钢铁企业能源消耗与CO2减排关系

D0L:10.13374折.issn1001-053x.2012.12.013 第34卷第12期 北京科技大学学报 Vol.34 No.12 2012年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2012 钢铁企业能源消耗与CO,减排关系 卢 鑫12白皓12☒ 赵立华12) 刘雪婷”苍大强2 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 2)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:baihao(@metall.usth.cdu.cn 摘要建立了钢铁企业长流程C02过程排放模型，给出总排放和工序排放的计算方法.计算发现：国内某800万t产量规 模的典型钢铁企业C02总排放在2007年达到1561.64万t,吨钢排放1.85tC02:工序排放从大到小依次为炼铁、焦化、烧结、 轧钢、炼钢、熔剂焙烧和球团工序，其中炼铁和焦化工序排放分别占总排放的8.83%和11.25%。为了评价钢铁企业能源消 耗和CO,减排关系，提出钢铁企业C0,综合排放因子和能耗碳饱和指数评价方法.研究表明，为了减少C0,排放，钢铁企业 不仅需要降低总体能耗，还需要降低能耗的碳饱和指数，能耗碳饱和指数与能源结构相关，能源结构中C0,总影响系数大的 能源种类消耗量越大（例如焦炭），碳饱和指数越高，越不利于C0,的减排.这说明实现钢铁生产的生态园区化、优化能源结 构以及加强钢铁生产的能源转换功能对钢铁企业减排有显著作用. 关键词钢铁企业：二氧化碳：气体排放：排放控制：能源消耗 分类号F407.3:TK018 Relationship between the energy consumption and CO,emission reduction of iron and steel plants LU Xin,BAI Hao,ZHAO Li-hua,LIU Xue-ting,CANG Da-giang) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:baihao@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT A CO2 process emission model was built to calculate the CO2 emission of iron and steel plants for total and each process.The total emission of a specific plant with the productivity of about 8 million tons per year is 15.61 million tons and the emis- sion intensity is 1.85 t CO,for per ton of steel.Calculation results show that the order from the highest emission to the lowest one is BF,coking,sintering,rolling,BOF,flux roasting,and pelletizing process:the BF process and coking process account for 58.83% and 11.25%of the total emission,respectively.The general emission factor (GEF)and carbon saturation index (CSI)were proposed to evaluate the relationship between energy consumption and CO,emissions in iron and steel making.It is found that the reduction of CO,emissions results from not only energy saving but also the CSI reduction;the CSI has a significant relationship with the energy structure,and the higher percentage of energy with a higher total CO impact coefficient in the energy structure (coke for example)will results in a higher CSI,which has negative effect on the reduction of CO2 emissions.Developing eco-industrial parks,optimizing the energy structure,and enhancing the energy transform function of iron and steel making all have significant benefit on the reduction of CO,emissions. KEY WORDS iron and steel plants;carbon dioxide:gas emissions:emission control:energy consumption 温室气体特别是C02在大气中含量的增加，已 化铁为主的高温化学过程，生产过程中会排放大量 成为导致全球气候变化的主要原因，减碳成为实现 的CO2.据政府间气候变化专门委员会(ntergovern-- 可持续发展的必由之路口.钢铁生产是以碳还原氧 mental Panel on Climate Change,PCC)20o1年估计 收稿日期：2011-10-08

第 34 卷 第 12 期 2012 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 12 Dec． 2012 钢铁企业能源消耗与 CO2 减排关系 卢 鑫1，2) 白 皓1，2)  赵立华1，2) 刘雪婷1) 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) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: baihao@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 建立了钢铁企业长流程 CO2 过程排放模型，给出总排放和工序排放的计算方法． 计算发现: 国内某 800 万 t 产量规 模的典型钢铁企业 CO2 总排放在 2007 年达到 1561. 64 万 t，吨钢排放 1. 85 t CO2 ; 工序排放从大到小依次为炼铁、焦化、烧结、 轧钢、炼钢、熔剂焙烧和球团工序，其中炼铁和焦化工序排放分别占总排放的 58. 83% 和 11. 25% ． 为了评价钢铁企业能源消 耗和 CO2 减排关系，提出钢铁企业 CO2 综合排放因子和能耗碳饱和指数评价方法． 研究表明，为了减少 CO2 排放，钢铁企业 不仅需要降低总体能耗，还需要降低能耗的碳饱和指数，能耗碳饱和指数与能源结构相关，能源结构中 CO2 总影响系数大的 能源种类消耗量越大( 例如焦炭) ，碳饱和指数越高，越不利于 CO2 的减排． 这说明实现钢铁生产的生态园区化、优化能源结 构以及加强钢铁生产的能源转换功能对钢铁企业减排有显著作用． 关键词 钢铁企业; 二氧化碳; 气体排放; 排放控制; 能源消耗 分类号 F407. 3; TK01 + 8 Relationship between the energy consumption and CO2 emission reduction of iron and steel plants LU Xin1，2) ，BAI Hao 1，2)  ，ZHAO Li-hua1，2) ，LIU Xue-ting1) ，CANG Da-qiang1，2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: baihao@ metall． ustb． edu． cn ABSTRACT A CO2 process emission model was built to calculate the CO2 emission of iron and steel plants for total and each process． The total emission of a specific plant with the productivity of about 8 million tons per year is 15. 61 million tons and the emis￾sion intensity is 1. 85 t CO2 for per ton of steel． Calculation results show that the order from the highest emission to the lowest one is BF，coking，sintering，rolling，BOF，flux roasting，and pelletizing process; the BF process and coking process account for 58. 83% and 11. 25% of the total emission，respectively． The general emission factor ( GEF) and carbon saturation index ( CSI) were proposed to evaluate the relationship between energy consumption and CO2 emissions in iron and steel making． It is found that the reduction of CO2 emissions results from not only energy saving but also the CSI reduction; the CSI has a significant relationship with the energy structure，and the higher percentage of energy with a higher total CO2 impact coefficient in the energy structure ( coke for example) will results in a higher CSI，which has negative effect on the reduction of CO2 emissions． Developing eco-industrial parks，optimizing the energy structure，and enhancing the energy transform function of iron and steel making all have significant benefit on the reduction of CO2 emissions． KEY WORDS iron and steel plants; carbon dioxide; gas emissions; emission control; energy consumption 收稿日期: 2011--10--08 温室气体特别是 CO2 在大气中含量的增加，已 成为导致全球气候变化的主要原因，减碳成为实现 可持续发展的必由之路［1］． 钢铁生产是以碳还原氧 化铁为主的高温化学过程，生产过程中会排放大量 的 CO2 ． 据政府间气候变化专门委员会( Intergovern￾mental Panel on Climate Change，IPCC) 2001 年估计 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.12.013

·1446· 北京科技大学学 报 第34卷 数据，钢铁生产每年排放6.50亿tC02,是第四大消 铁企业能源结构对钢铁企业CO2减排机制和效果 耗化石能源的工业活动回.据欧洲环境组织 的影响 (European Environment Agency,EEA)2006年统计 1 钢铁企业C0,过程排放模型与分析 数据，在欧洲钢铁工业是除电力工业之外最大的 C02排放源，约占欧洲制造业C02排放的18%间. 1.1钢铁企业C02过程排放模型 2004年，中国的钢铁产量已经成为世界第一，每年 钢铁生产中，通过能源、还原剂、熔剂以及其他 排放的C02达5亿t以上，约占全国的9.2%回 形式进入钢铁生产体系的碳素在各工序中经过一系 针对高C02排放强度的生产特征，研究人员从 列变化，一部分进入产品或各种副产品，另一部分以 多方面对钢铁工业减排技术进行探索，并对各技术 C02的形式进入大气.根据钢铁生产过程的碳素平 的减排效果进行评估.据测算，干熄焦(coke dry 衡，在钢铁企业C02总排放模型基础上，建立基于 quenching,CDQ)、高炉顶压发电(top pressure 不同模块的钢铁企业CO,过程排放模型.过程排放 recovery turbine,TRT)和煤调湿(coal moisture 包括总排放和工序排放，总模块用于分析钢铁企业 control,CMC)等成熟节能技术的应用可为钢铁企业 CO2总排放，工序模块则具体研究某个工序的CO2 减排0.5%~3.0%，若结合烧结余热回收、转炉低 排放，各模块边界如图1所示，其中长虚线框和短虚 压饱和蒸汽发电、副产煤气发电和焦炉煤气制氢等 线框分别表示钢铁企业CO,总排放模块边界和工 钢铁工业节能新技术，则可进一步提高减排效 序CO,排放模块边界.进出模型边界的含碳物质量 果5.因此，通过钢铁生产过程中节能技术的实施 以钢铁企业稳定运行时期数据为准.C02过程排放 可减少钢铁行业的C0,排放.另外，膜分离碳捕捉 模型工序模块包括焦化工序、烧结工序、球团工序、 技术在钢铁生产中的应用研究方兴未艾可，如碳捕 炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和熔剂焙烧工序七个 捉与碳储存(CO,capture and storage,CCS)应用于高 模块.除七个模块外，热处理、燃气加工、机车运输 炉工序，结合高炉炉顶煤气循环工艺(pure oxygen 及气体加工等其他工段由于没有大量含碳能源或原 top gas recycled BF,TGRBF)技术，可实现大幅度 料的消耗，本身C02排放极少，故在此暂不考虑.由 C02减排，据测算减排效果达50%~60%.碳捕 于燃料的使用和熔剂的分解，熔剂（主要为石灰石） 捉与碳储存属于C02末端处理方法，如上所述，只 焙烧工序模块将排放出大量C02,故在钢铁生产长 有通过结合其他技术，实现C02的回收和应用才更 流程主要生产工序之外将其单独列出分析，在实际 有意义.实际上，钢铁生产的C02减排，通过新工艺 生产中，烧结和炼铁工序中也有熔剂的使用，但由于 改变能源和炉料结构是很有前途的方式.例如，采 使用量相对较少，在该C02过程排放模型分析中暂 用直接还原工艺和熔融还原工艺等新技术，可实现 不考虑.另外，研究中仅考虑由于钢铁生产过程而 大幅减排的目的B,8.采用新工艺或新能源可通 产生的C02直接排放，不考虑生产外购电力等产生 过改变钢铁生产过程的能源使用情况来减排，实现 的间接排放. 对钢铁生产CO,排放问题的源头处理.这些新技术 选定排放模块（钢铁生产整体或某个工序）后， 的CO,减排机制与能源或原料的结构有密切的联 根据模块边界上碳素平衡原理，结合不同碳素载体 系，并不能用节能总量来评估CO,的减排量，这就需 的特性，按照下式计算钢铁企业总的或工序C02 要针对这些钢铁生产的工艺建立排放模型，并结合 排放： 能源结构对C02的减排机制和效果进行评价，为钢 铁工业未来的CO,减排提供参考. Eo,=Eae.co,-Ei.co,=∑MnFn-∑C.F 在目前国内钢铁生产以长流程为主的背景下， (1) 本研究在钢铁企业C0,总排放模型基础上0一，建 式中：Eco,表示模块（钢铁生产整体或某个工序）的 立了基于排放模块的钢铁企业长流程CO2过程排 C0,排放量，tE.om,表示模块边界碳输入端折合 放模型，计算包括总排放和工序排放的钢铁企业 的C02总量，t;Epm.co,表示模块边界碳输出端折合 CO2过程排放.提出评价生产系统或行业能耗特点 的CO2总量，t:Mm表示碳输入端原（燃）料m的消 特别是能源结构与CO2排放关系的C02综合排放 耗量，包括煤、动力和熔剂等，t;Fm表示原（燃）料m 因子，并以钢铁行业为例进行了实证计算分析.提 的CO2排放因子；C.表示碳输出端产品或副产品n 出评价钢铁企业能耗CO2排放水平的能耗碳饱和 的量，t;Fn表示产品或副产品n的CO2排放因子. 指数，并基于国内两个典型钢铁企业数据评估了钢 总排放计算中所涉及到的碳输入端和输出端物质的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 数据，钢铁生产每年排放 6. 50 亿 t CO2，是第四大消 耗化 石 能 源 的 工 业 活 动［2］． 据欧洲环境组织 ( European Environment Agency，EEA) 2006 年统计 数据，在欧洲钢铁工业是除电力工业之外最大的 CO2 排放源，约占欧洲制造业 CO2 排放的 18%［3］． 2004 年，中国的钢铁产量已经成为世界第一，每年 排放的 CO2 达 5 亿 t 以上，约占全国的 9. 2%［4］． 针对高 CO2 排放强度的生产特征，研究人员从 多方面对钢铁工业减排技术进行探索，并对各技术 的减排效果进行评估． 据测算，干熄焦( coke dry quenching，CDQ ) 、高 炉 顶 压 发 电 ( top pressure recovery turbine，TRT ) 和 煤 调 湿 ( coal moisture control，CMC) 等成熟节能技术的应用可为钢铁企业 减排 0. 5% ～ 3. 0% ，若结合烧结余热回收、转炉低 压饱和蒸汽发电、副产煤气发电和焦炉煤气制氢等 钢铁工业节能新技术，则可进一步提高减排效 果［5--6］． 因此，通过钢铁生产过程中节能技术的实施 可减少钢铁行业的 CO2 排放． 另外，膜分离碳捕捉 技术在钢铁生产中的应用研究方兴未艾［7］，如碳捕 捉与碳储存( CO2 capture and storage，CCS) 应用于高 炉工序，结合高炉炉顶煤气循环工艺( pure oxygen top gas recycled BF，TGRBF) 技术，可实现大 幅 度 CO2 减排，据测算减排效果达 50% ～ 60%［5］． 碳捕 捉与碳储存属于 CO2 末端处理方法，如上所述，只 有通过结合其他技术，实现 CO2 的回收和应用才更 有意义． 实际上，钢铁生产的 CO2 减排，通过新工艺 改变能源和炉料结构是很有前途的方式． 例如，采 用直接还原工艺和熔融还原工艺等新技术，可实现 大幅减排的目的［5，8--9］． 采用新工艺或新能源可通 过改变钢铁生产过程的能源使用情况来减排，实现 对钢铁生产 CO2 排放问题的源头处理． 这些新技术 的 CO2 减排机制与能源或原料的结构有密切的联 系，并不能用节能总量来评估 CO2的减排量，这就需 要针对这些钢铁生产的工艺建立排放模型，并结合 能源结构对 CO2 的减排机制和效果进行评价，为钢 铁工业未来的 CO2 减排提供参考． 在目前国内钢铁生产以长流程为主的背景下， 本研究在钢铁企业 CO2 总排放模型基础上［10--11］，建 立了基于排放模块的钢铁企业长流程 CO2 过程排 放模型，计算包括总排放和工序排放的钢铁企业 CO2 过程排放． 提出评价生产系统或行业能耗特点 特别是能源结构与 CO2 排放关系的 CO2 综合排放 因子，并以钢铁行业为例进行了实证计算分析． 提 出评价钢铁企业能耗 CO2 排放水平的能耗碳饱和 指数，并基于国内两个典型钢铁企业数据评估了钢 铁企业能源结构对钢铁企业 CO2 减排机制和效果 的影响． 1 钢铁企业 CO2 过程排放模型与分析 1. 1 钢铁企业 CO2 过程排放模型 钢铁生产中，通过能源、还原剂、熔剂以及其他 形式进入钢铁生产体系的碳素在各工序中经过一系 列变化，一部分进入产品或各种副产品，另一部分以 CO2 的形式进入大气． 根据钢铁生产过程的碳素平 衡，在钢铁企业 CO2 总排放模型基础上，建立基于 不同模块的钢铁企业 CO2 过程排放模型． 过程排放 包括总排放和工序排放，总模块用于分析钢铁企业 CO2 总排放，工序模块则具体研究某个工序的 CO2 排放，各模块边界如图 1 所示，其中长虚线框和短虚 线框分别表示钢铁企业 CO2 总排放模块边界和工 序 CO2 排放模块边界． 进出模型边界的含碳物质量 以钢铁企业稳定运行时期数据为准． CO2 过程排放 模型工序模块包括焦化工序、烧结工序、球团工序、 炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和熔剂焙烧工序七个 模块． 除七个模块外，热处理、燃气加工、机车运输 及气体加工等其他工段由于没有大量含碳能源或原 料的消耗，本身 CO2 排放极少，故在此暂不考虑． 由 于燃料的使用和熔剂的分解，熔剂( 主要为石灰石) 焙烧工序模块将排放出大量 CO2，故在钢铁生产长 流程主要生产工序之外将其单独列出分析，在实际 生产中，烧结和炼铁工序中也有熔剂的使用，但由于 使用量相对较少，在该 CO2 过程排放模型分析中暂 不考虑． 另外，研究中仅考虑由于钢铁生产过程而 产生的 CO2 直接排放，不考虑生产外购电力等产生 的间接排放． 选定排放模块( 钢铁生产整体或某个工序) 后， 根据模块边界上碳素平衡原理，结合不同碳素载体 的特性，按照下式计算钢铁企业总的或工序 CO2 排放: ECO2 = Einput，CO2 － Eoutput，CO2 = ∑ Mm Fm － ∑ CnFn ． ( 1) 式中: ECO2表示模块( 钢铁生产整体或某个工序) 的 CO2 排放量，t; Einput，CO2表示模块边界碳输入端折合 的 CO2 总量，t; Eoutput，CO2表示模块边界碳输出端折合 的 CO2 总量，t; Mm 表示碳输入端原( 燃) 料 m 的消 耗量，包括煤、动力和熔剂等，t; Fm 表示原( 燃) 料 m 的 CO2 排放因子; Cn 表示碳输出端产品或副产品 n 的量，t; Fn 表示产品或副产品 n 的 CO2 排放因子． 总排放计算中所涉及到的碳输入端和输出端物质的 ·1446·

第12期 卢鑫等：钢铁企业能源消耗与CO2减排关系 ·1447· 电力、动力及其他 无烟煤等 焦油粗苯 烧结 洗精煤 团 矿石 炼铁工 铁水 粗钢 乳钢工序 钢材 序 序 焦炉煤气 焦炭 高炉煤气 熔剂焙烧 转炉煤气 库行 外调 熔剂 图1钢铁企业C02过程排放模块边界 Fig.1 Boundaries of CO2 process emission modules in iron and steel plants C02排放因子参见文献10-11]. 下体积摩尔常数和C02摩尔质量，单位分别取 工序排放计算中，由于涉及钢铁企业副产煤气 Lmol-和gmol.根据钢铁企业高炉煤气回、转 等二次能源的使用，因此需考虑高炉煤气、转炉煤气 炉煤气和焦炉煤气的典型成分组成，可以得 和焦炉煤气的C02排放因子.在研究中，各副产煤 出由于成分变动这三种煤气的CO,排放因子范围 气本身含有的C02被列入产出该种煤气的工序排 分别在4.32~4.91、9.82~11.79和5.30~ 放，而含有的其他碳素（如C0和碳氢化合物）对应 7.27tm3之间.实际应用中，可根据具体钢铁企业 生成CO,的则被列入使用煤气的工序排放.各副产 煤气成分计算各自的C0,排放因子. 煤气的C0,排放因子可根据下式计算： 1.2钢铁企业C02过程排放分析 （∑w:）×44×10 基于钢铁企业C02过程排放模型，选取国内某 F= (2) 22.4 800万t产量规模的典型钢铁企业(A厂)计算包括 式中：F为副产煤气的C02排放因子，t~m-3;w:为 总排放和工序排放的C02过程排放.2005一2009 副产煤气中各含碳组分（不包括C0,)的体积分数. 年A厂总排放和各工序排放量及各自比例计算如 式(2)中，数字22.4和44分别表示气体标态 表1所示.结果表明A厂C02总排放在2007年达 表1A厂C02过程排放量及所占比例 Table 1 CO process emissions and percentages in the total emission of Plant A 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 工序 排放/万t比例/% 排放/万t比例/% 排放万t比例/% 排放/万t比例/% 排放/万t比例/% 焦化 150.16 11.58 176.06 11.79 172.27 11.03 165.13 11.05 139.44 10.77 烧结 124.43 9.60 109.73 7.35 124.03 7.94 132.75 8.89 109.12 8.43 球团 41.19 3.18 50.02 3.35 48.35 3.10 42.20 2.82 11.36 0.88 炼铁 705.33 54.41 811.21 54.34 908.47 58.17 903.35 60.47 863.76 66.74 炼钢 102.34 7.89 64.32 4.31 45.46 2.91 46.70 3.13 48.64 3.76 轧钢 57.77 4.46 81.97 5.49 94.82 6.07 90.47 6.06 79.99 6.18 熔剂焙烧 43.18 3.33 48.14 3.22 41.90 2.68 46.49 3.11 40.84 3.16 其他 71.89 5.55 151.40 10.14 126.34 8.09 66.72 4.47 1.15 0.09 总排放 1296.29 100.00 1492.85 100.00 1561.64 100.00 1493.81 100.00 1294.30 100.00

第 12 期 卢 鑫等: 钢铁企业能源消耗与 CO2 减排关系 图 1 钢铁企业 CO2 过程排放模块边界 Fig． 1 Boundaries of CO2 process emission modules in iron and steel plants CO2 排放因子参见文献［10--11］． 工序排放计算中，由于涉及钢铁企业副产煤气 等二次能源的使用，因此需考虑高炉煤气、转炉煤气 和焦炉煤气的 CO2 排放因子． 在研究中，各副产煤 气本身含有的 CO2 被列入产出该种煤气的工序排 放，而含有的其他碳素( 如 CO 和碳氢化合物) 对应 生成 CO2 的则被列入使用煤气的工序排放． 各副产 煤气的 CO2 排放因子可根据下式计算: Fgas ( = ∑wi ) × 44 × 10 22. 4 ． ( 2) 式中: Fgas为副产煤气的 CO2 排放因子，t·m － 3 ; wi 为 副产煤气中各含碳组分( 不包括 CO2 ) 的体积分数． 式( 2) 中，数字 22. 4 和 44 分别表示气体标态 下体积 摩 尔 常 数 和 CO2 摩 尔 质 量，单 位 分 别 取 L·mol － 1 和 g·mol － 1 ． 根据钢铁企业高炉煤气［12］、转 炉煤气［13］和焦炉煤气［14］的典型成分组成，可以得 出由于成分变动这三种煤气的 CO2 排放因子范围 分 别 在 4. 32 ～ 4. 91、9. 82 ～ 11. 79 和 5. 30 ～ 7. 27 t·m － 3 之间． 实际应用中，可根据具体钢铁企业 煤气成分计算各自的 CO2 排放因子． 1. 2 钢铁企业 CO2 过程排放分析 基于钢铁企业 CO2 过程排放模型，选取国内某 800 万 t 产量规模的典型钢铁企业( A 厂) 计算包括 总排放和工序排放的 CO2 过程排放． 2005—2009 年 A 厂总排放和各工序排放量及各自比例计算如 表 1 所 示． 结 果 表 明A厂CO2 总 排 放 在200 7 年 达 表 1 A 厂 CO2 过程排放量及所占比例 Table 1 CO2 process emissions and percentages in the total emission of Plant A 工序 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 排放/万 t 比例/ % 排放/万 t 比例/% 排放/万 t 比例/% 排放/万 t 比例/% 排放/万 t 比例/% 焦化 150. 16 11. 58 176. 06 11. 79 172. 27 11. 03 165. 13 11. 05 139. 44 10. 77 烧结 124. 43 9. 60 109. 73 7. 35 124. 03 7. 94 132. 75 8. 89 109. 12 8. 43 球团 41. 19 3. 18 50. 02 3. 35 48. 35 3. 10 42. 20 2. 82 11. 36 0. 88 炼铁 705. 33 54. 41 811. 21 54. 34 908. 47 58. 17 903. 35 60. 47 863. 76 66. 74 炼钢 102. 34 7. 89 64. 32 4. 31 45. 46 2. 91 46. 70 3. 13 48. 64 3. 76 轧钢 57. 77 4. 46 81. 97 5. 49 94. 82 6. 07 90. 47 6. 06 79. 99 6. 18 熔剂焙烧 43. 18 3. 33 48. 14 3. 22 41. 90 2. 68 46. 49 3. 11 40. 84 3. 16 其他 71. 89 5. 55 151. 40 10. 14 126. 34 8. 09 66. 72 4. 47 1. 15 0. 09 总排放 1 296. 29 100. 00 1 492. 85 100. 00 1 561. 64 100. 00 1 493. 81 100. 00 1 294. 30 100. 00 ·1447·

·1448· 北京科技大学学报 第34卷 到最大值1561.64万t,之后保持下降趋势，在 式中：E0,为钢铁企业总排放，万t;Q为钢铁企业的 2009年达到1294.30万t.作为复杂的生产系统，各 钢产量，万，按照计算数据来源，Q可取范围为 个工序对钢铁企业CO2总排放具有不同影响.整体 700~1700万t.通过对式(3)进行简单的数学分 而言，钢铁企业工序排放从大到小依次为炼铁工序、 析，可知CO2总排放与钢产量关系函数的二次导数 焦化工序、烧结工序、轧钢工序、炼钢工序、熔剂焙烧 为负（数值为-0.0012），这意味着在Q可取范围 工序和球团工序，如图2所示.炼铁工序中大量的 内，随着钢产量的增加，企业CO2总排放的增速是 碳素以焦炭和喷吹煤形式进入高炉，以CO,的形式 逐渐减小的. 进入大气环境，使得炼铁工序平均C02排放在总排 3700 71200 放中所占份额最大，平均为58.83%，2009年达到 67%.焦化工序和烧结工序排放在总排放中的比例 53200 1000R 年2700 800 仅次于炼铁工序，分别为11.25%和8.44%.除了 B厂 模型选取的七大模块外，钢铁生产系统其他工段排 600 放占总排放的比例平均为5.67%，说明模型所选取 817m, ▲CO2总排放 ·总能耗 400 的七大排放模块是钢铁企业的主要排放源. 120900 A厂 900 11001300 1500 1780 熔剂焙烧工其他 产量/万t 轧钢工序，序3.10%567%焦化工序， 炼铜工序.565% 图3C02总排放和总能耗与钢产量的关系 11.25% 4.40% Fig.3 Relationship between total CO2 emission or total energy con- 烧结工序， sumption and steel productivity 8.44% 球团工序 2.2钢铁企业C02排放强度与能源消耗 2.67% 为进一步分析钢铁企业中C0,排放与能耗之 间的关系，用C02排放强度表示钢铁企业吨钢C02 炼铁工序 58.83% 排放水平，并分析A厂和B厂CO2排放强度与吨钢 综合能耗的关系，结果如图4所示.结果显示，钢铁 图2A厂各工序平均排放在总排放中的比例 企业的CO,排放强度和吨钢综合能耗之间的关系 Fig.2 Average percentage of CO2 emissions in each process for Plant A 较为复杂，A厂CO2排放强度和吨钢综合能耗变化 趋势整体一致，基本保持下降趋势，但C0,排放强 2钢铁企业C02排放与能耗的关系 度减小速度明显小于吨钢能耗减小速度，在2008一 2009年间出现C02排放强度减小而吨钢能耗增加 2.1钢铁企业CO2总排放与能源消耗 的现象；B厂CO,排放强度和吨钢综合能耗的变化 钢铁企业的CO2排放与能源消耗具有紧密的 趋势波动较大，在2005年之前，C02排放强度变化 关系.基于C02过程排放模型，选取国内两个典型 趋势和吨钢综合能耗变化趋势基本相反，期间出现 钢铁企业A厂和B厂数据，分析各自生产过程中 吨钢能耗快速降低而CO2排放强度快速上升现象 C02排放及能源消耗与钢产量的关系，结果如图3 (2002一2004年).整体上B厂的C02排放强度和 所示.按照钢铁治金能源统计与管理的要求，能源 吨钢综合能耗均高于A厂.对B厂更详细的分析可 消耗应考虑钢铁企业在一定时期内，生产相应粗钢 参见文献00-11]. 所消耗的各种能量的总和（以标准煤计），其能耗水 一般而言，钢铁企业的节能总是可以减排的，但 平则可用吨钢综合能耗来衡量，吨钢综合能耗即指 是有一个前提往往被忽略，即这种节能必须是以碳 每生产1t粗钢所消耗的各种能量总和的标准煤吨当 基燃料为主要能源结构才能实现.如果钢铁生产燃 量.A、B厂目前均是国内生产技术较为先进的大型 料中的碳元素成分发生变化，会直接影响节能引起 钢铁企业，其能耗和CO,排放均处于国内先进水 的减排效果.因此，钢铁企业减排目标的实现仅依 平.结果显示，钢铁企业CO2总排放和总能耗均与 靠节能工作的开展是不够的，还需进一步分析钢铁 钢产量呈正相关性，且变化趋势大体一致.其中，钢 企业C02排放与能耗，特别是能源结构的关系 铁企业C02总排放与钢产量有如下关系： 2.3钢铁企业的C02综合排放因子分析 E2=-0.0006Q2+3.664Q-1065. (3) 定义CO,综合排放因子(general emission fac-

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 到最大 值 1 561. 64 万 t，之后保持下降趋势，在 2009 年达到1294. 30 万 t． 作为复杂的生产系统，各 个工序对钢铁企业 CO2 总排放具有不同影响． 整体 而言，钢铁企业工序排放从大到小依次为炼铁工序、 焦化工序、烧结工序、轧钢工序、炼钢工序、熔剂焙烧 工序和球团工序，如图 2 所示． 炼铁工序中大量的 碳素以焦炭和喷吹煤形式进入高炉，以 CO2 的形式 进入大气环境，使得炼铁工序平均 CO2 排放在总排 放中所占份额最大，平均为 58. 83% ，2009 年达到 67% ． 焦化工序和烧结工序排放在总排放中的比例 仅次于炼铁工序，分别为 11. 25% 和 8. 44% ． 除了 模型选取的七大模块外，钢铁生产系统其他工段排 放占总排放的比例平均为 5. 67% ，说明模型所选取 的七大排放模块是钢铁企业的主要排放源． 图 2 A 厂各工序平均排放在总排放中的比例 Fig． 2 Average percentage of CO2 emissions in each process for Plant A 2 钢铁企业 CO2 排放与能耗的关系 2. 1 钢铁企业 CO2 总排放与能源消耗 钢铁企业的 CO2 排放与能源消耗具有紧密的 关系． 基于 CO2 过程排放模型，选取国内两个典型 钢铁企业 A 厂和 B 厂数据，分析各自生产过程中 CO2 排放及能源消耗与钢产量的关系，结果如图 3 所示． 按照钢铁冶金能源统计与管理的要求，能源 消耗应考虑钢铁企业在一定时期内，生产相应粗钢 所消耗的各种能量的总和( 以标准煤计) ，其能耗水 平则可用吨钢综合能耗来衡量，吨钢综合能耗即指 每生产1 t粗钢所消耗的各种能量总和的标准煤吨当 量． A、B 厂目前均是国内生产技术较为先进的大型 钢铁企业，其能耗和 CO2 排放均处于国内先进水 平． 结果显示，钢铁企业 CO2 总排放和总能耗均与 钢产量呈正相关性，且变化趋势大体一致． 其中，钢 铁企业 CO2 总排放与钢产量有如下关系: ECO2 = － 0. 000 6Q2 + 3. 664Q － 1 065． ( 3) 式中: ECO2为钢铁企业总排放，万 t; Q 为钢铁企业的 钢产量，万 t，按照计算数据来源，Q 可 取 范 围 为 700 ～ 1 700 万 t． 通过对式( 3) 进行简单的数学分 析，可知 CO2 总排放与钢产量关系函数的二次导数 为负( 数值为 － 0. 001 2) ，这意味着在 Q 可取范围 内，随着钢产量的增加，企业 CO2 总排放的增速是 逐渐减小的． 图 3 CO2 总排放和总能耗与钢产量的关系 Fig． 3 Relationship between total CO2 emission or total energy con￾sumption and steel productivity 2. 2 钢铁企业 CO2 排放强度与能源消耗 为进一步分析钢铁企业中 CO2 排放与能耗之 间的关系，用 CO2 排放强度表示钢铁企业吨钢 CO2 排放水平，并分析 A 厂和 B 厂 CO2 排放强度与吨钢 综合能耗的关系，结果如图 4 所示． 结果显示，钢铁 企业的 CO2 排放强度和吨钢综合能耗之间的关系 较为复杂，A 厂 CO2 排放强度和吨钢综合能耗变化 趋势整体一致，基本保持下降趋势，但 CO2 排放强 度减小速度明显小于吨钢能耗减小速度，在 2008— 2009 年间出现 CO2 排放强度减小而吨钢能耗增加 的现象; B 厂 CO2 排放强度和吨钢综合能耗的变化 趋势波动较大，在 2005 年之前，CO2 排放强度变化 趋势和吨钢综合能耗变化趋势基本相反，期间出现 吨钢能耗快速降低而 CO2 排放强度快速上升现象 ( 2002—2004 年) ． 整体上 B 厂的 CO2 排放强度和 吨钢综合能耗均高于 A 厂． 对 B 厂更详细的分析可 参见文献［10--11］． 一般而言，钢铁企业的节能总是可以减排的，但 是有一个前提往往被忽略，即这种节能必须是以碳 基燃料为主要能源结构才能实现． 如果钢铁生产燃 料中的碳元素成分发生变化，会直接影响节能引起 的减排效果． 因此，钢铁企业减排目标的实现仅依 靠节能工作的开展是不够的，还需进一步分析钢铁 企业 CO2 排放与能耗，特别是能源结构的关系． 2. 3 钢铁企业的 CO2 综合排放因子分析 定义 CO2 综合排放因子( general emission fac- ·1448·

第12期 卢鑫等：钢铁企业能源消耗与C0,减排关系 ·1449· 2.2 等)的数量，t;FglpFoF,和Frk分别表示第 0.73 2.1 i类能源输入类碳素载体、第j类能源输出类碳素载 2.0 体、熔剂类碳素载体和第k类产品类碳素载体的 1.9 +一A厂CO,排放强度 C02排放因子；m、n和p分别表示能源输入类碳素 4B厂CO,排放强度 0.63 818 载体、能源输出类碳素载体和产品类碳素载体的种 ◆A厂吨钢综合能耗 1.7 ◆B厂吨钢踪合能耗 类数量. 1.6 J0.53 钢铁企业总能耗计算如下： 0002002 2004200620082010 年份 Vgimput..i一 MgOutpun-j (5) 图4C0,排放强度和吨钢能耗的关系 =1 Fig.4 Relationship between CO2 emission intensity and energy con- 综上，C02综合排放因子计算方法如下： sumption intensity tor,GEF)为生产过程中排放的CO,与相应的能耗 oz GEF=- 之比，用于评价某企业单位能耗的CO2排放量，其 ∑Mpe- 中能耗指企业所有种类能源（包括电力）的当量之 和.利用综合排放因子，可以进一步分析钢铁企业 i=1 ∑M,Fe C02排放和能源结构的关系. 钢铁企业中C02综合排放因子计算方法如下： Mpad-∑Moey ∑Me-∑Mny CO2综合排放因子=吨钢C02排放量/吨钢能耗； 或者 ∑MpFr.k =E1-Eo+F-P.(6) CO2综合排放因子=C02总排放量/总能耗. 根据钢铁企业CO2过程排放模型，钢铁企业 CO2总排放由输入端碳素载体和输出端碳素载体所 式中，E,表示能源输入项，E。表示能源输出项，F表 含碳素之差折算.输入端主要包括能源类原料（洗 示熔剂项，P表示产品项 精煤、无烟煤、焦炭和柴油等)和熔剂（石灰石），输 熔剂类碳素载体是由于钢铁生产系统中熔剂焙 出端主要包括钢材、焦油及粗苯等产品类载体，以及 烧工艺需要而特殊存在的一项：由于钢铁生产过程 外调的焦炭、高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气或电力 同时包含能量转化功能，因此能源类原料可经过一 等二次能源.在本计算中，认为电力使用过程是没 系列反应转变成焦炭、高炉煤气和焦炉煤气等二次 有C02排放的，外购电力的C02排放被认为是电力 能源提供给钢铁生产系统之外使用，故存在能源输 生产单位排放，不列入钢铁企业C02排放. 出类载体；钢铁生产系统产品类载体主要包括钢材、 钢铁企业CO2过程排放模型中总CO2排放计 粗苯和焦油，焦油一般用于后续化工过程，不作为燃 算公式做如下转换： 料使用，故不归入能源输出类.这三类载体对钢铁 Ec02=FImput.CO2 -EOutpat,CO2= 生产系统整体C0,排放影响非常有限.根据A厂数 据计算所得各类碳素载体对钢铁企业CO2总排放 ∑MF-∑o+ 的影响如表2所示，发现熔剂类载体CO2排放仅占 M Fr-MrFrac 1%左右，产品类载体由于每年焦油产量不同而有较 (4) 大波动，但是均不超过5%，能源输出类载体主要由 式中，Eco2 E.co,和Eoup.o,分别表示钢铁生产流 于焦炭外调量的变化而波动，但是整体比重也不大. 程总C02排放、总排放模块碳输入端和总排放模块 因此在分析中，可根据需要近似忽略综合排放因子 碳输出端CO2的量，t;Mapm,d、Mpj、M,和Mp.k分 中这三种载体的影响，即忽略E。、F和P项，将公式 别表示第i类能源输入类碳素载体（主要包括无烟 简化为仅含E,项.对于其他行业或生产单位，可以 煤、焦炭和洗精煤等，以标准煤计)、第类能源输出 类似运用该公式，对各项进行适当调整计算相应行 类碳素载体（主要包括外调焦炭和焦炉煤气等二次 业或生产单位的综合排放因子. 能源，以标准煤计)、熔剂类碳素载体（主要为石灰 若忽略F和P项，并将E,和E。项合并，则钢铁 石)和第k类产品类碳素载体（钢材、焦油和粗苯 企业的CO2综合排放因子可以表示为：

第 12 期 卢 鑫等: 钢铁企业能源消耗与 CO2 减排关系 图 4 CO2 排放强度和吨钢能耗的关系 Fig． 4 Relationship between CO2 emission intensity and energy con￾sumption intensity tor，GEF) 为生产过程中排放的 CO2 与相应的能耗 之比，用于评价某企业单位能耗的 CO2 排放量，其 中能耗指企业所有种类能源( 包括电力) 的当量之 和． 利用综合排放因子，可以进一步分析钢铁企业 CO2 排放和能源结构的关系． 钢铁企业中 CO2 综合排放因子计算方法如下: CO2 综合排放因子 = 吨钢 CO2 排放量/吨钢能耗; 或者 CO2 综合排放因子 = CO2 总排放量/总能耗． 根据钢铁企业 CO2 过程排放模型，钢铁企业 CO2 总排放由输入端碳素载体和输出端碳素载体所 含碳素之差折算． 输入端主要包括能源类原料( 洗 精煤、无烟煤、焦炭和柴油等) 和熔剂( 石灰石) ，输 出端主要包括钢材、焦油及粗苯等产品类载体，以及 外调的焦炭、高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气或电力 等二次能源． 在本计算中，认为电力使用过程是没 有 CO2 排放的，外购电力的 CO2 排放被认为是电力 生产单位排放，不列入钢铁企业 CO2 排放． 钢铁企业 CO2 过程排放模型中总 CO2 排放计 算公式做如下转换: ECO2 = EInput，CO2 － EOutput，CO2 = ∑ m i = 1 MEInput，iFEInput，i － ∑ n j = 1 MEOutput，j FEOutput，j + MFFF － ∑ p k = 1 MP，kFP，k ． ( 4) 式中，ECO2 、EInput，CO2和 EOutput，CO2分别表示钢铁生产流 程总 CO2 排放、总排放模块碳输入端和总排放模块 碳输出端 CO2 的量，t; MEInput，i、MEOutput，j 、MF 和 MP，k分 别表示第 i 类能源输入类碳素载体( 主要包括无烟 煤、焦炭和洗精煤等，以标准煤计) 、第 j 类能源输出 类碳素载体( 主要包括外调焦炭和焦炉煤气等二次 能源，以标准煤计) 、熔剂类碳素载体( 主要为石灰 石) 和第 k 类产品类碳素载体( 钢材、焦油和粗苯 等) 的数量，t; FEInput，i、FEOutput，j 、FF 和 FP，k分别表示第 i 类能源输入类碳素载体、第 j 类能源输出类碳素载 体、熔剂类碳素载体和第 k 类产品类碳素载体的 CO2 排放因子; m、n 和 p 分别表示能源输入类碳素 载体、能源输出类碳素载体和产品类碳素载体的种 类数量． 钢铁企业总能耗计算如下: E = ∑ m i = 1 MEInput，i － ∑ n j = 1 MEOutput，j ． ( 5) 综上，CO2 综合排放因子计算方法如下: GEF = ECO2 E = ∑ m i = 1 MEInput，iFEInput，i ∑ m i = 1 MEInput，i － ∑ n j = 1 MEOutput，j － ∑ n j =1 MEOutput，j FEOutput，j ∑ m i =1 MEInput，i － ∑ n j =1 MEOutput，j + ∑MFFF ∑ m i =1 MEInput，i － ∑ n j =1 MEOutput，j － ∑ p k = 1 MP，kFP，k ∑ m i = 1 MEInput，i － ∑ n j = 1 MEOutput，j = EI － EO + F － P． ( 6) 式中，EI表示能源输入项，EO表示能源输出项，F 表 示熔剂项，P 表示产品项． 熔剂类碳素载体是由于钢铁生产系统中熔剂焙 烧工艺需要而特殊存在的一项; 由于钢铁生产过程 同时包含能量转化功能，因此能源类原料可经过一 系列反应转变成焦炭、高炉煤气和焦炉煤气等二次 能源提供给钢铁生产系统之外使用，故存在能源输 出类载体; 钢铁生产系统产品类载体主要包括钢材、 粗苯和焦油，焦油一般用于后续化工过程，不作为燃 料使用，故不归入能源输出类． 这三类载体对钢铁 生产系统整体 CO2 排放影响非常有限． 根据 A 厂数 据计算所得各类碳素载体对钢铁企业 CO2 总排放 的影响如表 2 所示，发现熔剂类载体 CO2 排放仅占 1% 左右，产品类载体由于每年焦油产量不同而有较 大波动，但是均不超过 5% ，能源输出类载体主要由 于焦炭外调量的变化而波动，但是整体比重也不大． 因此在分析中，可根据需要近似忽略综合排放因子 中这三种载体的影响，即忽略 EO、F 和 P 项，将公式 简化为仅含 EI项． 对于其他行业或生产单位，可以 类似运用该公式，对各项进行适当调整计算相应行 业或生产单位的综合排放因子． 若忽略 F 和 P 项，并将 EI和 EO项合并，则钢铁 企业的 CO2 综合排放因子可以表示为: ·1449·