徐 軍 徐海倫 李銀銀

(中冶南方工程技術(shù)有限公司)

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上向全世界宣示了“3060”承諾[1]，我國(guó)致力于“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)對(duì)全球氣候治理起到關(guān)鍵性的推動(dòng)作用，充分體現(xiàn)了中國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的領(lǐng)導(dǎo)力和大國(guó)擔(dān)當(dāng)，也為中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、綠色低碳發(fā)展明確了目標(biāo)、指明了方向，具有深遠(yuǎn)的國(guó)際國(guó)內(nèi)影響[2-4]。鋼鐵行業(yè)作為能源消耗高密集型行業(yè)，是制造業(yè)31個(gè)門(mén)類(lèi)中碳排放量最大行業(yè)。2021年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.33億t，CO2排放量約18億t，排放量占全國(guó)碳排放總量的15%以上，大力開(kāi)展鋼鐵工業(yè)碳排放核查研究是落實(shí)全球氣候變化的重要途徑，具有重要戰(zhàn)略地位[5-11]。

碳排放量是一個(gè)需要通過(guò)數(shù)據(jù)量化的具體指標(biāo)，鋼鐵企業(yè)減排效果都要基于核算后的碳排放量。做好碳排放量核算是準(zhǔn)確掌握鋼鐵企業(yè)碳排放變化趨勢(shì)、有效開(kāi)展各項(xiàng)碳減排工作的基本前提，也是企業(yè)積極參與碳排放交易、碳排放配額及低碳產(chǎn)品認(rèn)證的基礎(chǔ)?？茖W(xué)規(guī)范對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放進(jìn)行核算，對(duì)引導(dǎo)企業(yè)向低碳發(fā)展轉(zhuǎn)變具有重要意義[12-18]。鋼鐵行業(yè)現(xiàn)有碳排放核算體系包括兩大類(lèi)，第一類(lèi)是由聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》[19](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《IPCC指南》)，《IPCC 指南》提供了3 種計(jì)算方法，分別為排放系數(shù)法、質(zhì)量平衡法以及實(shí)測(cè)法，核算范圍包括化石燃料燃燒排放量和生產(chǎn)過(guò)程排放量?jī)刹糠郑坏诙?lèi)是2013年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》[20](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鋼鐵核算指南》)?！朵撹F核算指南》核算方法參照《IPCC 指南》排放系數(shù)法制定，將企業(yè)視為一個(gè)整體，基于企業(yè)層面邊界的投入產(chǎn)出方法計(jì)算企業(yè)的CO2排放量[21]，核算范圍除了化石燃料排放量、生產(chǎn)過(guò)程排放量之外，還考慮了外購(gòu)燃?xì)怆娏σ约肮烫籍a(chǎn)品排放量。

我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)以高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝為主，包含燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、高爐煉鐵、煉鋼連鑄、軋鋼等工序，各工序碳排放特點(diǎn)差異性較大。開(kāi)展鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工序碳排放核算，為摸清各生產(chǎn)工序在燃料組成、工業(yè)過(guò)程以及資源回收利用效率等方面的碳排放差距提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)流程、有針對(duì)性地投入低碳技術(shù)設(shè)備提供了有力支撐。

文章將系統(tǒng)提出鋼鐵企業(yè)分工序碳排放核算方法，并通過(guò)企業(yè)實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)不同工序碳排放主要影響因素進(jìn)行分析。

1 鋼鐵分工序碳排放核算方法

采用《鋼鐵核算指南》的計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，計(jì)算邊界明確，而且基于指南編制的標(biāo)準(zhǔn)[22]現(xiàn)已成為我國(guó)鋼鐵企業(yè)CO2排放量計(jì)算的一個(gè)規(guī)范性文件，得到了廣泛使用，指導(dǎo)我國(guó)鋼鐵企業(yè)碳排放核查計(jì)算。文章將以《鋼鐵核算指南》核算體系為指導(dǎo)，確定各鋼鐵生產(chǎn)工序核算邊界、排放源清單及核算方法，核算各工序碳排放量。

1.1 核算邊界

鋼鐵生產(chǎn)工序碳排放核算范圍以各工序原料、能源及耗能介質(zhì)的輸入為起點(diǎn)，以工序產(chǎn)品及副產(chǎn)品輸出為終點(diǎn)，包括直接生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，各工序核算邊界詳見(jiàn)表1。

表1 各生產(chǎn)工序的碳排放核算邊界

1.2 排放源清單

具體而言，各工序碳排放核算范圍包括：化石燃料燃燒排放、生產(chǎn)過(guò)程排放、凈購(gòu)入熱力電力排放以及固碳產(chǎn)品隱含排放，各工序排放源清單詳見(jiàn)表2。

表2 各生產(chǎn)工序的核算邊界及排放源清單

1.3 核算方法

鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序碳排放量等于核算邊界內(nèi)所有的化石燃料燃燒排放量、生產(chǎn)過(guò)程排放量以及凈購(gòu)入電力和熱力所對(duì)應(yīng)的CO2排放量之和，同時(shí)扣除固碳產(chǎn)品隱含排放量，按式(1)計(jì)算：

E=E燃燒+E過(guò)程+E電和熱-R固碳

(1)

式中:E為工序碳排放總量,t;E燃燒為工序化石燃料燃燒排放量,t;E過(guò)程為工序生產(chǎn)過(guò)程排放量,t;E電和熱為工序凈購(gòu)入電力、熱力對(duì)應(yīng)的排放量,t;R固碳為工序固碳產(chǎn)品隱含排放量,t。

2 實(shí)例分析

以湖北省某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)A為例,對(duì)企業(yè)各生產(chǎn)工序碳排放進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 企業(yè)基本情況

A企業(yè)是集燒結(jié)、石灰窯、煉鐵、煉鋼連鑄、軋鋼等工序?yàn)橐惑w的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè),采用高爐—煉鋼長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝,主體設(shè)施規(guī)模詳見(jiàn)表3。生產(chǎn)過(guò)程中涉及生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及生產(chǎn)服務(wù)附屬生產(chǎn)系統(tǒng),能源結(jié)構(gòu)以焦炭、煤為主,生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品如高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)回收系統(tǒng)進(jìn)行回收,制成混合煤氣,用于自備電廠以及各燃燒過(guò)程的點(diǎn)火、維修切割等,其它副產(chǎn)品如礦渣外輸作為產(chǎn)品賣(mài)出。生產(chǎn)過(guò)程中配有余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行回收再利用,主要用于自備電廠。

2.2 核算結(jié)果

表3 A企業(yè)廠區(qū)現(xiàn)有工藝設(shè)施

根據(jù)業(yè)主提供生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù),將企業(yè)2018-2020年碳排放核算匯總,計(jì)算過(guò)程中涉及原燃料低位發(fā)熱值、排放因子均參照《鋼鐵核算指南》,計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 2018-2020年A企業(yè)及各工序碳排放量

3 結(jié)果分析

由企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)可知,2018-2020年企業(yè)在碳減排方面取得了較大進(jìn)步,噸鋼CO2排放量由1.805 t降至1.689 t,碳排放強(qiáng)度在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平,主要原因是企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廢鋼使用量增加,鐵鋼比呈逐年下降趨勢(shì)。從各工序碳排放強(qiáng)度分析(按工序碳排放總量從高到低排序)依次為發(fā)電、石灰窯、軋鋼、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼連鑄工序,具體見(jiàn)表5。與傳統(tǒng)認(rèn)知有所不同,煉鐵工序碳排放量?jī)H占碳排放總量10%左右,這主要是由于高爐工序中的碳主要存在于高爐煤氣和鐵水中,在高爐工序碳排放量核算過(guò)程中將該部分作為固碳產(chǎn)品在總排放量里進(jìn)行了抵扣。

表5 A企業(yè)主要工序碳排放占比變化情況 %

3.1 燒結(jié)工序

燒結(jié)工序是將含鐵粉礦、熔劑、燃料及返礦按一定比例組成混勻礦,通過(guò)布料、點(diǎn)火、抽風(fēng)、燃燒、冷卻、整粒等制得物理及化學(xué)性能滿足高爐冶煉要求的燒結(jié)礦的過(guò)程。燒結(jié)工序噸產(chǎn)品CO2排放量0.18～0.2 t,工序碳排放主要是由于化石燃料燃燒排放引起,具體見(jiàn)表6。2018-2020年,A企業(yè)燒結(jié)工序碳排放強(qiáng)度呈波動(dòng)上升趨勢(shì),主要原因是燒結(jié)環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率增加,導(dǎo)致煤氣用量增加。

表6 燒結(jié)工序噸產(chǎn)品碳排放量變化情況 t

為有效控制燒結(jié)工序碳排放,核心是減少化石燃料使用量,可通過(guò)采取厚料層燒結(jié)、降低環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率、熱煙氣循環(huán)、料面噴吹富氫氣體等措施進(jìn)一步降低工序碳排放。

3.2 高爐煉鐵工序

高爐煉鐵是以焦炭作為主要能源和還原劑,燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦在高溫熔融狀態(tài)下完成還原,生成液態(tài)鐵水的煉鐵方法?？鄢F水及高爐煤氣隱含的碳排放,A企業(yè)高爐工序噸產(chǎn)品CO2排放量約0.18～0.25 t,引起工序碳排放差異主要是化石燃料燃燒及固碳產(chǎn)品隱含排放量,具體見(jiàn)表7。2018-2020年,A企業(yè)高爐煉鐵工序碳排放強(qiáng)度呈波動(dòng)下降趨勢(shì),主要原因是企業(yè)高爐燃料比降低。

表7 高爐煉鐵工序噸產(chǎn)品碳排放量變化情況 t

為有效控制高爐煉鐵工序碳排放,企業(yè)應(yīng)持續(xù)推進(jìn)降低燃料比工藝措施(如提高礦石入爐品位、改善焦炭質(zhì)量、升高熱風(fēng)溫度、增加爐頂壓力等),同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)高爐煤氣全回收工藝探索,提高工序固碳產(chǎn)品產(chǎn)量。

3.3 煉鋼連鑄

轉(zhuǎn)爐煉鋼是以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料,不借助外加能源,通過(guò)控制碳含量,消除有害元素,得到合格鑄坯的過(guò)程?？鄢D(zhuǎn)爐煤氣隱含的碳排放,A企業(yè)煉鋼連鑄工序噸產(chǎn)品CO2排放量在0.034～0.057 t,引起轉(zhuǎn)爐煉鋼連鑄工序碳排放差異主要是化石燃料燃燒及固碳產(chǎn)品隱含排放量,具體見(jiàn)表8。2018-2020年,煉鋼連鑄工序碳排放強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),主要原因是煤氣及造渣劑使用量增加。

表8 煉鋼連鑄工序噸產(chǎn)品碳排放量變化情況 t

為有效降低煉鋼連鑄工序碳排放總量,應(yīng)加強(qiáng)鋼水保溫措施,嚴(yán)控澆鑄溫度,探索少(無(wú))渣工藝,降低熔劑用量,加大轉(zhuǎn)爐煤氣回收量,加強(qiáng)鋼渣綜合利用率。

3.4 軋鋼

軋鋼工序是將鋼坯在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制,將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ぷ冃谓M織,使材料的塑性大幅提高的過(guò)程。A企業(yè)軋鋼工序噸產(chǎn)品CO2排放量0.23～0.29 t,引起軋鋼工序碳排放差異主要是化石燃料燃燒及外購(gòu)電力排放量,具體見(jiàn)表9。2018-2020年,軋鋼工序碳排放強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),主要原因是加熱爐煤氣及用電量增加。

表9 軋鋼工序噸產(chǎn)品碳排放量變化情況 t

為有效降低軋鋼工序碳排放總量,應(yīng)加強(qiáng)界面技術(shù)優(yōu)化,推廣近終成型工藝,提高鋼坯直接軋制、熱送熱裝比例,加大節(jié)能式加熱爐使用范圍,從而降低煤氣、電力使用量。

3.5 石灰窯

鋼鐵企業(yè)內(nèi)通過(guò)石灰窯高溫煅燒石灰石和白云石,生產(chǎn)鋼鐵冶金相關(guān)工序所需的活性石灰和輕燒白云石。A企業(yè)石灰窯工序噸產(chǎn)品CO2排放量約2 t,引起石灰窯工序碳排放差異主要是化石燃料燃燒及生產(chǎn)過(guò)程排放量,具體見(jiàn)表10。2018-2020年,石灰窯工序碳排放強(qiáng)度較穩(wěn)定,各生產(chǎn)指標(biāo)變化不大。

表10 石灰窯工序噸產(chǎn)品碳排放量變化情況 t

為降低石灰窯工序碳排放總量,應(yīng)優(yōu)化煅燒工藝,加大并流蓄熱等節(jié)能工藝推廣,并努力探索石灰窯煙氣CO2富集提取技術(shù)。

4 結(jié)論

加強(qiáng)鋼鐵企業(yè)碳排放核算不僅能助力鋼鐵企業(yè)綠色低碳、高質(zhì)量發(fā)展,還可促進(jìn)鋼鐵上游行業(yè)綠色協(xié)同發(fā)展,對(duì)于促進(jìn)全社會(huì)低碳發(fā)展具有重要意義。通過(guò)對(duì)A鋼鐵企業(yè)進(jìn)行全面調(diào)研,系統(tǒng)核算各工序碳排放量并進(jìn)行比較分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)燒結(jié)工序碳排放主要是由化石燃料使用量決定,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注燒結(jié)環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)率、余熱資源綜合利用情況,以降低化石燃料消耗量;

(2)高爐煉鐵工序排放主要由化石燃料使用量及固碳產(chǎn)品產(chǎn)量決定,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降低燃料比措施,同時(shí),需優(yōu)化高爐煤氣回收工藝,提高工序固碳產(chǎn)品產(chǎn)量;

(3)煉鋼連鑄工序碳排放由生產(chǎn)過(guò)程排放及固碳產(chǎn)品產(chǎn)量決定,應(yīng)加強(qiáng)鋼水保溫措施,嚴(yán)控澆鑄溫度,探索少(無(wú))渣冶煉工藝,降低石灰石、白云石等熔劑用量工藝,優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煤氣回收工藝;

(4)軋鋼工序碳排放主要由化石能源燃料決定,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)界面技術(shù)優(yōu)化,推廣近終成型工藝,提高鋼坯直接軋制、熱送熱裝比例;

(5)石灰窯工序碳排放主要由化石燃料燃燒決定,應(yīng)優(yōu)化煅燒工藝,加大并流蓄熱等節(jié)能式工藝推廣。