我国钢铁行业温室气体减排机会分析

摘要:钢铁行业是我国能源消耗和碳排放重点部门。本文分析了我国钢铁行业温室气体排放的情况,从优化生产流程、提升工艺和技术水平、优化用能结构、提升产品质量、增加循环利用和提升企业用能管理水平等方面对钢铁行业温室气体减排的机会进行了探讨。关键词:钢铁;碳排放;温室气体减排中图分类号:;51文献标识码:A 文章编号:1 - 55-( 1 ) - 5- 5 Doi: 1 . 9 9 M.issn.1 - 55. 1 . .

Energy of China - - Contents | 目录 - 郭敏晓,杨宏伟 (国家发展和改革委员会能源研究所,北京 1 )

Abstract: The iron and steel industry is one of the most important energy consumption and carbon emission sectors in China. This paper analyzes the greenhouse gas emissions of China’s iron and steel industry. Opportunities of GHG abatement are identified and discussed from the aspects of optimizing production process, improving producing technique and product quality, changing energy structure, enhancing energy management, and recycling.

Key words: Iron and Steel; Carbon Emissions; Greenhouse Gas Reduction

我国钢铁行业目前面临着产能过剩矛盾加剧、自主创新水平不高、资源环境约束增强等问题,同时,在全球共同应对气候变化的背景下,钢铁行业又承担着温室气体减排的重要责任。钢铁生产企业采取措施,走向先进高效、节能低碳的发展道路是必然选择。

目前我国钢铁生产企业在温室气体减排方面仍面临许多问题,一是企业缺少明确的温室气体减排目标,减排动力不足;二是钢铁行业低碳技术仍处于发展和完善阶段,有的技术成本过高,难以推广;三是钢铁企业对温室气体排放量核算方法等温室气体排放控制相关知识不够熟悉;四是部分钢铁企业不具备提出本企业减排温室气体技术方案的能力,不能及时并准确地识别减排潜力和机会。

1 我国钢铁行业碳排放情况

炼钢焦炭的年使用量也一度达到 亿t,见图 。根据《中国统计年鉴 1 》和《中国能源统计年鉴 1 》中我国钢铁工业的能源消费量有关数据,

按照《IPCC 国家温室气体清单指南 》和国家发展和改革委员会《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》的计算方法,得到我国 15 年由钢材生产产生的 CO 排放情况。

钢铁生产过程产生的CO 排放来自于煤等化石燃料燃烧、电力消耗、石灰石等含碳熔剂的分解以及废钢等原料的消耗等。近年来我国的粗钢

15年,我国粗钢产量 . 亿 t ,钢材产量11. 亿t。终端能源消费量中煤(原煤、洗精煤等)为 1. 55 亿 t ,焦炭 .71 亿 t ,油品 15 万 t ,天然气 5亿 m ,按照相应排放因子计算以上 项能源消耗所带来的直接CO 排放量为1 . 亿t。此外,

钢铁行业 15年电力消费总量为5 亿 kWh,由于发电过程中也产生碳排放,特别是我国发电结构中煤电占比较高,因此这部分碳排放量也很大。

总体来说,我国生产单位钢材的CO 排放量高于世界上的主要产钢国家,主要有两方面原因:一是我国钢铁工业一次能源消费中煤炭占比较高,而油品和天然气的比重相对较低,客观上煤炭使用过程中的能源转化效率低、碳排放量高;二是我国电炉炼钢比与世界平均水平相比较低,而从生产工艺的角度,生产 1t 钢材短流程的 CO 排放量只是长流程的 左右甚至更低。

2 国际钢铁行业发展趋势与减排现状

进入新世纪,特别是“十二五”时期以来,中国乃至世界钢铁工业的发展环境发生了深刻变化。冶金原料优质资源开发殆尽、现有资源质量下降、原料燃料价格高涨、二氧化碳减排及环境负荷加重以及来自其他材料的替代等压力,都对钢铁工业提出了更为苛刻的要求。在这一大背景下,钢铁产业技术的发展顺应新一轮的科技革命和产业的发展,相应地出现了资源、环境友好为导向的新趋势,主要表现为钢铁制造流程高效、绿色、可循环,钢铁材料高性能、低成本、高质量、近终型、易加工,钢铁制造智能化和定制化等。

在世界范围内,钢铁行业提高能效和减少温室气体排放主要通过以下几个方面来体现。

提高能源效率。通过改善气体循环、产品和废料流,从而提升热量和能量的循环利用;通过粉末状煤炭投放,提升投放工艺;优化炼钢炉设 计和过程控制;通过干熄焦、顶压透平装置等技术和薄带连铸生产等流程优化,降低温度循环数量。整体来说,推动提升能效和大量降低废物产量,已经成为目前钢铁行业进步的主题。

降低排放。传统钢铁生产中的煤炭和焦炭使用都是高强度排放。在经济并且可行的地方,气基直接还原技术和油气喷射技术已经被使用,但是目前只用在相对小规模的高炉上。木炭作为另一种焦炭替代物,目前也在用于钢铁生产,改善木炭的相关性能是目前正在发展的一种替代技术。其他替代途径包括使用铁焦作为还原剂和使用生物质和废塑料替代煤炭。从趋势上来看,超低二氧化碳钢铁生产包含 个生产程序:应用于高炉的顶层气循环,熔融还原技术,先进的直接还原和电解技术。前 种要用到 CCS 技术,第 种需要使用低碳电力供电。如果成本有效的氢气燃料可以大规模应用,也可以降低排放。

提高原材料使用效率。提高材料使用效率对于钢铁行业减排和降低成本来说具有显著的潜力。目前钢铁生产过程中,全球范围内有许多液体钢作为过程废弃物损失掉了,消除这部分浪费可以带来较为明显的碳减排效果。此外,许多钢材可以被重新使用和循环利用。

降低产品和服务需求。目前发达国家的商业建筑使用钢材的量是安全标准所要求量的两倍,并且会在 年到 年之内被替代,也就是说,如果完全按照安全标准进行建筑,并且延长替代周期,相关钢材需求和消耗就会降至一半甚至更低。在交通领域,在不降低供给服务水平的情况下,生产和使用更多更加小型轻便的汽车可以成倍减少钢铁需求。

3 钢铁生产企业二氧化碳减排量核算方法

钢铁生产企业的 CO 排放总量等于企业边界内所有的化石燃料燃烧过程产生的排放量、工业生产过程排放量及企业净购入电力和净购入热力隐含产生的 CO 排放量之和,还应扣除固碳产品隐含的排放量,按式(1)计算。

ECO E E E -R (1)

燃烧 过程 电和热 固碳

式中:

ECO ²企业 CO 排放总量,单位为 tCO ; E燃烧²企业所有净消耗化石燃料燃烧活动产

生的 CO 排放量,单位为 tCO ;

E ²企业工业生产过程产生的CO 排放

过程

量,单位为 tCO ; E ²企业净购入电力和净购入热力产生电和热的CO 排放量,单位为 tCO ; R ²企业固碳产品隐含的CO 排放量,固碳单位为 tCO 。企业减排量为企业采取减排行动前后两次排放量的差值,即式( )。ΔECO ECO -ECO ( )前 后

4 我国钢铁企业温室气体减排机会分析

一般来说,统筹优化生产流程、高效利用各类原材料、改进生产工艺、重视节能与提高能效、优化产品结构与质量、重视技术进步和升级、推进企业能源管理现代化等措施都有助于钢铁生产企业降低能源和物质消耗,从而减少温室气体排放。

(1)优化生产流程近年来,随着各种节能减排技术在钢铁行业的推广和应用,我国钢铁企业的能源利用效率不断提高,各主要生产工序和环节的单项节能技术的节能潜力不断得到挖掘,正在朝着更加深度的方向发展。而从整体上来说,可以从系统优化角度,盘查生产布局和流程。

综合目前的研究进展和实践经验来看,我国新一代钢铁制造流程应当不仅具有良好的钢铁产品制造功能,而且还具有能源转换功能和废弃物处理和再资源化功能。一个理想的未来新的钢铁生产基地(以 a9 万 t a全薄板型钢厂为例)将实现以下目标:占地面积 m 左右;高效率、低成本、大批量地生产高附加值薄板及其深加工产品;能耗 a kgce t ;新水消耗小于

.5 t t钢;只买煤、基本不买电、不用燃料油;钢 - 电 -水泥联合生产;大量消纳处理废塑料、废钢等社会废弃物;生产效率1 a1 t 人 a (一线生产人员 t 人 a)。

新一代钢铁流程应是建立在若干现有先进工艺、装备的基础上,与新开发的工艺、装备以及新开发的柔性生产作业流水创新性集成起来,而重新构筑的工艺制造流程。重点可以概括为:①共性技术平台:例如高效率、低成本的洁净钢生产技术平台等;②动态有序运行的界面技术:即工序之间、车间之间衔接匹配、协同、缓冲技术等,保证物质流的顺利衔接和合理匹配,不断降低能量流耗散;③流程工程集成技术:例如流程网络(平面图等)的合理配置技术,若干关键装备的创新设计和制造技术,物质流、能量流和信息 流有序的信息调控技术等;④流程物理模型和高

新技术融合:包括钢厂流程动态有序运行的物理

本质研究以及动态优化模型、信息技术、人工智

能、可视化技术等高新技术的采用;⑤废弃物资

源化利用与产业链衔接技术:包括废钢、废塑料、废轮胎等废弃物的消纳处理等;钢厂、水泥厂、发电厂、石化厂、化工厂、造船、集装箱制造、物流业等循环经济示范区的建设。为发展的主要方向。在新建和改造过程中,对不总体而言,流程的紧凑、高效和智能化将成

能适应新流程要求的企业,应逐步淘汰。高材料使用效率来实现钢铁行业减排和降低成本(钢铁生产要用到许多种类的原材料,通过提)高效利用各类原材料

对我国钢铁企业来说具有巨大的潜力。我国是钢铁生产大国,但是钢铁生产的废弃物长期处于低水平利用状况,在一定程度上阻碍了我国钢铁工

业的可持续发展。加快推进钢铁行业废物循环利用技术与示范具有现实的紧迫性,亟待开发提高

废渣、废水、余热等管理和利用水平的关键技术,从而增强钢铁行业的可持续发展能力。

短流程电炉炼钢替代长流程高炉炼铁、转炉炼

钢是世界钢铁工业发展趋势,废钢铁是短流程电炉

炼钢的重要原料。中国钢铁工业在落实绿色发展过

程中,增加废钢比是一条重要途径。废钢铁是一种

载能资源,也是一种低碳资源,应用废钢铁炼钢

可大幅度降低钢铁生产综合能耗,大量减少CO、

CO 等废气排放。此外,废钢铁还是一种可无限循

环使用的再生资源,增加废钢铁供应能力有利于减

少原生资源开采,缓解对铁矿石的依赖。

( )提高用能水平,优化用能结构

我国能源消费结构中钢铁工业消费占比接近 1 5。钢铁工业是耗能大户,每吨钢综合能耗为.7a .9 tce ;联合企业每吨钢消耗电能 a kWh。

钢铁生产所用的能源主要有炼焦煤、动力煤、

燃料油、电力、气体燃料(如天然气等)和蒸汽

等,能源品种多样,用能规模大。在整个生产流

程中,提高用能水平、加强热量的回收与二次、

多次利用具有重要的意义。改进工艺可以带动用

能水平和效率发生变化,在设计工艺时应尽量考

虑工艺改进有利于用能效率的提高。

煤炭在钢铁生产中既是燃料又是原料,可以

努力寻求温室气体排放较少的替代原料和清洁替

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