·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·