長(zhǎng)短流程能耗和碳排放對(duì)比分析

冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院

【資料圖】

低碳研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

陳劍

目前，典型的鋼鐵生產(chǎn)流程分為兩類：一類為焦化（焦炭）-燒結(jié)、球團(tuán)-高爐-轉(zhuǎn)爐-連鑄-軋制工藝流程，即高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程；另一類為電爐（以廢鋼為主要鐵素原料）-連鑄-軋制工藝流程，即廢鋼電爐短流程。

圖1長(zhǎng)流程和短流程冶煉工藝示意圖

兩大流程冶煉得到合格鋼水后的連鑄和軋制過程基本一致，短流程由于使用可循環(huán)利用的廢鋼作為主要原料，不包括煉焦、燒結(jié)、高爐煉鐵等高耗能和高排放工序，普遍認(rèn)為環(huán)保節(jié)能低碳效果較長(zhǎng)流程顯著。但電爐冶煉的原料并不一定全部使用廢鋼，也可能會(huì)添加大量的鐵水、冷鐵塊或直接還原鐵。因此，兩大流程能源消耗和碳排放量還要取決于煉鋼鐵素資源結(jié)構(gòu)。筆者就長(zhǎng)流程和短流程進(jìn)入煉鋼爐的不同鐵素資源結(jié)構(gòu)變化，對(duì)長(zhǎng)短流程的節(jié)能減碳效果進(jìn)行探討。

一、長(zhǎng)流程和短流程噸鋼能耗和碳排放估算

（一）估算邊界

（1）本文估算僅計(jì)算兩類冶煉流程生產(chǎn)出合格鋼水的主要工序能源消耗和碳排放量，鐵礦石、廢鋼、鐵合金、熔劑等原輔料生產(chǎn)不計(jì)入能耗和碳排放。

（2）對(duì)于高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程鋼鐵冶煉工藝，包括焦?fàn)t煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐煉鐵和轉(zhuǎn)爐煉鋼等主要生產(chǎn)工序，不論是否有焦化工序，焦炭都要計(jì)入能源消耗和碳排放。

（3）對(duì)于電爐短流程鋼鐵冶煉工藝，如果采用全廢鋼冶煉，則只包括電爐冶煉工序，如果采用廢鋼+鐵水（冷鐵塊、直接還原鐵）冶煉，則包括生產(chǎn)鐵水的所有主要工序和電爐冶煉工序，其中，冷鐵塊和直接還原鐵按鐵水計(jì)。

（二）估算方法

通過各主要工序的能源消耗量折算為噸鋼能耗，合計(jì)估算生產(chǎn)1噸鋼水的能源消耗量（按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)），再用能耗值折算噸鋼碳排放量。

根據(jù)中鋼協(xié)2021年重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)企業(yè)能耗水平，燒結(jié)工序能耗48.50kgce/t-燒結(jié)礦，球團(tuán)工序能耗25.23kgce/t-球團(tuán)礦，焦化工序能耗105.55kgce/t-焦炭，煉鐵工序能耗387.94kgce/t-鐵水，轉(zhuǎn)爐冶煉工序能耗為-20.88kgce/t-鋼水（不包括精煉），電爐冶煉能耗為42.22kgce/t-鋼水（不包括精煉）。

（1）高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程冶煉噸鋼能耗和碳排放量估算

按當(dāng)前高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程冶煉平均水平估算，生產(chǎn)1噸鋼水鋼鐵料消耗約為1060kg，其中廢鋼消耗量為140kg，廢鋼比為13%左右，其余為鐵水和生鐵，按920kg計(jì)算；生產(chǎn)1t鐵水消耗1.6t的鐵礦石，其中燒結(jié)礦占比75%，消耗量為1.2t，球團(tuán)礦占比25%，消耗量為0.4t，焦炭消耗量為350kg。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，長(zhǎng)流程工藝生產(chǎn)1t鋼水各主要工序能源消耗按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算如下：

鐵前工序（包括焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵）：0.92×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=453.72kgce；

轉(zhuǎn)爐冶煉工序：-20.88kgce；

高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝主要工序合計(jì)：453.72-20.88=432.84kgce。

按照當(dāng)前鋼鐵行業(yè)折標(biāo)煤能耗和碳排放的折算因子，1tce相當(dāng)于3.5tCO2的排放計(jì)算，高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝生產(chǎn)1t鋼水各主要工序排放CO2量為：432.84×3.5=1.515t。

（2）電爐短流程噸鋼能耗和碳排放量估算

當(dāng)前電爐短流程煉鋼原料主要是廢鋼，并添加一部分鐵水或冷鐵塊，根據(jù)廢鋼協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，電爐冶煉廢鋼單耗平均約為680kg/t，鋼鐵料消耗按1060kg/t計(jì)算，鐵水或冷鐵塊單耗約為380kg/t，經(jīng)測(cè)算廢鋼比約為65%左右。生產(chǎn)鐵水或冷鐵塊的能耗按長(zhǎng)流程計(jì)算。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，65%廢鋼電爐短流程工藝生產(chǎn)1t鋼水各主要工序能源消耗按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算如下：

鐵前工序：0.38×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=187.41kgce；

電爐冶煉工序：42.22kgce；

65%廢鋼電爐短流程工藝合計(jì)：187.41+42.22=229.63kgce。

按照1tce相當(dāng)于3.5tCO2的排放計(jì)算，65%廢鋼電爐短流程工藝生產(chǎn)1t鋼水各主要工序排放CO2量為：229.63×3.5=0.804t。對(duì)于全廢鋼電爐短流程冶煉，噸鋼能耗和碳排放量估算僅包括電爐冶煉工序的能耗和碳排放。

根據(jù)中鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)企業(yè)的2021年能耗水平及高爐-轉(zhuǎn)爐（廢鋼比13%）長(zhǎng)流程和65%廢鋼電爐短流程的冶煉水平，后者噸鋼能耗和噸鋼碳排放分別是前者的一半左右（53.05%）。

二、長(zhǎng)流程和短流程在不同廢鋼單耗下的能耗和碳排放對(duì)比

按照上述長(zhǎng)流程和短流程在不同廢鋼單耗下的能耗和碳排放估算邊界和方法，根據(jù)《鋼鐵企業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50632-2019）中各工序能源消耗水平計(jì)算高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程和電弧爐短流程的能源消耗和碳排放情況對(duì)比見表2。

長(zhǎng)流程轉(zhuǎn)爐冶煉主要原料輸入為鐵水，按當(dāng)前冶煉水平，廢鋼比在13%左右，隨著廢鋼比的不斷提升，理論計(jì)算的噸鋼能耗和噸鋼碳排放均不斷降低，但轉(zhuǎn)爐廢鋼不能無(wú)限制增加，宜控制在20%左右，最大應(yīng)控制在30%以內(nèi)。對(duì)于電弧爐冶煉來(lái)說(shuō)，主要原料輸入為廢鋼，廢鋼比調(diào)節(jié)范圍較寬，鐵水兌水量不宜超過85%，廢鋼比越高，噸鋼能耗和噸鋼碳排放均持續(xù)降低。根據(jù)表2的理論計(jì)算結(jié)果，短流程廢鋼比在50%左右時(shí)，長(zhǎng)短流程的噸鋼能耗和碳排放接近，因此，以短流程廢鋼比50%為分界點(diǎn)與長(zhǎng)流程煉鋼對(duì)比如下：

（1）當(dāng)電弧爐短流程廢鋼比在50%以上時(shí)，生產(chǎn)1噸鋼的能源消耗和碳排放明顯比高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝低，廢鋼比在70%、85%和100%時(shí)，噸鋼能源消耗和碳排放分別是高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程（廢鋼比在20%左右）的1/2、1/3和1/5左右。

（2）當(dāng)電弧爐短流程工藝的廢鋼比降低至50%及以下時(shí)，生產(chǎn)1噸鋼的能源消耗和碳排放與轉(zhuǎn)爐廢鋼比達(dá)到40%的長(zhǎng)流程工藝接近，繼續(xù)降低電爐廢鋼比，能耗和碳排放較長(zhǎng)流程更高；當(dāng)電弧爐短流程工藝的廢鋼比降低至40%時(shí)，生產(chǎn)1噸鋼的能源消耗和碳排放與轉(zhuǎn)爐廢鋼比達(dá)到30%的長(zhǎng)流程工藝接近，再降低電爐廢鋼比，能耗和碳排放較長(zhǎng)流程更高。

（3）電弧爐短流程廢鋼比達(dá)到30%及以下時(shí)，生產(chǎn)1噸鋼的能源消耗和碳排放已非常接近甚至超過20%廢鋼比的長(zhǎng)流程工藝，短流程廢鋼比越低，能源消耗和碳排放與長(zhǎng)流程越接近，甚至更高。

三、結(jié)論和建議

（一）結(jié)論

（1）長(zhǎng)流程提高廢鋼比有利于節(jié)能減碳。增加廢鋼比可相應(yīng)減少鐵水的加入量，從而減少鐵前工序的能源消耗和碳排放量。轉(zhuǎn)爐廢鋼比宜控制在20%左右，不宜超過30%，既能保證轉(zhuǎn)爐煤氣回收量，又能保證轉(zhuǎn)爐的正常冶煉。

（2）短流程工藝并不一定節(jié)能低碳。冶煉廢鋼比在50%以上時(shí)，噸鋼能耗和碳排放明顯低于長(zhǎng)流程，但廢鋼比降至50%以下時(shí)，噸鋼能耗和碳排放與長(zhǎng)流程接近甚至更高。

（二）建議

（1）統(tǒng)籌推進(jìn)長(zhǎng)短流程協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)流程低碳轉(zhuǎn)型的平穩(wěn)過渡。在我國(guó)粗鋼產(chǎn)量占全球一半以上、廢鋼處于供不應(yīng)求的現(xiàn)實(shí)條件下，高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝仍是效率最高、成本最低、較為節(jié)能低碳的冶煉方式，不能盲目取消高爐置換建設(shè)電爐短流程，需充分考慮高爐轉(zhuǎn)爐服役期、廢鋼積蓄量和粗鋼產(chǎn)量統(tǒng)籌規(guī)劃推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)冶煉流程低碳轉(zhuǎn)型的平穩(wěn)過渡。

（2）鼓勵(lì)推進(jìn)全廢鋼電爐冶煉。全廢鋼冶煉的電爐短流程明顯節(jié)能低碳，根據(jù)廢鋼資源和產(chǎn)品市場(chǎng)的區(qū)域分布，有條件的地區(qū)應(yīng)全面推進(jìn)全廢鋼電爐短流程冶煉工藝。另外，氫基直接還原、熔融還原獲得的直接還原鐵和鐵水可以有效補(bǔ)充廢鋼短缺，但應(yīng)充分考慮物流運(yùn)輸、二次加熱等能源損失。

（3）進(jìn)一步提高現(xiàn)有高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程廢鋼比例。目前長(zhǎng)流程僅通過采取提高廢鋼比的措施，仍有較大節(jié)能減碳空間，廢鋼比達(dá)到20%~30%左右，理論計(jì)算可較當(dāng)前水平實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳8%~18%左右。（冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院）

關(guān)鍵詞： 電爐短流程