《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，提出到“2025年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右；2030年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右；2060年，清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到80%以上”“把節(jié)約能源資源放在首位，大幅提升能源利用效率”。2022年政府工作報(bào)告明確提出“有序推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和工作，落實(shí)碳達(dá)峰行動(dòng)方案，推動(dòng)能源革命，確保能源供應(yīng)，立足資源稟賦，堅(jiān)持先立后破，通盤考慮，推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型?！薄丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》更是作出了“我國步入構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的新階段”的判斷。

　　近日，習(xí)近平總書記在文章《正確認(rèn)識(shí)和把握我國發(fā)展重大理論和實(shí)踐問題》中對(duì)能源和“雙碳”工作作出重要論述，文章再次強(qiáng)調(diào)了“堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先”“發(fā)展可再生能源，推動(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合，增加新能源消納能力”“要深入推動(dòng)能源革命”等重要觀點(diǎn)。

　　鋼鐵是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是能源消耗大戶，冶金工業(yè)規(guī)劃研究院長期致力于幫助鋼鐵行業(yè)、企業(yè)提升能源利用水平，總結(jié)提出我國鋼鐵能源轉(zhuǎn)型歷程按照時(shí)間和能源種類兩個(gè)維度大致分為四個(gè)階段，即一次能源“使用”階段、二次能源“利用”階段、新舊能源“混用”階段以及未來能源“通用”階段，并分別進(jìn)行了回顧、剖析與展望。需要說明的是，這四個(gè)階段之間并沒有明確的邊界，兩個(gè)階段之間也會(huì)存在一定時(shí)間段的交疊期。

　　一次能源“使用”階段——節(jié)約優(yōu)先

　　一次能源“使用”階段從“五五”開始，我國提出“能源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在優(yōu)先位置”的方針，將節(jié)能納入國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，鋼鐵工業(yè)大力加強(qiáng)節(jié)能工作，鋼鐵企業(yè)的能源管理逐步走上了科學(xué)化和制度化軌道。

　　進(jìn)入“七五”以后，鋼鐵工業(yè)能源工作主要是搞好“三個(gè)轉(zhuǎn)向”，即節(jié)能工作的著眼點(diǎn)從單體設(shè)備、工序的節(jié)能轉(zhuǎn)向企業(yè)的整體節(jié)能；節(jié)能管理方式從經(jīng)驗(yàn)管理轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化管理，提高管理工作水平和效率；節(jié)能管理體系從單一節(jié)能部門轉(zhuǎn)向整個(gè)企業(yè)管理體系的分工協(xié)作綜合管理。通過氧氣轉(zhuǎn)爐取代平爐、連鑄取代模鑄、一火成材取代多火成材等系列生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及工藝流程優(yōu)化，鋼鐵制造流程逐漸趨于連續(xù)化、緊湊化、減量化。

　　“九五”以后，鋼鐵工業(yè)工作重點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)改造和建設(shè)大型節(jié)能裝置，如發(fā)展連鑄、提高噴煤比。中國鋼鐵工業(yè)從單體節(jié)能擴(kuò)展到系統(tǒng)節(jié)能，通過生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝流程優(yōu)化等措施，使得鋼鐵工業(yè)噸鋼能耗第一次出現(xiàn)大幅度下降，能耗指標(biāo)下降200kgce/t。

　　在一次能源“使用”階段，能源使用相對(duì)粗放，甚至在一定時(shí)間段重油曾被廣泛用作高爐噴吹燃料，加熱爐、鐵礦石燒結(jié)和鐵礦石球團(tuán)法的點(diǎn)火、焙燒等。

　　從“十五”開始進(jìn)入二次能源“利用”階段，鋼鐵行業(yè)開始大力推廣應(yīng)用“三干、三利用”節(jié)能減排新技術(shù)，“三干”即干熄焦、高爐干法除塵、轉(zhuǎn)爐干法除塵；“三利用”即可燃?xì)怏w、工業(yè)用水和工業(yè)廢棄物的全面回收和綜合利用。在《冶金流程工程學(xué)》的指引下，我國鋼鐵企業(yè)開始關(guān)注鋼鐵制造流程“能源轉(zhuǎn)換功能”的開發(fā)，這個(gè)階段更加注重實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源效率的最大化，逐步推進(jìn)實(shí)現(xiàn)從單體工序節(jié)能向系統(tǒng)節(jié)能的真正轉(zhuǎn)變。

　　鋼鐵生產(chǎn)消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放出，其溫度上至1500℃，下至近于環(huán)境溫度的廣泛范圍，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱：副產(chǎn)煤氣包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，一般歸為余能，但其顯熱及壓力能屬于余熱；排氣余熱多為爐窯排出廢氣帶走的熱，占余熱資源總量的一半左右，溫度范圍為250℃～1000℃；固體余熱包括燒結(jié)礦、紅焦炭、高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣及鑄坯等，一般在500℃以上；廢汽廢水余熱包括蒸汽冷凝水、鍋爐汽包的排污水（90℃～100℃）、高爐沖渣水（70℃～90℃）等。可以說，鋼鐵工業(yè)的二次能源是一座巨大的寶藏庫，亟待開發(fā)利用。

　　在此期間，隨著副產(chǎn)煤氣發(fā)電、TRT（BPRT）、燒結(jié)余熱發(fā)電、干熄焦等余熱余能利用技術(shù)廣泛應(yīng)用，鋼鐵企業(yè)煤氣損失率逐年降低、自發(fā)電比例不斷提高，鋼鐵工業(yè)二次能源利用取得顯著進(jìn)步。副產(chǎn)煤氣是利用相對(duì)較好的二次能源，副產(chǎn)煤氣除供應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)外，富余的被送至煤氣電廠轉(zhuǎn)化為電力。得益于發(fā)電技術(shù)進(jìn)步，目前高參數(shù)煤氣發(fā)電機(jī)組的效率超過40%，重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)余熱余能自發(fā)電率超過53%。重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收量平均值達(dá)到117m3，TRT（BPRT）配備率達(dá)99%以上，干熄焦配備率達(dá)93%以上，同時(shí)擁有世界上最大單機(jī)低熱值燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，超臨界煤氣發(fā)電、燒結(jié)余熱回收利用技術(shù)、飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)等已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。

　　鋼鐵二次能源利用也存在一些尚未解決的問題，包括余熱余能的回收往往重視回收輕視利用效率，能源介質(zhì)長距離輸送，煤氣及蒸汽存在階段性不平衡及耦合利用方面仍有提升潛力，部分耗能設(shè)備介質(zhì)使用沒有做到能級(jí)匹配和溫度對(duì)口，熔融鋼渣余熱等中低溫余熱尚未利用等。目前，焦化燃燒室排煙余熱、燒結(jié)余熱、高爐余熱、轉(zhuǎn)爐煉鋼余熱、電爐余熱、軋鋼加熱爐煙氣余熱等余熱資源，溫度相對(duì)較低，流量波動(dòng)較大。對(duì)于余熱資源波動(dòng)問題，多數(shù)企業(yè)設(shè)置蒸汽蓄熱器來解決，但效果仍不理想。鋼鐵企業(yè)的蒸汽需求量較少，只能產(chǎn)生低品位飽和蒸汽用于發(fā)電，效率較低。鋼鐵二次能源“利用”示意圖見圖1。

圖1 鋼鐵二次能源“利用”示意圖

　　新舊能源“混用”階段——協(xié)調(diào)互補(bǔ)

　　隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)要求調(diào)整能源結(jié)構(gòu)大力發(fā)展可再生能源，但是包括鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的全社會(huì)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會(huì)改變，鋼鐵工業(yè)進(jìn)入新舊能源“混用”階段。在這個(gè)階段，需要統(tǒng)籌化石能源與可再生能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)，在立足以煤為主的能源稟賦基本國情的基礎(chǔ)上，以儲(chǔ)能系統(tǒng)為支撐逐步加強(qiáng)新能源的應(yīng)用和消納。

　　鋼鐵行業(yè)可發(fā)展的可再生能源有光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，鋼鐵企業(yè)大面積的廠房具有發(fā)展屋頂光伏發(fā)電的天然優(yōu)勢(shì)，臨江靠海的鋼鐵企業(yè)具有發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件。可再生能源有間斷不穩(wěn)定的先天不足，較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供能的要求，而鋼鐵企業(yè)有豐富的二次能源，能夠與可再生能源形成良性互補(bǔ)。因此，如何實(shí)現(xiàn)新能源消納成為鋼鐵能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鋼鐵企業(yè)在引入新能源發(fā)電后，會(huì)給企業(yè)用能安全性和用能經(jīng)濟(jì)性帶來一定的影響。首先，引入新能源發(fā)電對(duì)鋼鐵企業(yè)原有電力利用、余熱余能發(fā)電均形成影響，引起電網(wǎng)關(guān)口電量的大幅波動(dòng)；其次，新能源發(fā)電的大容量接入，企業(yè)自發(fā)電比例提高，午間將富余電量以低價(jià)上網(wǎng)，晚高峰以峰價(jià)從電網(wǎng)購電，效益受到影響。某鋼鐵企業(yè)引入新能源發(fā)電對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的影響見圖2。企業(yè)自發(fā)電200MW，其中煤氣發(fā)電180MW（2臺(tái)100MW）、余熱發(fā)電13.4MW，TRT發(fā)電5.9MW，不足部分約150MW由電網(wǎng)購入；引入300MW地面光伏及20MW屋頂光伏后，晴天正午最大富余功率約138MW，晚間差額約150MW。

圖2 某鋼鐵企業(yè)引入新能源發(fā)電對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的影響

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決能量供求之間在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾，是新能源與可再生能源發(fā)展的核心支撐。在這個(gè)階段，需要基于鋼鐵流程特點(diǎn)，利用鋼鐵二次能源可調(diào)節(jié)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，以儲(chǔ)熱、電化學(xué)儲(chǔ)能、空分儲(chǔ)能、煤氣柜等儲(chǔ)能系統(tǒng)為重要橋梁，與可再生能源構(gòu)建多能互補(bǔ)與儲(chǔ)能相結(jié)合的能源體系（見圖3），并探索可再生能源與副產(chǎn)煤氣、余熱余壓自發(fā)電機(jī)組相銜接的智慧電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化。

圖3 鋼鐵多能互補(bǔ)與儲(chǔ)能相結(jié)合的能源體系示意圖

　　未來能源“通用”階段——聯(lián)通共享

　　人類的終極能源將是綠電、綠氫為核心的能源系統(tǒng)，鋼鐵行業(yè)亦是如此。

　　近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局等十部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》，明確提出進(jìn)一步拓展電能替代的廣度和深度，提高電能占終端能源消費(fèi)比重，大力推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域電氣化。電力長期以來一直是鋼鐵工業(yè)占比次高的重要能源（按當(dāng)量值口徑占比約6%），伴隨著電力的逐步“綠化”，未來鋼鐵行業(yè)更要持續(xù)推進(jìn)電氣化，大幅提高電能的應(yīng)用比例，加快推廣以電代煤、以電代油、以電代氣。采用電爐直接冶煉廢鋼，可最大程度用電能替代煤類能源實(shí)現(xiàn)減碳，尤其是采用綠電冶煉時(shí)，幾乎可做到零碳排放。金屬化微波燒結(jié)、燒結(jié)SHRT、高爐BPRT、精煉機(jī)械真空泵、軋鋼電加熱、煤氣管道電伴熱、電能重卡、電動(dòng)皮帶廊等均是非常好的電能替代場(chǎng)景。

　　盡管電能替代會(huì)在鋼鐵脫碳進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，但是80%左右來源于原料與生產(chǎn)高品位熱能的碳排放無法通過電能替代實(shí)現(xiàn)脫碳，氫能是解決這一問題的有效途徑。氫能在鋼鐵的應(yīng)用場(chǎng)景包括氫冶金、氫能重卡、熱處理爐保護(hù)氣等，其中氫冶金包括高爐富氫冶煉、氫基豎爐直接還原、氫基熔融還原等，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的技術(shù)探索，國內(nèi)中國寶武、河鋼、酒鋼、晉南鋼鐵等企業(yè)都已經(jīng)在氫冶金研發(fā)應(yīng)用方面取得一定進(jìn)展，氫能的利用是鋼鐵工業(yè)脫碳過程中的關(guān)鍵。

　　氫能屬于二次可再生能源，既可以作為儲(chǔ)能側(cè)的“穩(wěn)定器”，也可以作為用電側(cè)的“燃料源”，可充當(dāng)能源緩沖載體提高能源系統(tǒng)柔性。未來，氫能將扮演高效清潔的可再生二次能源、盤活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料三重角色，大力發(fā)展氫能、強(qiáng)化綠氫與綠電的互補(bǔ)是最終優(yōu)化解決可再生能源轉(zhuǎn)型替代的關(guān)鍵。甲醇（CH3OH）是氫的優(yōu)質(zhì)載體，以氫制取甲醇實(shí)際上是將氫的能量轉(zhuǎn)移到甲醇中；甲醇與氫氣相比運(yùn)輸成本更低、更安全，當(dāng)需要用氫氣時(shí)可以通過槽罐車或管道運(yùn)輸至相應(yīng)區(qū)域，通過氣化裝置制取氫氣。甲醇同時(shí)是基本的化工中間體，可替代汽油及廣泛地應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)，可以解決我國液體燃料短缺和清潔替代問題。

　　在未來建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應(yīng)以電能替代和氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，以甲醇作為優(yōu)質(zhì)載體，加上氫冶金技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，使鋼鐵擺脫對(duì)化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實(shí)現(xiàn)低碳甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時(shí)依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”加快能源數(shù)字化、智能化升級(jí)，提高能源系統(tǒng)靈活感知及高效運(yùn)行能力，最終實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)聯(lián)通共享。鋼鐵以“綠氫+綠電”為核心的能源系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 鋼鐵以“綠氫+綠電”為核心能源系統(tǒng)示意圖

　　結(jié)論與建議

　　碳達(dá)峰碳中和“1+N”政策體系和《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》對(duì)未來能源發(fā)展和轉(zhuǎn)型路徑作了系統(tǒng)性部署，鋼鐵作為重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，責(zé)無旁貸地走上能源轉(zhuǎn)型變革之路。

　　鋼鐵行業(yè)走過了一次能源“使用”階段，正在由二次能源“利用”階段走向新舊能源“混用”階段，在這個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型期，需要統(tǒng)籌化石能源與非化石能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)，在立足以煤為主的基本國情基礎(chǔ)上，以儲(chǔ)能系統(tǒng)為支撐逐步加強(qiáng)新能源的應(yīng)用和消納，構(gòu)建多能互補(bǔ)與儲(chǔ)能相結(jié)合的能源體系。

　　在未來建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應(yīng)以電能替代和氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，以甲醇作為優(yōu)質(zhì)載體，加上氫冶金技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，使鋼鐵擺脫對(duì)化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實(shí)現(xiàn)低碳甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時(shí)依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”加快能源數(shù)字化、智能化升級(jí)，提高能源系統(tǒng)靈活感知及高效運(yùn)行能力，最終實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)聯(lián)通共享。

　　對(duì)于鋼鐵企業(yè)而言，每家企業(yè)的生產(chǎn)方式、裝備水平、流程結(jié)構(gòu)、地域能源供應(yīng)條件均有所差異，發(fā)展階段也不盡相同。因此，建議鋼鐵企業(yè)要正確認(rèn)識(shí)和把握“雙碳”進(jìn)程中能源轉(zhuǎn)型的重要性，開展能源專項(xiàng)咨詢，客觀評(píng)估能效水平并制定措施以達(dá)到國家政策要求，提升余熱余能自發(fā)電率降低用能成本，構(gòu)建多能互補(bǔ)與儲(chǔ)能相結(jié)合的用能體系促進(jìn)新能源消納，為企業(yè)爭(zhēng)取更大的發(fā)展空間以應(yīng)對(duì)能耗雙控的不利影響，提前布局氫能等未來能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展。（范鐵軍）