酈秀萍,張春霞,周繼程,上官方欽,干 磊,樊 波,陳麗云
(1.鋼鐵研究總院,北京 100081;2.中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì),北京 100711)
我國(guó)鋼鐵工業(yè)經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80—90年代的努力,基本完成了生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)的調(diào)整,初步實(shí)現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)流程現(xiàn)代化。自1996年粗鋼產(chǎn)量超過(guò)1億t以來(lái),我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速增長(zhǎng),連續(xù)14年居世界第一位。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),粗鋼產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率達(dá)到了18.5%。2009年粗鋼產(chǎn)量約56 784萬(wàn)t,約占世界鋼產(chǎn)量46.6%(圖1)。
我國(guó)鋼鐵行業(yè)在鋼產(chǎn)量增加的同時(shí),積極貫徹國(guó)家鋼鐵產(chǎn)業(yè)政策,推進(jìn)工藝裝備水平大型化、現(xiàn)代化(表1)。
圖1 1990—2009年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量及占世界比重[1]
表1 2005—2009年我國(guó)鋼鐵工業(yè)主體工藝裝備水平變化
由表1可見(jiàn):
(1)重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)各類機(jī)械化焦?fàn)t從2005年的286座提高到2009年的317座,增加了近11%,干熄焦率由31%提高到73%,提高42個(gè)百分點(diǎn);
(2)180m2以上燒結(jié)機(jī)所占比例從2005年的13.6%提高到2009年的27.5%,達(dá)到135臺(tái);
(3)1 000m3以上高爐所占比例從2005年的20.6%提高到2009年的33.7%,達(dá)到189座;
(4)100 t以上轉(zhuǎn)爐所占比例從2005年的26%提高到2009年的38.4%,達(dá)到187座。
從20世紀(jì)80年代起的單體節(jié)能、工序節(jié)能到90年代的流程優(yōu)化帶來(lái)的系統(tǒng)節(jié)能,在降低能耗方面取得了一定的進(jìn)展(表2)。因此,從1990年到1999年的10年間,我國(guó)鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)了將近1倍,而能源消耗總量?jī)H增加了約31%。
表2 1990—1999年我國(guó)鋼鐵工業(yè)的節(jié)能構(gòu)成[2]
進(jìn)入21世紀(jì)以后,在冶金流程工程學(xué)指導(dǎo)下,對(duì)鋼鐵制造流程功能的認(rèn)識(shí)等到拓展:由單一地注重冶金產(chǎn)品制造功能拓展為注重三大功能(圖2),既注重產(chǎn)品制造功能,又注重能源轉(zhuǎn)換功能和社會(huì)廢棄物處理功能。
圖2 鋼鐵制造流程的三大功能[3]
在鋼鐵制造流程功能拓展理念的指導(dǎo)下,鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)的普及率顯著提高(圖3),有力地推動(dòng)了鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排。
2000—2005年間,鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)了174.2%,但鋼鐵工業(yè)的能源消耗只增長(zhǎng)了120%。我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的噸鋼綜合能耗由2000年的0.92 tce降至2005年的0.741 tce,2005年與2000年相比,噸鋼綜合能耗降低幅度約19.5%。
圖3 1990—2009年我國(guó)鋼鐵工業(yè)CDQ和TRT技術(shù)的普及率[4]
“十一五”期間隨著國(guó)家對(duì)于節(jié)能減排的進(jìn)一步重視,我國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗進(jìn)一步降低,能源消耗總量雖然增加,但增長(zhǎng)幅度進(jìn)一步縮小。圖4顯示出我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能發(fā)展經(jīng)歷了單體節(jié)能、系統(tǒng)節(jié)能,能源消耗逐步降低。進(jìn)入21世紀(jì),隨著冶金流程功能的拓展和“三干一水一電”技術(shù)的推廣和應(yīng)用,能耗顯著降低?!笆濉逼陂g,在進(jìn)一步鞏固和發(fā)展前期節(jié)能技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將更加注重發(fā)揮鋼鐵生產(chǎn)流程的能源轉(zhuǎn)換功能、建設(shè)鋼鐵企業(yè)能源中心及加強(qiáng)能源管理水平,進(jìn)一步挖掘鋼鐵工業(yè)節(jié)能潛力。
圖4 1980—2010年我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能歷程[1]
雖然我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展取得了巨大成就,節(jié)能減排也有顯著的效果,但由于工藝、技術(shù)、裝備的多層次性以及一些企業(yè)的結(jié)構(gòu)不合理,我國(guó)鋼鐵工業(yè)在余熱余能回收上與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定差距,一些先進(jìn)的節(jié)能工藝裝備技術(shù),如:干熄焦余熱發(fā)電(CDQ),高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電(TRT),負(fù)能煉鋼等,雖得到廣泛的應(yīng)用,但節(jié)能效果尚有差異(圖5、圖6)。
由圖5、圖6可見(jiàn),我國(guó)鋼鐵企業(yè)只有高爐容積在3 000m3以上且配備干式TRT的條件下,其TRT發(fā)電量才可以達(dá)到40 kWh/t,而日本鋼鐵工業(yè)基本為大高爐濕式TRT,早在1995年其TRT發(fā)電量即可穩(wěn)定達(dá)到40 kWh/t以上的水平。與之相比較,我國(guó)鋼鐵工業(yè)濕式TRT及3 000m3以下干式TRT發(fā)電量還有較大差距。
圖5 我國(guó)部分鋼鐵企業(yè)TRT發(fā)電量分布及高爐容積分布
圖6 日本鋼鐵工業(yè)TRT發(fā)電量
我國(guó)和世界能源結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 2008年我國(guó)和世界一次能源結(jié)構(gòu)分布[5]
由圖7可見(jiàn),2008年我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤的消耗量占總能源量的70.23%,較世界平均水平29.25%高出近40個(gè)百分點(diǎn),而以煤為主的能源結(jié)構(gòu)使得我國(guó)發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)中以煤電為主,燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80.95%(圖8)。
圖8 2008年我國(guó)發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)
以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了用能系統(tǒng)能源利用率偏低,而CO2排放偏高(圖9)。
圖9 世界主要國(guó)家電力CO2排放因子[6]
我國(guó)鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu)變化如圖10所示。
圖10 2005—2007年我國(guó)鋼鐵工業(yè)的終端用能結(jié)構(gòu)[7]
由圖10可見(jiàn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn):
(1)在鋼鐵工業(yè)終端用能結(jié)構(gòu)中,焦炭消耗所占的比例最高,達(dá)60%左右;
(2)原煤消耗占較高比例,約為10%左右;
(3)電力消耗所占比例為10%左右。
其中,原煤主要用于鋼鐵企業(yè)自備電廠發(fā)電,10%的電力消耗是指鋼鐵工業(yè)外購(gòu)電,因此鋼鐵工業(yè)電力消耗約占終端用能的20%,而我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤為主的特點(diǎn),是我國(guó)鋼鐵工業(yè)能源效率偏低、排放偏高的先天不足。鋼鐵工業(yè)節(jié)約能源的同時(shí),充分利用自身的二次能源資源,如:各種副產(chǎn)煤氣、余熱蒸汽及余壓等發(fā)展自發(fā)電,因而近年來(lái)鋼鐵工業(yè)自發(fā)電量以及相應(yīng)的比例得到較大提高(表3)。
表3 2005—2007年鋼鐵行業(yè)用電量、自發(fā)電量變化情況
然而我國(guó)鋼鐵工業(yè)自發(fā)電比例依然較低,余熱資源尤其是副產(chǎn)煤氣還存在較大浪費(fèi),這也是造成我國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗較高的重要因素。由圖11可見(jiàn),日本鋼鐵工業(yè)自備電廠發(fā)電及余熱余能發(fā)電比例占到總用電量的50%,外購(gòu)電量?jī)H占10%左右。而為了充分利用鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣,日本還發(fā)展了發(fā)電企業(yè)與鋼鐵工業(yè)合作模式的電廠,即由電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)發(fā)電設(shè)備向鋼鐵企業(yè)供電,而鋼鐵企業(yè)向發(fā)電企業(yè)提供副產(chǎn)能源的“共同火力”模式,由此提供的電力可占總用電量的40%左右。比較可見(jiàn),在能源利用及自發(fā)電比例方面,我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距。
圖11 日本鋼鐵工業(yè)電力構(gòu)成的變化
根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)2009年年報(bào)統(tǒng)計(jì),2009年我國(guó)新增煉鋼產(chǎn)能6 473萬(wàn)t,到2009年底和2010年底,我國(guó)粗鋼的生產(chǎn)能力分別達(dá)到了7.18億t和7.7億t。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng),建筑、機(jī)械、輕工、汽車、造船、交通等行業(yè)的發(fā)展對(duì)鋼材有增長(zhǎng)的需求。2009年我國(guó)人均鋼材消費(fèi)量激增到了0.396 3t,而根據(jù)世界其他國(guó)家發(fā)展經(jīng)驗(yàn),中等發(fā)達(dá)國(guó)家人均鋼材消費(fèi)量大致維持在0.3 t~0.35 t。按照我國(guó)人均鋼材消費(fèi)量約0.35 t估計(jì),我國(guó)長(zhǎng)期的合理的鋼材表觀消費(fèi)量應(yīng)維持在4.5億~5億t,折合粗鋼產(chǎn)量為4.7億~5.3億t,由此可見(jiàn)當(dāng)前我國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩約2億t,這部分過(guò)剩的產(chǎn)能對(duì)能源、資源、環(huán)境施加了巨大的壓力。
雖然我國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼綜合能耗有明顯的下降,但由于我國(guó)粗鋼產(chǎn)量持續(xù)高速增長(zhǎng),鋼鐵工業(yè)的總能耗也逐年增大(表4)。
表4 2005—2008年鋼鐵工業(yè)總能耗及其占全國(guó)總能耗的比例
國(guó)家“十一五”提出單位GDP能耗約束指標(biāo),加之國(guó)際減排的壓力,我國(guó)“十二五”節(jié)能減排約束性指標(biāo)將更加嚴(yán)格,鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能的增長(zhǎng)將會(huì)受到國(guó)家嚴(yán)格的控制,這就要求我國(guó)鋼鐵工業(yè)要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。此外,“十二五”期間,國(guó)家可能在單位GDP能耗指標(biāo)的基礎(chǔ)上,對(duì)能源消費(fèi)總量進(jìn)行限制,這將要求鋼鐵企業(yè)抑制產(chǎn)能過(guò)度擴(kuò)張,合理控制能源總量增加。
我國(guó)鋼鐵工業(yè)在目前的產(chǎn)能規(guī)模下,在大氣污染物治理方面存在污染控制難的問(wèn)題,粉塵污染治理設(shè)備不完備,無(wú)組織排放問(wèn)題突出,環(huán)境保護(hù)問(wèn)題非常緊迫。以現(xiàn)有的水平,即使將行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)的環(huán)境指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平相比,仍存在較大差距,特別是在SO2、煙(粉)塵排放、噸鋼新水消耗和廢水排放等指標(biāo)方面(表5)。
項(xiàng)目寶鋼股份2008年韓國(guó)浦項(xiàng)2008年我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)平均2008年日本新日鐵2008年蒂森克虜伯(歐洲)2007/2008年>98 5.20 1.33 1.43 0.59 45 1.76(寶鋼分公司2007)工業(yè)水重復(fù)利用率/%噸鋼新水消耗/m3噸鋼外排廢水/m3噸鋼SO2排放/kg噸鋼粉塵、煙塵排放/kg噸鋼COD排放/kg 96.6 5.18 2.51 1.83 1.63 157 90 4.01 1.13 0.76 0.16 15.7 94.5 4.64 2.28 0.59 1.69噸鋼NOx排放/kg 1.11 1.41噸鋼二惡英排放/10-6 TEQ較2001年下降85%0.30
我國(guó)重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)的環(huán)境污染局部得到控制,部分企業(yè)如寶鋼、武鋼、唐鋼、濟(jì)鋼、太鋼、萊鋼等企業(yè)有很大改善,但是中小型落后的鋼鐵企業(yè)環(huán)境污染仍在惡化,一些規(guī)模小、技術(shù)落后的設(shè)備仍在運(yùn)行,影響到行業(yè)整體能耗與環(huán)境負(fù)荷水平。
控制和減少溫室氣體特別是CO2排放是人類社會(huì)面臨的緊迫任務(wù)。我國(guó)在哥本哈哥氣候談判中,提出了到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%~45%的目標(biāo),并列入“十二五”發(fā)展綱要。這一指標(biāo)的提出則要求我國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,走低碳發(fā)展之路,而且隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)碳減排的重視,我國(guó)在“后京都協(xié)議”的相關(guān)國(guó)際談判中面臨著巨大的壓力。不僅如此,在“后京都協(xié)議”談判中行業(yè)減排將日益受到關(guān)注,鋼鐵工業(yè)作為CO2主要排放行業(yè)必將承擔(dān)起相應(yīng)的責(zé)任。
我國(guó)鋼鐵工業(yè)各企業(yè)生產(chǎn)水平參差不齊,有代表世界先進(jìn)水平的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)(如:寶鋼),同時(shí)也存在不少落后的生產(chǎn)企業(yè)。2006年,鋼鐵行業(yè)噸鋼能耗0.82 tce,其中重點(diǎn)企業(yè)粗鋼產(chǎn)量占全國(guó)粗鋼產(chǎn)量的83.5%,噸鋼能耗為0.736 tce,由此可見(jiàn),占全國(guó)粗鋼產(chǎn)量16.5%的企業(yè)將噸鋼能耗拉高了0.084 tce。落后產(chǎn)能嚴(yán)重影響到我國(guó)鋼鐵工業(yè)的能效水平。
由圖12可以看出,我國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼能耗與重點(diǎn)企業(yè)噸鋼能耗的差距在逐步縮小。隨著國(guó)家淘汰落后的進(jìn)一步推進(jìn),我國(guó)鋼鐵工業(yè)整體水平將進(jìn)一步提升。
鋼鐵行業(yè)在提高能源利用效率方面仍具有一定的節(jié)能潛力可以挖掘,“二高、一低”將會(huì)成為鋼鐵行業(yè)“十二五”的主戰(zhàn)場(chǎng)和進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力所在。
“二高、一低”指:高效的能源回收利用(指外購(gòu)能源的高質(zhì)高用、二次能源的高水平回收利用和實(shí)現(xiàn)“零”放散損失);高效率的能源轉(zhuǎn)換利用(指電能高效轉(zhuǎn)換利用和氣轉(zhuǎn)汽、由中溫中壓向高溫高壓轉(zhuǎn)換等);低溫余熱回收利用(指低溫余熱資源綜合利用)。
具體從以下幾個(gè)方面推進(jìn):
(1)普及和推廣成熟的主生產(chǎn)流程節(jié)能減排工藝技術(shù)。主要技術(shù)有干熄焦技術(shù)(CDQ)、焦?fàn)t大型化技術(shù)、搗固焦?fàn)t技術(shù)、高爐爐頂余壓發(fā)電(TRT)技術(shù)等。
圖12 我國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼能耗與重點(diǎn)企業(yè)噸鋼能耗比較
(2)完善一批節(jié)能減排技術(shù),加快產(chǎn)業(yè)化。主要技術(shù)有:焦化煤調(diào)濕技術(shù)、降低燒結(jié)漏風(fēng)率技術(shù)、燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)、高爐脫濕鼓風(fēng)技術(shù)、高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)及余熱蒸汽綜合利用技術(shù)等。
(3)研發(fā)和關(guān)注節(jié)能減排前沿技術(shù),提前布局。主要技術(shù)有:荒煤氣余熱利用技術(shù)、高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣余熱回收技術(shù)、高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)(TGR-BF)技術(shù)及日本鋼鐵工業(yè)COURSE50技術(shù)等。
此外,加強(qiáng)能源管理,提高能源管理技術(shù)水平,優(yōu)化企業(yè)能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等產(chǎn)生的節(jié)能潛力也是相當(dāng)可觀的。
這種減排量雖然不在鋼鐵行業(yè)或企業(yè)內(nèi)部體現(xiàn),但對(duì)于提高社會(huì)整體的能源、資源效率和減排CO2是有益的。
(1)消納社會(huì)廢塑料,在高爐或焦?fàn)t中高效利用。另外,鋼廠處理廢輪胎和罐類的循環(huán)利用技術(shù)也趨于成熟、穩(wěn)定。
(2)與建材行業(yè)鏈接,冶金渣高附加值化。
(3)鋼廠副產(chǎn)煤氣的資源化利用。
(4)與電力行業(yè)鏈接,利用鋼廠副產(chǎn)煤氣發(fā)電。實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)煤氣“零排放”的一個(gè)重要途徑是建立“共同火力”模式。
上述前3類產(chǎn)業(yè)間聯(lián)合已為各行業(yè)所認(rèn)可并得到相當(dāng)程度的發(fā)展,如:當(dāng)前焦?fàn)t消納廢塑料的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)允許廢塑料能添加到焦炭產(chǎn)量的2%左右,折合噸鋼廢塑料消納量為8 kg;冶金渣幾乎100%用于建材行業(yè);鋼廠焦?fàn)t煤氣用于制氫等。
但第4類鋼鐵行業(yè)與電力行業(yè)的鏈接仍有待于推進(jìn)。日本鋼鐵工業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明,“共同火力”是一項(xiàng)鋼廠和電廠雙贏的項(xiàng)目。對(duì)于鋼鐵企業(yè),剩余的副產(chǎn)氣體可以全部利用,而且與鋼鐵企業(yè)自發(fā)電機(jī)組相比可以有效引進(jìn)大容量、高效率的發(fā)電設(shè)備;對(duì)電力企業(yè),通過(guò)利用制鐵所的基礎(chǔ)設(shè)施,選址較為容易,而且可以減輕送電設(shè)備和運(yùn)行的損耗,因此國(guó)家應(yīng)有相應(yīng)政策鼓勵(lì),同時(shí)2個(gè)行業(yè)都應(yīng)積極支持該項(xiàng)目建設(shè)。
我國(guó)處于工業(yè)化進(jìn)程中,鋼鐵工業(yè)仍處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段,因此其產(chǎn)量及能源消耗總量增長(zhǎng)是必然的。由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了我國(guó)鋼鐵工業(yè)以煤為主的用能特點(diǎn),使得我國(guó)鋼鐵工業(yè)具有能效偏低的先天不足,因此提高能效,減少排放的任務(wù)更加艱巨。我國(guó)鋼鐵工業(yè)面對(duì)節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì),應(yīng)加強(qiáng)政策引導(dǎo),采取合理的技術(shù)措施,主要有淘汰落后產(chǎn)能,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);提高鋼鐵生產(chǎn)流程能效,進(jìn)一步挖掘潛力;推進(jìn)行業(yè)間聯(lián)合(尤其是電力企業(yè)與鋼鐵企業(yè)間的聯(lián)合),促進(jìn)社會(huì)資源和能源高效利用。
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(本欄責(zé)任編輯 胡玨)