|
钢铁被认为是一种能源密集型材料，在其制造过程中要排放大量的温室气体。20世纪90年代以来，由于连铸、高炉喷煤、高炉长寿、转炉溅渣护炉、综合节能、棒线材连轧国产化等6项共性关键技术的突破与应用，中国钢铁生产流程得以优化，1990－2000年中国钢产量增长了将近1倍，而能源消耗总量仅增加了约31％，吨钢能耗大幅度下降，吨钢温室气体等环境负荷逐年降低，目前在2t (CO2）/t（钢）左右的排放水平（图1)。
图1 1990－2002年中国钢铁工业粗钢产量和CO2排放量变化 表1 不同国家和地区的主要钢铁企业CO2排放强度（吨钢CO2排放量）
表1列出了不同国家和地区的主要钢铁企业或钢铁工业的CO2排放强度，可见不同国家和地区的主要钢铁企业／工业CO2排放强度均不一样，其原因主要有： 1、计算方法和系统边界的选取不一样； 2、能源结构不同，碳排放因子选取也不一样，有的是用自己的实测值，有的则是用某一计算方法体系的默认值，有的则是选用所在国家提供的排放因子； 3、 CO2排放水平还和企业的流程结构、产品结构特点有关，不同企业其流程结构和产品结构不同，没有可比性。如以天然资源为源头的高炉一转炉长流程的CO2 排放水平大约是使用再生资源废钢为源头的电炉短流程的3.5倍，每个企业生产的电炉钢比例不同，其吨钢CO2排放也不同，不在同一前提下的吨钢CO2排放量的比较是没有意义的。 4、不同企业实际生产中的CO2排放水平还与该企业的装备水平、技术水平以及管理水平有很大关系，如企业的装备技术、工艺技术和管理技术水平高，则其用能效率高，其CO2排放也就相对要少。 因此，对于不同来源的吨钢CO2排放数据，需综合考虑其计算方法、统计口径和范围、能源结构、废钢利用、原燃料质量及企业自身装备、工艺技术、管理水平等各因素的影响方可客观比较。本文将结合中国钢铁工业／企业的实际，进行钢铁制造流程的碳素流运行规律解析，对中国钢铁工业／企业的CO2排放进行估算。 一、钢铁制造流程的碳素流运行规律解析 钢铁企业的碳素流与能源以及环境是密切相关的。碳素流既表现为物质流，也表现为能量流。从物质流角度看，钢铁企业中碳素能源的最终形式是CO2排放物，这与周边环境负荷是息息相关的；从能量流角度看，碳素能源是钢铁企业的主要购人能源，能量流的主体。 对钢铁制造流程进行碳素流运行规律解析是为了更好地掌握钢铁企业生产流程中的CO2排放源，同时也能提高企业碳素能源的利用效率。碳素能源在钢铁企业中的反应主要是氧化放热反应，它的最终产物将是CO（不完全燃烧）和CO2（完全燃烧），如果最终产物只有CO2，则发生完全反应，碳素能量全部释放；如果不完全反应，则能量部分释放，燃烧产物中还贮存部分能量，但最终还是以CO2的方式排放到周围环境。 本文将从直接排放和间接排放来考虑钢铁工业／企业的CO2排放计算，所谓直接排放是指排放源是由报告实体所有或控制的在生产过程中排放的CO2，即企业自身化石燃料和熔剂等消耗所产生的CO2排放；间接排放是指报告实体活动所使用的，但是排放是发生在其它实体所控制的排放源上，如电力，其排放是由电力生产部门燃烧矿物燃料产生的，在钢铁企业使用外购电时计算其CO2排放即为间接排放。此外，冶金渣用作水泥CO2，捕集后的外卖生产啤酒等则属于潜在的碳排放权。 （一）钢铁企业碳素流分析－直接排放源 下文将对钢铁企业在工序层次上进行碳素流分析，确定工序层次上的CO2直接排放源。直接排放只考虑输人输出中的直观碳含量。 1、焦化过程的碳素流。焦化过程中的碳素流主要是指洗精煤在炭化室中加热干馏成焦炭，同时产出焦炉煤气、焦油和粗苯等副产物的过程。此外，加热焦炉用煤气（单一或混合的焦炉煤气、高炉煤气）对炭化室内洗精煤进行间接加热并发生干馏的过程也包含在碳素流中（表2）。 表2 钢铁企业及其各工序CO2直接排放源分析
2、烧结过程的碳素流。烧结过程必须在一定的高温下才能进行，而高温是由燃料的燃烧所造成的。烧结生产所用燃料包括固体燃料（焦粉、煤粉）和气体燃料（点火煤气COG、BFG和BOFG），以固体燃料消耗为主。烧结混合料中的碳燃烧后最终将转变为CO2、CO，因固体燃料受烧结混合料中的分布、烧结工艺等因素的影响，部分燃烧不完全，形成烧结粉尘和烧结矿及返矿中的残碳。此外，烧结矿生产中使用的熔剂中只有石灰石、白云石等含碳熔剂会带来CO2的直接排放（表2）。 3、炼铁过程的碳素流。碳素是炼铁过程的主要还原剂，炉内以燃烧反应为主，由焦炭、喷吹煤粉中的碳转化为CO、CO2；在一定条件下，也发生少量的析碳反应。此外，由于铁氧化物还原最初生成的海绵铁具有较高的活性，以及熔铁滴落穿过焦炭层过程具有良好的渗碳条件，因此，会有相当数量的碳发生渗碳反应而溶人铁水。 炼铁过程中碳素主要来源．于焦炭和喷吹燃料（煤粉），一小部分来自于烧结矿残碳；如添加石灰石等熔剂，则有少量来自于碳酸盐分解产生的CO2。碳素在炉内发生复杂的物理化学变化后，最终转化为CO、CO2进入到煤气中；部分溶解于生铁中，少量进入到煤气粉尘中，随煤气逸出炉外。碳素流在炉内以氧化反应为主，大部分进入煤气，有45～50kg/t（HM)（HM：Hot Metal)的碳素通过渗碳溶入铁水，6kg/t (HM)左右的碳素进人到粉尘中；进入煤气中的碳素50％～55％转化为CO、45％～50％转化为CO2。此外，高炉鼓风也含有一定量的CO2，而热风炉也要消耗一定量的煤气（主要是BFG和COG）来对空气进行加热，最终以热风炉废气的形式排出（表2）。 4、炼钢过程碳素流。炼钢过程中，由铁水带入的4.0％～4.5％的碳将在氧气射流的作用下，快速氧化，最终钢水中仅含有0.08％左右的碳。此外，炼钢生产中使用的含碳熔剂有白云石、菱镁矿等（表2）。 5、连铸－热轧过程碳素流分析。连铸－热轧过程碳素流主要是加热用燃料（主要是副产煤气）的能量消耗（表2）。 综上所述，对钢铁行业和企业来说钢铁生产过程是铁－煤化工过程，碳素的输人端（CO2的排放源）主要来源于煤等化石燃料燃烧、石灰石等含碳熔剂的分解以及废钢等原料的消耗。碳素的输出端主要包含钢材等产品、焦油等副产品以及高炉渣等所含的碳量，见表2。在行业／企业层次上，其输入端均为外购量，输出端均为外卖量。 （二）钢铁企业碳素流分析－间接排放源 间接排放由于在工序层次上比较复杂，且在工序层次上的计算结果意义不大，不再予以分析，只对其企业层次进行分析，见表3。 表3 钢铁企业CO2间接排放源分析
二、钢铁工业的CO2排放计算 （一）钢铁工业CO2排放计算原理 根据碳平衡原理计算，采用中国钢铁工业的年度（或某一时期内）的能源、熔剂及含碳原料消耗数据，并扣除产品／副产品带走碳量，即： 钢铁工业CO2排放＝（碳输人－碳输出）×44/12 （二）钢铁工业CO2排放计算口径、边界钢铁工业CO2排放量的边界如图2所示。 图2 钢铁工业CO2排放计算边界示意图 （三）中国钢铁工业CO2排放计算结果分析 基于数据的连续性与可靠性，选取《中国能源统计年鉴》中黑色金属冶炼及压延加工业数据作为中国钢铁工业CO2排放计算的能源基础数据，适当剔除重复计算和铁合金部分能耗。此外，熔剂消耗的数据是通过调研对全国钢铁工业的平均消耗水平进行估算得到的。且在计算中，为避免与电力行业发生重复计算，不考虑外购电力的间接排放。以此，对1991－2007年的中国钢铁工业CO2排放量进行估算，得到如下几点结论。 1、初步估算，2005年中国钢铁工业能耗约占全国能源消费总量的13.8％，CO2直接排放量约为7.5亿t(图3，不含外购电力），占当年世界钢铁工业CO2直接排放量（约为20亿t）37. 5％；而2007年中国钢铁工业的能源消耗约占全国总能耗的14.39％，其CO2直接排放量约为9.2亿t。
图3 1991－2007年中国钢铁工业CO2排放情况 2、中国钢铁工业吨钢CO2排放总体趋势是逐年降低的，由1991年的3.22 t（CO2）/t（钢）下降到2007年的约1.87t（CO2）/t（钢），下降约42%。 中国吨钢CO2排放量高于主要产钢国家，主要有两个先天不足：①电炉钢比与世界平均水平相比低15%～21%（图4)，电炉钢比低是客观上造成中国钢铁工业能耗高、温室气体排放量大的原因之一。②中国钢铁工业一次能源中煤炭占能源总量的70％以上。与世界主要产钢国相比，煤炭比例远高于其他主要产钢国，而天然气和燃料油的比重明显低于发达国家。客观上煤炭利用过程中的能源效率较低、污染排放严重、产品能源成本高。
图4 2000－2007年中国与世界电炉钢比的对比 3、在钢铁工业总的CO2排放量中，能源（化石燃料）消耗引起的CO2排放量是最主要的部分，约占钢铁工业CO2排放总量的90％以上（图5)。因此，现阶段中国钢铁工业CO2减排的首要措施是节能。
图5 钢铁工业能源消耗产生的CO2排放量与总排放量对比 三、钢铁企业由能源消耗引起的CO2排放计算 此处计算是对以天然资源、煤炭等为源头的高图5 钢铁工业能源消耗产生的CO2排放量与总排放量的对比炉－转炉“长流程”和以再生资源废钢为源头的电炉“短流程”两类流程进行估算。由能源消耗引起的CO2排放计算主要包含化石燃料消耗引起的直接排放，动力介质消耗引起的间接排放，以及副产品（副产煤气等）的抵扣。 本文选择构建的长流程是年产800万t的平材生产流程（焦炭100％自产），短流程是年产200万t的平材生产流程（全废钢〕。由于钢铁企业工序之间物质流、能量流错综复杂，导致间接排放计算在工序层次上计算繁琐，暂且不予以考虑。 （一）年产800万t平材BF－BOF生产流程 表4给出了长流程各个工序由能源消耗引起的CO2排放水平，计算口径包含焦化、烧结、球团、高炉、转炉、连铸和热轧。长流程结果为2149.53 kg(CO2)/t(钢），其中高炉炼铁占64.57％，若考虑炼铁全系统（即包含焦化、烧结和高炉炼铁）占整个流程的86.59％；因此减少CO2排放的重点应放在炼铁全系统，尤其是高炉炼铁工序。 表4 长流程各工序由能源消耗引起的CO2排放情况
|
|
|
