯发电机组；大型炉窑平均排烟温度降至180℃以下，余热利用率达48%以上，而同规模钢厂余热利用率平均水平为35%；吨钢二氧化碳排放强度下降5.74%；直接经济效益5.6亿元。通过技术推广形式，协助湛江钢铁、梅钢公司、武钢有限、韶钢股份、八一钢铁等多家钢厂节能降耗。 

项目形成多项知识产权：授权专利23项，其中发明专利15项；技术秘密20项；软件著作权3项，国家标准、行业标准、团体标准、企业标准各1项；发表论文25篇；参编了国家自然科学基金委和中国工程院联合资助的《高温热工装备节能科技发展战略研究》一书，负责钢铁热工装备部分；编著《低碳高能效共性难题技术研发与应用》一书，冶金工程出版社出版，系统总结了钢铁多流耦合分布式能源技术。

伴随着技术进步和新能源形势，期待分布式能源在钢铁企业获得更大的应用。

信息来源：中国宝武钢铁集团