提高能源的綜合利用效率，對城市實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義，也是城市能源研究和產業(yè)孵化重點關注的內容。對短期難以實現(xiàn)能源結構調整又耗費大量能源的行業(yè)來說，提高能源的綜合利用效率是從技術經(jīng)濟性上來說節(jié)能降碳最可實施的手段。
鋼鐵行業(yè)是我國的重點用能大戶，總能耗約占全國總能耗的11%，是城市控制能源消費總量、降低碳排放重點關注的行業(yè)。鋼鐵冶煉生產工藝包含了大量高溫冶煉、加工過程，因此在生產過程中產生大量的余熱資源，各類余熱量可占到鋼鐵業(yè)總能耗的70%。
目前，幾乎所有鋼鐵產品的工藝路線中都必須使用碳還原才能得到純凈的鐵水原料，在短期無法徹底告別化石燃料的情況下，大力挖掘鋼鐵行業(yè)余熱資源潛力，將化石燃料產生的熱量“吃干榨凈”，對于提升鋼鐵行業(yè)綜合能效，進而實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要推動作用。
低溫余熱“物盡其用”的利用重點考慮技術和經(jīng)濟性兩個方面。從技術角度看，目前鋼鐵業(yè)余熱利用的主流方式是采用余熱鍋爐產生蒸汽后，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，此類發(fā)電方式一般要求余熱熱源溫度在350℃以上，此溫度以下的余熱熱源，傳統(tǒng)的發(fā)電方式已不適用，而在鋼鐵制造環(huán)節(jié)中，還存在大量的低溫余熱，如燒結環(huán)冷機三段煙氣和石灰窯煙氣屬于典型的低溫煙氣，平均溫度均在200℃以下。
一直以來，鋼鐵行業(yè)對于這兩部分余熱的回收都很有限。而以有機朗肯循環(huán)(ORC)為代表的低溫余熱發(fā)電技術經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已具備全面商用化的條件。
ORC是以低沸點有機物為工質推動發(fā)電機發(fā)電的方式，相對于傳統(tǒng)水蒸汽為工質的發(fā)電方式而言，在熱源溫度較低的情況下(100℃、甚至40-50℃)就可以汽化為一定壓力的蒸汽，進而實現(xiàn)利用低品位余熱發(fā)電。
從經(jīng)濟角度看，為避免用戶因初期投入大而放棄利用低溫余熱，可以采用“合同能源管理(EMC)+融資租賃”的模式建設運行，即節(jié)能公司與客戶簽訂合同能源管理合約后，與融資租賃公司簽訂設備融資租賃合約，由融資租賃公司購買設備交由節(jié)能公司進行安裝。
設備投運后，客戶負責消納所發(fā)的全部電力，并按照合同約定的電費及發(fā)電量向節(jié)能公司支付電費，節(jié)能公司向融資租賃公司支付租金，待融資租賃合約期滿后，再由融資租賃公司將設備所有權轉交至節(jié)能公司手中。該模式避免了業(yè)主方或節(jié)能公司前期大規(guī)模資金投入，利用融資租賃的低成本資金進行建設，大大提升了項目的經(jīng)濟可行性。
蘇州市鋼鐵產業(yè)體量大、用能多，同時蘇州對能源消費總量增幅有嚴格的控制，因此對低溫余熱利用有較大需求。低溫余熱發(fā)電方案也在蘇州開展了具體應用。
位于江蘇張家港的江蘇沙鋼集團有限公司是目前全國單體規(guī)模最大的鋼鐵企業(yè)，該廠計劃利用7條燒結環(huán)冷機第三段、8條石灰窯煙氣及其它低溫余熱資源進行ORC發(fā)電。沙鋼原來僅對燒結環(huán)冷機三段煙氣進行了部分回收，用于供應生活熱水。但實際生活熱水的使用量有限，大量余熱通過直接排放的方式放散至大氣中，造成了嚴重的浪費。
根據(jù)現(xiàn)場的余熱資源情況，項目總共計劃配置100臺125kw發(fā)電機組，預計項目全部建成后，每年可發(fā)電5200萬度，相當于減排二氧化碳51844噸。項目采用目前最先進的磁懸浮ORC發(fā)電機組，利用上述200℃以下的低溫余熱進行發(fā)電，熱電轉換效率可達傳統(tǒng)螺桿式發(fā)電機組的2倍，同時由于磁懸浮系統(tǒng)無油的特性，省去了潤滑系統(tǒng)的維護，大大降低了后期運維的成本。由于現(xiàn)場的熱源分布較為分散，項目將全部采用小型分布式機組的配置方案，這給后期的運行監(jiān)測帶來了一定麻煩。
為此，城市能源研究院項目團隊開發(fā)了一套智慧化的遠程集采系統(tǒng)，所有設備的運行狀態(tài)通過現(xiàn)場傳感器采集后，實時遠程傳送至運維人員手機上的APP終端，可實現(xiàn)一個團隊同時對多個機組的統(tǒng)籌精細化管理。項目先期已完成2臺125kW試驗機組的安裝調試，目前運行狀態(tài)平穩(wěn)。
隨著技術的不斷成熟與商業(yè)模式的持續(xù)創(chuàng)新，未來低溫余熱發(fā)電將有著更加廣泛的應用前景。鋼鐵業(yè)之外，該技術還可推廣至石化、水泥、化工等其它高耗能行業(yè)。即使按10%的低溫余熱利用率計算，低溫余熱發(fā)電技術的大規(guī)模應用也可提供約780億度/年的清潔電力，相當于每年節(jié)省2338萬噸標準煤，節(jié)能減碳效益巨大。
(作者均供職于國網(wǎng)(蘇州)城市能源研究院產業(yè)孵化中心)
