D0I:10.13374/j.issnl001053x.2010.12.24 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 N9 12 2010年12月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Deg 2010 钢铁企业 CQ排放模型及减排策略 白 皓12) 刘 璞12)李宏煦12)赵立华12) 苍大强 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)生态与循环经济治金教有部重点实验室，北京100083 摘要建立了钢铁企业C口排放数学模型.以国内某钢铁企业为例，根据生产数据计算得到C年排放量.分析了能源结 构和产品结构对口排放的影响.利用情景分析法对钢铁企业口，减排的途径和策略进行了分析，假设天然气取代动力煤、 短流程取代长流程、考虑先进工序能耗水平和使用余热回收技术四种情景.分析对比结果表明：余热回收技术的采用对CO 减排效果较小，约为3.3%：用短流程取代长流程的Q减排效果最好，约为45.07%，若考虑电炉用电产生的间接CQ排放， 仍可实现减排2430%. 关键词钢铁企业：二氧化碳排放：数学模型：情景分析 分类号F407.3TK01+8 CO em ission m odel and reducton strategy of the steemak ing industry BAI Had 2.LIU Pu 2)LIHong-xu 2)ZHAO Lihu#2)CANG Daqiang 2) 1)SchoolofMeugcal and Ecopgical Engmeering Unversity of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)Key Laboraon ofEcopgical and RecyceMelurgy Ministry of Educaton ofChna Be iing 100083 Chha ABSTRACT A matematicalmodel of m issons in irn and steel en terprises was esublished and based on Production dat from a domestic steel plant the amount of annual em issians of he steel pantwas cakulaed by usng thismodel The nfuences of he used energy tpes and the produced steel tpes an m isspns were discussed Scenarp ana lysis was conducted p anayze he effects ofd ifferent ways and stategies on the reduction ofCO em iss pns win pur scenarps assmed using natural gas ins tead ofall the seam coa]usng EAF pocesses to repace ntegrated steemang considerng feasible pwest process energy consmpton FPEC and applying wase heat recovery echnopgy The result shows that the using of waste heat recovery echnopgy has little effect on emissions and ay3.39 of(e iss ions would be reduced however usng EAF processes p repace n egrated seem akng has the most effective mpacton he reduction ofCO emiss pns itwou H reduce450 and even if indirect(,emis spn which is caused by EAF elctricity consumption is coun ed he reduction of emiss pns woul still reach 24 30. KEY WORDS iron and steel ndustry emissians matematicalmodel scenarp aaysis 气候变暖已经成为一项全球性的环境问题， 但由于钢铁企业的能源结构不同，其对CO排放的 C)的大量排放对全球气候变暖的影响很大，人类 影响也有差异.因此，建立CQ排放模型，从多种角 工业活动释放的C?是引起全球变暖的主要原因. 度分析CQ排放的特点，对促进钢铁企业CQ减排 资料表明，钢铁工业占全球人为C9排放量的%， 是很有意义的. 如果将矿石和煤炭的开采和运输也计入时，则占 目前国际上主要有两种钢铁工业CO排放计 10%刂.我国重点钢铁企业吨钢可比能耗与国际先 算方法：政府间气候变化专门委员会(Intergove m 进水平的差距在15%左右，这说明我国钢铁企业 mentalPanel on Clmate Change IRCC国家温室气体 在加强节能的同时，还需要注重Q。减排的工作. 清单CO排放计算方法别和国际钢铁协会(nema 一般而言，节能和C门减排的联系是正相关性的， tpnal Iron and Steel Istiu长Sl提出的Cq排放 收稿日期：2010-01-14 作者简介：白皓(19份-)，男，副教授，博士，Ema1bah@metall ust吗dycn
第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.12 Dec.2010 钢铁企业 CO2 排放模型及减排策略 白 皓 1, 2) 刘 璞 1, 2 ) 李宏煦 1, 2) 赵立华 1, 2 ) 苍大强 1, 2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2)生态与循环经济冶金教育部重点实验室, 北京 100083 摘 要 建立了钢铁企业 CO2 排放数学模型.以国内某钢铁企业为例, 根据生产数据计算得到 CO2 年排放量, 分析了能源结 构和产品结构对 CO2 排放的影响.利用情景分析法对钢铁企业 CO2减排的途径和策略进行了分析, 假设天然气取代动力煤、 短流程取代长流程、考虑先进工序能耗水平和使用余热回收技术四种情景.分析对比结果表明:余热回收技术的采用对 CO2 减排效果较小, 约为 3.39%;用短流程取代长流程的 CO2 减排效果最好, 约为 45.07%, 若考虑电炉用电产生的间接 CO2 排放, 仍可实现减排 24.30%. 关键词 钢铁企业;二氧化碳排放;数学模型;情景分析 分类号 F407.3;TK01 + 8 CO2 emissionmodelandreductionstrategyofthesteelmakingindustry BAIHao1, 2) , LIUPu1 2) , LIHong-xu1 2) , ZHAOLi-hua1, 2) , CANGDa-qiang1, 2) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) KeyLaboratoryofEcologicalandRecycleMetallurgy, MinistryofEducationofChina, Beijing100083, China ABSTRACT AmathematicalmodelofCO2 emissionsinironandsteelenterpriseswasestablished, andbasedonproductiondata fromadomesticsteelplant, theamountofannualCO2 emissionsofthesteelplantwascalculatedbyusingthismodel.Theinfluences oftheusedenergytypesandtheproducedsteeltypesonCO2 emissionswerediscussed.Scenarioanalysiswasconductedtoanalyzethe effectsofdifferentwaysandstrategiesonthereductionofCO2 emissions, withfourscenariosassumed:usingnaturalgasinsteadofall thesteam coal, usingEAFprocessestoreplaceintegratedsteelmaking, consideringfeasiblelowestprocessenergyconsumption ( FLPEC) andapplyingwasteheatrecoverytechnology.Theresultshowsthattheusingofwasteheatrecoverytechnologyhaslittle effectonCO2 emissions, andonly3.39% ofCO2 emissionswouldbereduced;however, usingEAFprocessestoreplaceintegrated steelmakinghasthemosteffectiveimpactonthereductionofCO2 emissions, itwouldreduce45.07%, andevenifindirectCO2 emission, whichiscausedbyEAFelectricityconsumption, iscounted, thereductionofCO2 emissionswouldstillreach24.30%. KEYWORDS ironandsteelindustry;CO2 emissions;mathematicalmodel;scenarioanalysis 收稿日期:2010--01--14 作者简介:白 皓 ( 1969— ), 男, 副教授, 博士, E-mail:baihao@metall.ustb.edu.cn 气候变暖已经成为一项全球性的环境问题, CO2 的大量排放对全球气候变暖的影响很大, 人类 工业活动释放的 CO2 是引起全球变暖的主要原因 . 资料表明, 钢铁工业占全球人为 CO2 排放量的 7%, 如果将矿石和煤炭的开采和运输也计入时, 则占 10% [ 1] .我国重点钢铁企业吨钢可比能耗与国际先 进水平的差距在 15%左右 [ 2] , 这说明我国钢铁企业 在加强节能的同时, 还需要注重 CO2 减排的工作 . 一般而言, 节能和 CO2 减排的联系是正相关性的, 但由于钢铁企业的能源结构不同, 其对 CO2 排放的 影响也有差异 .因此, 建立 CO2 排放模型, 从多种角 度分析 CO2 排放的特点, 对促进钢铁企业 CO2 减排 是很有意义的 . 目前国际上主要有两种钢铁工业 CO2 排放计 算方法:政府间气候变化专门委员会 ( IntergovernmentalPanelonClimateChange, IPCC)国家温室气体 清单 CO2 排放计算方法 [ 3]和国际钢铁协会 ( InternationalIronandSteelInstitute, IISI)提出的 CO2 排放 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.12.024
。1624 北京科技大学学报 第32卷 计算软件，这两种方法各有局限性.为了更准确 原料和燃料认为都以CO的形式排放，其他形式的 地反映钢铁工业（企业）实际的CQ排放情况，本文 排放（如CO和烷烃）最终都会被氧化为C,因此 根据钢铁工业（企业）)排放的特点，以现有的主 可以将所有形式释放的碳都算作CQ)排放.若将钢 要计算和研究方法为基础，提出钢铁工业C门排放 铁厂作为一个平衡系统，并定义碳输入端为流入计 计算方法，并根据国内某钢铁厂的能耗统计数据，进 算边界内的所有原材料所含的固定碳折合的口 行了CO排放分析. 排放量，碳输出端为流出计算边界的所有产品所含 1钢铁厂CO,排放计算模型 的固定碳折合的C排放量，计算边界两端的C口 排放量差值即是钢铁厂最终的C)排放量.所以模 钢铁生产过程是铁煤化工的过程，碳素的输 型的碳输入端应该包括能源、熔剂和其他含碳原料， 入（的排放源）主要来源于化石燃料燃烧以及 碳输出端应该包括CO排放、产品和副产品5. 熔剂（石灰石）的分解.钢铁生产过程中的各种含碳 C排放量模型的计算边界如图1所示. 碳输人端 计算边界 碳输出端 辅助工序 能源：煤 CO,排放 燃料油、天然气 焦炉 熔剂：石灰石、 高炉) (转炉 烧结 产品：钢材、 白云石等 轧钢 外售生铁等 电炉 其他含碳原料： 副产品：焦油、 电极等 辅助工序 粗苯等 图1钢铁厂C02排放计算边界 Fg Calculation boundary of Co em issions for a iron and steel plant 模型依据碳素平衡原理 式中，Eo,为CQ排放总量，tM的碳输入端的某种 碳输入一∑碳输出 原（燃）料的消耗量，包括煤、重油和熔剂等，E℉ ×44 C门排放量 为原（燃）料的0排放因子，t;C为碳输出 12 端产品或副产品的产量，t为第种产品或副 (1) 产品的C排放因子，t 结合图1考虑不同的燃料种类，计算时可采用下式： 所谓C9排放因子，它是指单位质量的某种原 料、燃料或者产品可以产生的四排放量.本文所 Em,=∑MXE压- CsX EF (2) 采用的CQ排放因子如表1所示. 表1C02排放因子 Table1 mpact facpr ofCO em issicns t ri 碳输入端 碳输出端 燃料 熔剂 产品、副产品 ①无烟煤 ②炼焦煤 ③焦炭 ④重油 ⑤天然气 ⑥石灰石 ⑦粗钢 ⑧粗苯 288 27 314 227 164 0.44 0013 337 注：燃料①⑤中的C0排放因子数据来源于2006年版《CC温室气体清单》，单位是将各种能源折算为标准煤后的C①，排放因子：熔 剂⑥、产品⑦和副产品⑧的C门排放因子来源于国际钢铁协会 一个典型的长流程钢铁企业包括炼铁、炼钢和 铁企业一年的总C门排放量.同时为了方便计算， 轧钢工序.本文中把全部流程看作一个整体，通过 需要作假设：①焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气被完 对整体的输入输出端进行分析，应用式(2)计算钢 全燃烧：②焦化工序的副产品焦炭和软沥青被
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 计算软件 [ 4] , 这两种方法各有局限性.为了更准确 地反映钢铁工业 (企业 )实际的 CO2 排放情况, 本文 根据钢铁工业 (企业 ) CO2 排放的特点, 以现有的主 要计算和研究方法为基础, 提出钢铁工业 CO2 排放 计算方法, 并根据国内某钢铁厂的能耗统计数据, 进 行了 CO2 排放分析 . 1 钢铁厂 CO2 排放计算模型 钢铁生产过程是铁 --煤化工的过程, 碳素的输 入 ( CO2 的排放源 )主要来源于化石燃料燃烧以及 熔剂 (石灰石 )的分解 .钢铁生产过程中的各种含碳 原料和燃料认为都以 CO2 的形式排放, 其他形式的 排放 (如 CO和烷烃 )最终都会被氧化为 CO2, 因此 可以将所有形式释放的碳都算作 CO2 排放.若将钢 铁厂作为一个平衡系统, 并定义碳输入端为流入计 算边界内的所有原材料所含的固定碳折合的 CO2 排放量, 碳输出端为流出计算边界的所有产品所含 的固定碳折合的 CO2 排放量, 计算边界两端的 CO2 排放量差值即是钢铁厂最终的 CO2 排放量.所以模 型的碳输入端应该包括能源 、熔剂和其他含碳原料, 碳输出端应该包括 CO2 排放 、产品和副产品 [ 5--6] . CO2 排放量模型的计算边界如图 1所示 . 图 1 钢铁厂 CO2 排放计算边界 Fig.1 CalculationboundaryofCO2 emissionsforaironandsteelplant 模型依据碳素平衡原理, CO2 排放量 = ∑ 碳输入 -∑ 碳输出 ×44 12 ( 1) 结合图 1, 考虑不同的燃料种类, 计算时可采用下式 [ 7] : ECO2 =∑ m i=1 Mi×EFi -∑ n j=1 CS ×EFj ( 2) 式中, ECO2为 CO2 排放总量, t;Mi为碳输入端的某种 原 (燃 )料 i的消耗量, 包括煤、重油和熔剂等, t;EFi 为原 (燃 )料 i的 CO2 排放因子, t·t -1 ;CS为碳输出 端产品或副产品 j的产量, t;EFj为第 j种产品或副 产品的 CO2 排放因子, t·t -1 . 所谓 CO2 排放因子, 它是指单位质量的某种原 料、燃料或者产品可以产生的 CO2 排放量.本文所 采用的 CO2 排放因子如表 1所示. 表 1 CO2 排放因子 Table1 ImpactfactorofCO2 emissions t·t-1 碳输入端 碳输出端 燃料 熔剂 产品、副产品 ①无烟煤 ②炼焦煤 ③焦炭 ④重油 ⑤天然气 ⑥石灰石 ⑦粗钢 ⑧粗苯 2.88 2.77 3.14 2.27 1.64 0.44 0.013 3.37 注:燃料① ～ ⑤中的 CO2 排放因子数据来源于 2006年版《IPCC温室气体清单》, 单位是将各种能源折算为标准煤后的 CO2 排放因子;熔 剂⑥、产品⑦和副产品⑧的 CO2 排放因子来源于国际钢铁协会. 一个典型的长流程钢铁企业包括炼铁 、炼钢和 轧钢工序.本文中把全部流程看作一个整体, 通过 对整体的输入输出端进行分析, 应用式 ( 2)计算钢 铁企业一年的总 CO2 排放量.同时为了方便计算, 需要作假设:①焦炉煤气 、高炉煤气和转炉煤气被完 全燃烧;②焦化工序的副产品焦炭和软沥青被 · 1624·
第12期 白皓等：钢铁企业CO,排放模型及减排策略 1625 100%回收利用：③熔剂全部为石灰石，且焙烧过程 3500 1800 中完全反应：④其他原料的碳输入为零：⑤生铁不存 图CO,排放量 2800 ◆钢产量 在外售，全部应用于生产， 1200 ,2100 2钢铁企业CO排放量的数据分析 1400 600 根据模型，计算出国内某钢铁厂2001一2007年 700 C0排放量，计算结果如图2所示.以2007年该钢 铁厂的数据为例，输入端能源折合C9排放量为 0 2001 2002 2003 2004 20052006 2007 3268.26历，输入端熔剂折合C9排放量为117.65 年份 万，tC9总排放量为3244.09万，最终以C0形式 图3钢产量和C门排放总量关系 输出的碳占输入碳源的95.81%，且输入端能源折 Fg 3 Rela tionsh p of seel product ou put and Co em issins 合CO排放量占输入碳源的绝大部分，是决定钢铁 企业CO排放的主要因素. 2.15 一吨钢C02排放量 ◆←吨钢综合能耗 4000 20.65 2.05 -3000 20.25 8 2.00 2. 一输入端能源折合C0,排放量 ·一输入端熔剂折合C0,排放量 sl 19.85 一输出端（副）产品固定碳折合CO2排放量 1.90L 19.45 艹实际排放量 2001200220032004200520062007 年份 图4吨钢0排放量与吨钢综合能耗比较图 2001 2002 2003 2004 2005 20062007 Fg4 Conparison between CO,emissons per on and enegy con 年份 sumPtion per on 图2钢铁厂不同年份002排放 Fg 2 Amount of annual Co emissions in the steel plant n different 表2知洗精煤的总影响系数最高，说明消耗相同质 years 量的三种煤，洗精煤燃烧产生的①最多.因此，洗 2.1CQ排放量的影响因素 精煤的使用比例偏高，会导致CQ排放量增加. 2.1.1C9排放量与钢产量的关系 表2洗精煤，动力煤和喷吹煤的总影响系数 Table2 The toml mpact factor of washed coa]steam coaland injection 根据2001一2007年该钢铁厂的数据，钢产量与 ooal CQ排放量的关系如图3所示.可以看出，C0排 放量和钢产量的变化趋势基本是一致的，即钢产量 能源种类 洗精煤 动力煤 喷吹煤 总影响系数/(t「1) 28152 22136 2.4684 越高，C9排放量越大.但是，考察吨钢C①排放量 与吨钢综合能耗的关系（图4），它们的变化趋势是 通过图5可以看出，洗精煤的用量与吨钢C0 不一致的，即吨钢综合能耗低并不意味着较低的 排放量的变化趋势基本相同，2004年洗精煤用量下 C9排放量，如2002年的数据.根据分析，认为这 降吨钢CO排放量反而增加，是因为钢铁厂排放量 与钢铁厂能源结构、生产结构的变化有关，因此有必 还受产品结构因素和生产工序能耗的影响.比如 要研究影响吨钢C)排放量的因素. 2002和2003年该钢铁厂对初轧工序进行了生产能 2.1.2吨钢CQ排放量的影响因素 力的改造，同时也增加了能耗，从而使吨钢CO排 实际上，C9排放量与能源结构有很大关系.钢 放量增加.2004年该钢铁厂合并了另一家薄板企 铁厂的能源消耗主要由三部分构成：洗精煤、动力煤 业，是能耗增加的重要原因.2006年虽然洗精煤的 和喷吹煤.表2是不同煤种的总影响系数比较，总 使用比例有所降低，但由于该钢铁厂增加了管加工 影响系数是不同煤种的能源折标准煤系数与其C? 线和热加工线，另外2005年该钢铁厂增加了高炉及 排放因子的乘积.能源折标准煤系数是单位质量的 厚板工序，这些都导致了能耗的增加，进而使得吨钢 某种能源折算成标准煤的数量，本文中所用到的数 C0排放量升高. 据来源于《中国能源统计年鉴和中国钢铁协会.由 由此可见，洗精煤的使用量是影响吨钢C)排
第 12期 白 皓等:钢铁企业 CO2 排放模型及减排策略 100%回收利用;③熔剂全部为石灰石, 且焙烧过程 中完全反应 ;④其他原料的碳输入为零;⑤生铁不存 在外售, 全部应用于生产. 2 钢铁企业 CO2 排放量的数据分析 根据模型, 计算出国内某钢铁厂 2001— 2007年 CO2 排放量, 计算结果如图 2所示 .以 2007年该钢 铁厂的数据为例, 输入端能源折合 CO2 排放量为 3 268.26万 t, 输入端熔剂折合 CO2 排放量为 117.65 万 t, CO2 总排放量为 3244.09万 t, 最终以 CO2 形式 输出的碳占输入碳源的 95.81%, 且输入端能源折 合 CO2 排放量占输入碳源的绝大部分, 是决定钢铁 企业 CO2 排放的主要因素. 图 2 钢铁厂不同年份 CO2 排放 Fig.2 AmountofannualCO2 emissionsinthesteelplantindifferent years 2.1 CO2 排放量的影响因素 2.1.1 CO2 排放量与钢产量的关系 根据 2001— 2007年该钢铁厂的数据, 钢产量与 CO2 排放量的关系如图 3 所示.可以看出, CO2 排 放量和钢产量的变化趋势基本是一致的, 即钢产量 越高, CO2 排放量越大 .但是, 考察吨钢 CO2 排放量 与吨钢综合能耗的关系 (图 4), 它们的变化趋势是 不一致的, 即吨钢综合能耗低并不意味着较低的 CO2 排放量, 如 2002 年的数据.根据分析, 认为这 与钢铁厂能源结构、生产结构的变化有关, 因此有必 要研究影响吨钢 CO2 排放量的因素. 2.1.2 吨钢 CO2 排放量的影响因素 实际上, CO2 排放量与能源结构有很大关系.钢 铁厂的能源消耗主要由三部分构成:洗精煤、动力煤 和喷吹煤.表 2是不同煤种的总影响系数比较, 总 影响系数是不同煤种的能源折标准煤系数与其 CO2 排放因子的乘积 .能源折标准煤系数是单位质量的 某种能源折算成标准煤的数量, 本文中所用到的数 据来源于《中国能源统计年鉴》和中国钢铁协会 .由 图 3 钢产量和 CO2 排放总量关系 Fig.3 RelationshipofsteelproductoutputandCO2 emissions 图 4 吨钢 CO2 排放量与吨钢综合能耗比较图 Fig.4 ComparisonbetweenCO2 emissionspertonandenergyconsumptionperton 表 2知洗精煤的总影响系数最高, 说明消耗相同质 量的三种煤, 洗精煤燃烧产生的 CO2 最多 .因此, 洗 精煤的使用比例偏高, 会导致 CO2 排放量增加 . 表 2 洗精煤、动力煤和喷吹煤的总影响系数 Table2 Thetotalimpactfactorofwashedcoal, steamcoalandinjection coal 能源种类 洗精煤 动力煤 喷吹煤 总影响系数 /( t·t-1 ) 2.815 2 2.213 6 2.468 4 通过图 5可以看出, 洗精煤的用量与吨钢 CO2 排放量的变化趋势基本相同, 2004年洗精煤用量下 降吨钢 CO2 排放量反而增加, 是因为钢铁厂排放量 还受产品结构因素和生产工序能耗的影响 .比如 2002和 2003年该钢铁厂对初轧工序进行了生产能 力的改造, 同时也增加了能耗, 从而使吨钢 CO2 排 放量增加 .2004 年该钢铁厂合并了另一家薄板企 业, 是能耗增加的重要原因 .2006 年虽然洗精煤的 使用比例有所降低, 但由于该钢铁厂增加了管加工 线和热加工线, 另外 2005年该钢铁厂增加了高炉及 厚板工序, 这些都导致了能耗的增加, 进而使得吨钢 CO2 排放量升高. 由此可见, 洗精煤的使用量是影响吨钢 CO2 排 · 1625·
。1626 北京科技大学学报 第32卷 67.3 2.10 随着技术的进步，钢铁厂的生产流程、产品结构 以及能源结构都会发生变化，那么C)排放量就不 65.3 能再用上面的回归方程进行预测.为了探究钢铁厂 的C减排潜力，可以从生产流程和能源结构两个 一洗精煤使用的比例 1.95 方面分析C)排放量和钢产量之间关系的变化，因 ·吨钢C0,排放量 此假设了四种情景：优化能源结构（情景一）、短流 59.3 11.90 2001200220032004200520062007 程取代长流程（情景二）、考虑先进工序能耗水平 年份 (情景三)和使用余热回收技术（情景四）. 图5不同比例的洗精煤使用量下吨钢C0,排放量 22.1优化能源结构 Fg 5 Amount of(emissions per ton with diffe rent proportions of 煤的消耗会产生大量门排放，因此考虑用天 wasted coal 然气取代部分煤可减少CO排放量.钢铁厂主要使 用洗精煤、动力煤和喷吹煤，洗精煤是炼焦不可缺少 放量的因素之一，但洗精煤是炼焦的必需原料，不可 的生产原料，喷吹煤是降低焦比节能降耗的重要燃 能大量地减少用量，因此可以通过增加高炉喷煤以 料，动力煤主要用于发电.若用天然气取代喷吹煤 降低炼铁焦比或者采用非高炉炼铁(CORE凶技 能使入炉氢量大大提高，从而减少焦炭消耗、降低焦 术来减少排放. 比并提高铁水产量.考虑到天然气的成本和供给因 2.1.3与国外吨钢C0排放量的比较 素，炼铁高炉大规模喷吹天然气尚不现实，本研究中 根据国内某钢铁厂的生产数据，2007年炼铁、 暂不考虑天然气取代喷吹煤的情况.因此，本情景 炼钢、轧钢和辅助区域的能耗占总能耗的比重分别 设定为天然气取代动力煤.动力煤和天然气的 为68.89%、645%、20.28%和438%，2007年该钢 排放系数如表3所示 铁厂吨钢C0排放量为1.99t则四大区域对吨钢 表3动力煤和天然气的总影响系数 C0排放量的贡献分别为1.37t0.13t0.40和 Tab le3 Total mpact facprs of sea coal and natral gas 0.09t如果除去轧钢区域的贡献，该钢铁厂2007年 动力煤（Γ） 天然气/(tr 吨钢C0排放量将为1.59，t和欧美水平相当（欧美 22136 0002187 不计轧钢为1.60左右). 2.2钢铁厂CQ排放量预测分析 为了计算方便，在此需作两项假设：①天然气和 根据2001一2007年的C9排放量与钢产量实 动力煤发电的效率不变：②每年动力煤在该钢铁厂 际数据，得出钢产量与0排放量的关系，如图6 的所有煤中所占比例为不变（本文采用14.8%，以 所示.通过对Q排放量和钢产量进行线性回归分 2007年的数据为准).重新计算C)排放量后，钢 析，即在现有的流程、产品结构和能源结构较稳定的 产量和C0排放量的关系如图7所示.由图7可以 情况下，可以比较准确地预测钢铁厂在现有的技术 看出，若2007年该钢铁厂用天然气取代全部动力煤 水平和生产条件下，钢产量扩大时的C排放量. 发电，可以实现减排6.72%，达218.16万t当钢产 例如，当钢产量达到2000万时，C9排放量将为 量为1800万时，与使用动力煤的情况相比可以实 4013.86万t 现减排666%：当钢产量为2000万时，可实现减 3500 5000 一钢产量 4500 8使用天然气前 3200 口使用天然气后 R F4000 心 道2900 3500 =1.972x-69.856 3000 2400 2-0.9789 2500 1600 1800 2000 2200 2000 1100120013001400150016001700 钢产量/万t 钢产量/万t 图7用天然气取代动力煤前后不同钢产量下的0排放量 图6C0排放量与钢产量的线性回归 F琴7O,em issins wih and wihout natura数s replc ing stea Fg 6 Lnear regressin ofCO im issins and steelproduct ouput coal under different stee l poduct ou pu ts
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 不同比例的洗精煤使用量下吨钢 CO2 排放量 Fig.5 AmountofCO2 emissionspertonwithdifferentproportionsof washedcoal 放量的因素之一, 但洗精煤是炼焦的必需原料, 不可 能大量地减少用量, 因此可以通过增加高炉喷煤以 降低炼铁焦比或者采用非高炉炼铁 ( COREX) 技 术 [ 8--9] 来减少排放. 2.1.3 与国外吨钢 CO2 排放量的比较 根据国内某钢铁厂的生产数据, 2007 年炼铁 、 炼钢、轧钢和辅助区域的能耗占总能耗的比重分别 为 68.89%、6.45%、20.28%和 4.38%, 2007年该钢 铁厂吨钢 CO2 排放量为 1.99 t, 则四大区域对吨钢 CO2 排放量的贡献分别为 1.37 t、0.13 t、0.40 t和 0.09 t.如果除去轧钢区域的贡献, 该钢铁厂2007年 吨钢 CO2 排放量将为 1.59 t, 和欧美水平相当 (欧美 不计轧钢为 1.60 t左右 ) . 2.2 钢铁厂 CO2 排放量预测分析 根据 2001— 2007年的 CO2 排放量与钢产量实 际数据, 得出钢产量与 CO2 排放量的关系, 如图 6 所示.通过对 CO2 排放量和钢产量进行线性回归分 析, 即在现有的流程、产品结构和能源结构较稳定的 情况下, 可以比较准确地预测钢铁厂在现有的技术 水平和生产条件下, 钢产量扩大时的 CO2 排放量 . 例如, 当钢产量达到 2 000万 t时, CO2 排放量将为 4 013.86万 t. 图 6 CO2 排放量与钢产量的线性回归 Fig.6 LinearregressionofCO2 emissionsandsteelproductoutput 随着技术的进步, 钢铁厂的生产流程、产品结构 以及能源结构都会发生变化, 那么 CO2 排放量就不 能再用上面的回归方程进行预测 .为了探究钢铁厂 的 CO2 减排潜力, 可以从生产流程和能源结构两个 方面分析 CO2 排放量和钢产量之间关系的变化, 因 此假设了四种情景:优化能源结构 (情景一 ) 、短流 程取代长流程 (情景二 ) 、考虑先进工序能耗水平 (情景三 )和使用余热回收技术 (情景四 ) . 2.2.1 优化能源结构 煤的消耗会产生大量 CO2 排放, 因此考虑用天 然气取代部分煤可减少 CO2 排放量 .钢铁厂主要使 用洗精煤 、动力煤和喷吹煤, 洗精煤是炼焦不可缺少 的生产原料, 喷吹煤是降低焦比节能降耗的重要燃 料, 动力煤主要用于发电 .若用天然气取代喷吹煤, 能使入炉氢量大大提高, 从而减少焦炭消耗 、降低焦 比并提高铁水产量 .考虑到天然气的成本和供给因 素, 炼铁高炉大规模喷吹天然气尚不现实, 本研究中 暂不考虑天然气取代喷吹煤的情况.因此, 本情景 设定为天然气取代动力煤.动力煤和天然气的 CO2 排放系数如表 3所示. 表 3 动力煤和天然气的总影响系数 Table3 Totalimpactfactorsofsteamcoalandnaturalgas 动力煤 /( t·t-1 ) 天然气/( t·m-3 ) 2.213 6 0.002 187 图 7 用天然气取代动力煤前后不同钢产量下的 CO2 排放量 Fig.7 CO2 emissionswithandwithoutnaturalgasreplacingsteam coalunderdifferentsteelproductoutputs 为了计算方便, 在此需作两项假设 :①天然气和 动力煤发电的效率不变;②每年动力煤在该钢铁厂 的所有煤中所占比例为不变 (本文采用 14.8%, 以 2007年的数据为准 ) .重新计算 CO2 排放量后, 钢 产量和 CO2 排放量的关系如图 7所示 .由图 7可以 看出, 若 2007年该钢铁厂用天然气取代全部动力煤 发电, 可以实现减排 6.72%, 达 218.16万 t.当钢产 量为 1 800万 t时, 与使用动力煤的情况相比可以实 现减排 6.66%;当钢产量为 2 000万 t时, 可实现减 · 1626·
第12期 白皓等：钢铁企业CO,排放模型及减排策略 1627 排6.67%.平均C0减排量可达到6.68%左右. ▣原始排放量 2.22短流程取代长流程 4400 口电炉取代后（计入用电） ▣电炉取代后（不计用电） 钢铁工业生产有两种流程类型：长流程和短流 3900 程.一般而言，短流程的原料主要是废钢，从而可大 大减少O排放量.同时，对于电弧炉炼钢工序本 2900 身而言，由于电能的使用，C0排放量也非常小.因 2400 此，有必要研究短流程的应用对钢铁厂C门减排的 1900 影响. 1400 1600 1800 2000 电弧炉有很多类型，其容量和耗电量也都各不 钢产量/万1 相同，钢铁厂根据自身的条件会选择合适的电弧炉. 图8使用电炉前后不同钢产量下的C0排放量 目前国际的先进水平是使用“Ultmae EAP,由于 Fg8 CO cm issons with and without EAF under different steel 采用了自动控制超高功率供电（高至吨钢1500kW Pduct ouputs A),能增强EAF性能且具有精炼复合燃烧器 (refining comb ned bumer RCB)技术，一台120t万，根据推算，当钢产量为2000万时，可实现减 “U1 tmate EAP的吨钢耗电量为340kWH).国内 排24.26%，减排量可达1161.59万t说明钢产量 比较先进的电弧炉技术是攀枝花钢铁公司采用的 越大，钢铁厂C口减排量也越大. 70超高功率电弧炉，其吨钢耗电量可以达到 22.3先进能耗水平 315Wb但在炼钢时仍需加入20%的铁水山.一 所谓先进能耗水平，就是指可以实现国内外当 般而言，我国的电炉炼钢平均吨钢耗电量为 前工序能耗最小值的先进节能技术，设置此情景 417kWh.本文选取国际先进水平“U1mate 的目的是研究钢铁厂采用先进节能技术时的C) EAF技术作为分析情景. 减排潜力. 计算电炉的C9排放量，须作以下假设：①根 为了计算方便，假设该钢铁厂的能源结构比例 据欧美国家的平均水平，假设电炉钢产量占钢铁厂 较稳定.因此，使用先进节能技术后的能耗为使用 总钢产量的40%：②吨钢电极消耗定为12k3 前的9086%，根据这些关系得钢产量和C排放 吨钢耗电量为340W。h③电炉碳电极的碳质量分 量的关系如图9所示.由图9可以看出，先进能耗 数为90%；④电炉炼钢时需要占料重1.5%的石灰 水平所可实现减排约9.14%.以2007年的实际钢 造渣，电炉生产的粗钢碳的质量分数为0%0， 产量为例，可减排029666万t当钢产量2000 ⑤炼钢工序的工序能耗保持6.45%不变（数据来源 万时，可减排C9367.05万t减排程度较大.因 于国内某钢铁厂). 此钢铁厂对各个生产工序采用先进节能技术是比较 电炉炼钢不使用铁水，因此要重新计算铁水减 有效的Q减排手段. 产后的四排放量.另外，由于电炉的主要用能为 4500 电能，发电厂如果是用火力发电，那么排放的CQ 巴原始排放量 是不可忽略的.因此，对使用电炉后C排放量与 口先进工序能耗水平 4000 钢产量关系的回归分析分为两种情况（见图8）：一 种是仅仅考虑电炉取代转炉后的门减排量，不考 年3500 虑电炉的电能消耗引起的C9排放：另一种是将电 炉的电能消耗引起的C①排放计入钢铁厂的总CO 排放中. 2500- 由图8可以看出：使用电炉炼钢部分取代转炉 1600 1800 2000 钢产量/万1 炼钢后，若2007年该钢铁厂用短流程40%替代长 图9先进工序能耗的Q)排放量与钢产量关系 流程后，不计用电产生排放的情况下减排量可达到 Fg 9 C emissions with and without feasible pwest process enegy 45.32%.达1470.19万当钢产量为2000万时， consumption under different steel poduct outputs 可实现减排44.99%.平均C0减排量可达到 45.07%左右.为了便于分析，若考虑电炉用电产生 22.4余热利用技术 的排放，2007年实现减排2443%，减排量达996.10 根据国家余热标准GB/T10892000认为固
第 12期 白 皓等:钢铁企业 CO2 排放模型及减排策略 排 6.67%.平均 CO2 减排量可达到 6.68%左右. 2.2.2 短流程取代长流程 钢铁工业生产有两种流程类型 :长流程和短流 程 .一般而言, 短流程的原料主要是废钢, 从而可大 大减少 CO2 排放量.同时, 对于电弧炉炼钢工序本 身而言, 由于电能的使用, CO2 排放量也非常小.因 此, 有必要研究短流程的应用对钢铁厂 CO2 减排的 影响. 电弧炉有很多类型, 其容量和耗电量也都各不 相同, 钢铁厂根据自身的条件会选择合适的电弧炉 . 目前国际的先进水平是使用 “UltimateEAF”, 由于 采用了自动控制超高功率供电 (高至吨钢 1 500 kV· A), 能增 强 EAF性能且具有 精炼复合燃烧器 ( refiningcombinedburner, RCB) 技 术, 一台 120 t “ UltimateEAF”的吨钢耗电量为 340kW·h [ 10] .国内 比较先进的电弧炉技术是攀枝花钢铁公司采用的 70 t超高 功率电弧炉, 其 吨钢耗电量 可以达到 315kW·h, 但在炼钢时仍需加入 20%的铁水 [ 11] .一 般而 言, 我 国 的电 炉炼 钢 平均 吨 钢耗 电 量为 417kW·h [ 12] .本文选取国际先进水平 “ Ultimate EAF”技术作为分析情景. 计算电炉的 CO2 排放量, 须作以下假设:①根 据欧美国家的平均水平, 假设电炉钢产量占钢铁厂 总钢产量的 40% [ 13] ;②吨钢电极消耗定为 1.2 kg, 吨钢耗电量为 340 kW·h;③电炉碳电极的碳质量分 数为 90%;④电炉炼钢时需要占料重 1.5%的石灰 造渣, 电炉生产的粗钢碳的质量分数为 0.1% [ 10] ; ⑤炼钢工序的工序能耗保持 6.45%不变 (数据来源 于国内某钢铁厂 ) . 电炉炼钢不使用铁水, 因此要重新计算铁水减 产后的 CO2 排放量.另外, 由于电炉的主要用能为 电能, 发电厂如果是用火力发电, 那么排放的 CO2 是不可忽略的.因此, 对使用电炉后 CO2 排放量与 钢产量关系的回归分析分为两种情况 (见图 8) :一 种是仅仅考虑电炉取代转炉后的 CO2 减排量, 不考 虑电炉的电能消耗引起的 CO2 排放 ;另一种是将电 炉的电能消耗引起的 CO2 排放计入钢铁厂的总 CO2 排放中 . 由图 8可以看出:使用电炉炼钢部分取代转炉 炼钢后, 若 2007年该钢铁厂用短流程 40%替代长 流程后, 不计用电产生排放的情况下减排量可达到 45.32%, 达 1 470.19万 t;当钢产量为 2 000万 t时, 可实现减排 44.99%.平 均 CO2 减排 量可达到 45.07%左右.为了便于分析, 若考虑电炉用电产生 的排放, 2007年实现减排 24.43%, 减排量达 996.10 图 8 使用电炉前后不同钢产量下的 CO2 排放量 Fig.8 CO2 emissionswithandwithoutEAFunderdifferentsteel productoutputs 万 t;根据推算, 当钢产量为 2 000万 t时, 可实现减 排 24.26%, 减排量可达 1 161.59万 t.说明钢产量 越大, 钢铁厂 CO2 减排量也越大 . 2.2.3 先进能耗水平 所谓先进能耗水平, 就是指可以实现国内外当 前工序能耗最小值的先进节能技术 [ 14] , 设置此情景 的目的是研究钢铁厂采用先进节能技术时的 CO2 减排潜力 . 为了计算方便, 假设该钢铁厂的能源结构比例 较稳定.因此, 使用先进节能技术后的能耗为使用 前的 90.86%, 根据这些关系得钢产量和 CO2 排放 量的关系如图 9所示.由图 9 可以看出, 先进能耗 水平所可实现减排约 9.14%.以 2007年的实际钢 产量为例, 可减排 CO2 296.66 万 t;当钢产量 2 000 万 t时, 可减排 CO2 367.05万 t.减排程度较大 .因 此钢铁厂对各个生产工序采用先进节能技术是比较 有效的 CO2 减排手段 . 图 9 先进工序能耗的 CO2 排放量与钢产量关系 Fig.9 CO2 emissionswithandwithoutfeasiblelowestprocessenergy consumptionunderdifferentsteelproductoutputs 2.2.4 余热利用技术 根据国家余热标准 GB/T1089— 2000, 认为固 · 1627·