高爐冶煉工序碳素流分析

吳曉姝，宣艷妮，岳 強

（1. 遼寧廣播電視大學(xué)， 遼寧 沈陽 110034； 2. 國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

高爐冶煉工序碳素流分析

吳曉姝1，宣艷妮2，岳 強2

（1. 遼寧廣播電視大學(xué)， 遼寧 沈陽 110034； 2. 國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

以某鋼鐵企業(yè)高爐冶煉過程為研究對象，根據(jù)繪制的高爐碳素流程圖，建立了高爐工序CO2排放模型，解析高爐冶煉過程中碳素流運行規(guī)律。制定了CO2排放因子和計算公式，計算出入爐焦炭占高爐碳輸入量的46.27%，動力消耗中的高爐煤氣占碳輸入量的48.39%，冶煉噸鐵CO2排放量占高爐碳輸出量的57.26%，進入管網(wǎng)高爐煤氣占碳輸出量的34.23%。據(jù)此，提出減少高爐冶煉工序中C素能源消耗，優(yōu)化高爐煉鐵工藝流程，采用先進節(jié)能技術(shù)等措施，可降低此工序CO2排放量。

鋼鐵企業(yè)；節(jié)能；高爐；CO2排放

近幾十年來，全球溫室氣體濃度的劇增引起氣候變暖成為研究學(xué)者共同關(guān)注的焦點，在導(dǎo)致氣候變化的各種溫室氣體中，CO2的貢獻率占50%以上，而人類活動排放的CO2是造成其濃度增加的主要因素[1,2]。歐洲委員會聯(lián)合研究中心（JRC）以及荷蘭環(huán)境評估署（PBL）聯(lián)合發(fā)布報告指出，2012年二氧化碳排放總量為345億t，同比2011年增速1.1%。“全球碳計劃”（GCP）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2013年全球化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量將達到 360億 t，預(yù)計上漲 2.1%?！度蛱碱A(yù)算》顯示，2012年化石燃料量最大排放源包括中國（27%）、美國（14%）、歐盟（10%）及印度（6%），而大部分的化石燃料排放增長來自煤炭增長。據(jù)CDIAC（Carbon Dioxide Information Analysis Center）公布的2010年CO2排放國際清單數(shù)據(jù)，2010年全球CO2排放量為335.09億t，其中，前十個國家：中國、美國、印度、俄羅斯、日本、德國、伊朗、韓國、加拿大、沙特阿拉伯 CO2排放量之和占世界排放總量的 64.29%（圖 1），中國 CO2排放量占世界總排放量的24.60%，居于世界首位[3]。

圖1 2010年CO2排放世界前十的國家排放情Fig.1 The CO2emission condition of the world’s top ten countries in 2010

鋼鐵制造業(yè)是CO2排放的主要來源[4]，成為我國第三大CO2排放行業(yè)[5]。中國又是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，鋼鐵工業(yè)占總能源消耗的 15.2%[6]，鋼鐵工業(yè)的CO2排放中，能源（燃料）消耗所排放的CO2量約占鋼鐵工業(yè) CO2排放總量的 95%以上[7]。我國鋼鐵工業(yè)依賴度主要能源是煤炭資源。

如何降低企業(yè)煤炭能耗，減少生產(chǎn)成本，降低鋼鐵工業(yè)CO2排放量，使企業(yè)由粗放型經(jīng)營轉(zhuǎn)向集約型經(jīng)營，發(fā)展新型工業(yè)化模式，成為許多專家、學(xué)者研究的課題。在鋼鐵生產(chǎn)中，高爐煉鐵所排放的CO2占整個生產(chǎn)過程的絕大部分[6]，降低高爐煉鐵能源消耗，減少CO2排放量，采用新型清潔能源代替化石燃料、優(yōu)化高爐設(shè)備等是未來節(jié)能減排的重要措施。

1 高爐煉鐵碳素流程圖

高爐冶煉過程中碳素主要來源于焦炭和噴吹燃料（煤粉）（如圖2）。

圖2 高爐內(nèi)碳素平衡圖Fig.2 Carbon element flowing Chart of blast furnace

一小部分來自于燒結(jié)礦殘?zhí)?，動力消耗，如添加石灰石等溶劑，則有少量來自碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2。碳素最終轉(zhuǎn)化為 CO、CO2進入到煤氣中，部分溶解于生鐵、高爐渣中，部分進入到煤氣粉塵中，隨煤氣逸出爐外。碳素流在爐內(nèi)以氧化反應(yīng)為主，大部分進入煤氣。此外，高爐鼓風也還有一定量的CO2，而熱風爐也要消耗一定量的煤氣來對空氣進行加熱，最終以熱風爐廢氣的形式排出[8]。

2 鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵碳排放因子測定

國際上計算CO2排放的方法沒有統(tǒng)一標準，基本原理都是根據(jù)碳平衡進行計算，通過平衡系統(tǒng)內(nèi)輸入與輸出的碳，計算系統(tǒng)內(nèi)碳元素數(shù)量，最終折算為CO2[9]，鋼鐵企業(yè)CO2減排必須以高爐冶煉為重點,采用中國鋼鐵工業(yè)的年度（或某一時期內(nèi)）的能源、溶劑及含碳原料消耗數(shù)據(jù)，并扣除產(chǎn)品、副產(chǎn)品帶走的碳量[10]，即：

根據(jù)國際計算CO2的排放方法，依照我國《綜合能耗計算通則》[11]計算排放因子（如表1、表2），定義我國鋼鐵企業(yè)碳排放因子為使用的某種原燃料的熱值與轉(zhuǎn)換因子的乘積，即：

式中：EF — 碳排放因子；

Q — 物料或產(chǎn)品熱值，GJ/t 或GJ/m3；

C — 轉(zhuǎn)換因子。

表1 間接碳排放因子Table 1 Indirect carbon emission factor

表2 直接碳排放因子Table 2 Direct carbon emission factor

3 某鋼鐵企業(yè)高爐冶煉碳排放模型及噸鐵碳素流分析

對于計算高爐的工序CO2排放，利用碳平衡的原理，排放的碳應(yīng)為輸入的碳總量減去產(chǎn)品和副產(chǎn)品中的碳排放權(quán)抵扣[12]，即：工序CO2排放=輸入端的CO2折合量-輸出端的碳排放抵扣，如圖3所示。

圖3 高爐工序CO2排放計算模型Fig.3 CO2emission calculation model of blast furnace

圖為某鋼鐵企業(yè)高爐生產(chǎn)工序的碳素流模型。模型輸入端包含工序運行生產(chǎn)所需物質(zhì)及能源，模型的輸出端主要為該工序的工序產(chǎn)品和副產(chǎn)品。通過建立工序碳排放模型計算出高爐工序生產(chǎn)噸產(chǎn)品的CO2排放量。

以下以某企業(yè)高爐工序為例，對其碳輸入、輸出進行分析。

輸入端的碳量計算：

（1）焦炭：焦炭消耗量 530 kg，焦炭的 CO2折合量為：530×3.077=1 630.8 kg

（2）含鐵物料：消耗量：164.7 kg，含鐵物料的CO2折合量為：164.7×0.002 3=3.79 kg

（3）溶劑：消耗量：40 kg，溶劑的CO2折合量為：40×0.424=16.96 kg

（4）動力消耗：包括電力、蒸汽、氮氣、壓縮空氣、鼓風、水、高爐煤氣共7項.

電力：噸鐵電耗：30 kW·h ，電力的CO2折合量為：

30 kW·h×0.389=11.67 kg

蒸汽：噸鐵蒸汽消耗量：50 kg，蒸汽的CO2折合量為：

50×0.407=20.35 kg

氮氣：噸鐵氮氣消耗量：30 Nm3/t，氮氣的CO2折合量為：

30×1.267=0.038 kg

壓縮空氣：噸鐵壓縮空氣消耗量：5 Nm3/t，蒸汽的CO2折合量為：

5×0.127=0.635 kg

鼓風：噸鐵鼓風消耗量：1 415 Nm3/t，蒸汽的CO2折合量為：

1 415×0.095=134.43 kg

水： 噸鐵水消耗量：54 000 kg/t，水的CO2折合量為：

54 000×0.000 243=13.12 kg

高爐煤氣：噸鐵高爐煤氣消耗量：1 866 Nm3/t，高爐煤氣的CO2折合量為：

1 866×0.914=1 705.52 kg

輸入端CO2排放折合總量為：

1 630.8+3.79+ 16.96+11.67+20.35+0.038+

0.635 +134.43+13.12+1 705.52=3 524.19 kg

輸出端的碳量計算：

（1）鐵水：1 t鐵水的碳排放抵扣為：

1 000×0.147=147 kg

（2）并入管網(wǎng)的高爐煤氣：該高爐噸鐵產(chǎn)生高爐煤氣2 120 Nm3，熱風爐使用800 Nm3，并入管網(wǎng)的高爐煤氣量為2 120-800=1 320 Nm3，其碳排放抵扣為：1 320×0.914=1 206.48 kg

（3）高爐渣：該高爐噸鐵產(chǎn)生高爐渣400 kg，其碳排放抵扣為：400×0.382=152.8 kg

輸出端 CO2排放折合總量為：147+1 206.48+152.8=1 506.28 kg

高爐的工序CO2排放量：

高爐的工序CO2排放量=輸入端的CO2折合量-輸出端CO2排放折合量=3 524.19-1 506.28=2 017.91 kg

計算結(jié)果如表3所示。

表3 某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)1噸鐵水碳的輸入輸出Table 3 The carbon input and output for production of one ton molten iron in an iron and steel enterprise

分析數(shù)據(jù)得出：高爐冶煉噸鐵CO2排放量占高爐總碳排放量的 57.26%，降低高爐冶煉工序 CO2排放量可降低能源消耗，減少環(huán)境污染。從碳輸入端來說：入爐焦炭占46.27%，動力消耗中的高爐煤氣占48.39%；從碳輸出端來說，進入管網(wǎng)高爐煤氣占高爐碳總排放量的34.23%。所以，可通過采取降低C素能源在高爐冶煉工序中的利用率，優(yōu)化高爐工藝流程，采用先進節(jié)能技術(shù)，降低能源消耗等措施，進而來減少CO2排放量。

4 結(jié)束語

（1）鋼鐵企業(yè)高爐冶煉碳輸入比例中，焦炭占46.27%，動力消耗中的高爐煤氣占48.39%。改變高爐能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化高爐煉鐵工藝流程，減少C素能源消耗量，可降低CO2排放量。

（2）高爐冶煉過程中，工序CO2排放量占高爐碳輸出量的57.26%，進入管網(wǎng)高爐煤氣占高爐碳輸出量的34.23%。

要充分利用企業(yè)排放的二次資源和能源、回收余熱，達到降低能耗成本、創(chuàng)造效益和利潤、減少污染排放的效果。

（3）高爐煉鐵工序中，提高高爐煤氣的化學(xué)熱和余熱余壓、爐渣顯熱、熱風爐煙氣余熱的利用，降低CO2排放量和C素能源流失。鋼鐵企業(yè)應(yīng)引進先進的高爐設(shè)備，推廣節(jié)能技術(shù)、高爐熱風爐余熱回收技術(shù)、TRT節(jié)能技術(shù)等。

［1］Houghton J T, JenkinsG.J, Ephraunms J. The IPCC Scientific Asse ssment [M]. Cambridge∶ Cambridge University Press, 1990.

［2］ 胡秀蓮，姜克雋. 中國溫室氣體減排技術(shù)選擇及對策評價[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001.

［3］ Carbon Dioxide Information Analysis Center. Record High 2010 Global Carbon Dioxide Emission from Fossil-fuel Combustion and Cement Manufacture Posted on CDIAC Site 2010 [EB/OL] http∶//zh. wikipedia. org/zhcn, 2013-03-24/2013-06-10.

［4］ Kim Y, Worrell E. International comparison of CO2emission trends in the iron and steel industry[J]. Energy Policy, 2002 (30)∶ 827–838.

［5］ Zhang B, Wang Z H, Yin J H, et al.CO2emission reduction within Chinese iron & steel industry∶ practices, determinants and performance [J]. Journal of Cleaner Production, 2012 (33)∶ 167-178.

［6］ Guo Z C, Fu Z X. Current situation of energy consumption and measures taken for energy saving in the iron and steel industry in China[J]. Energy, 2010, 35(11)∶ 4356-4360.

［7］張春霞，上官方欽，胡長慶，等. 鋼鐵流程結(jié)構(gòu)及對CO2排放的影響[J]. 鋼鐵，2010，45(5)：1-6.

［8］胡長慶. 物質(zhì)流、能量流分析與新一代鋼鐵制造流程[D]. 北京：鋼鐵研究總院，2006.

［9］Yellishetty M, Ranjith P G, Tharumarajah A. Iron ore and steel production trends and material flows in the world∶ Is this really sustainable? Resources, Conservation and Recycling[J]. 2010, 54(12)∶1084–1094.

［10］張春霞，胡長慶，上官方欽，等. 鋼鐵工業(yè)溫室氣體排放和減排措施[A].中國鋼鐵年會論文集[C]. 中國金屬學(xué)會，2007：504.

［11］國家技術(shù)監(jiān)督局.綜合能耗計算通則 GB/T2589—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

［12］鄒忠平，郭憲臻，王剛，項鐘庸.高爐CO2排放量的計算方法探討[J]. 鋼鐵技術(shù)，2012 (3)：1-5.

Analysis on Carbon Flow of the Smelting Process in Blast Furnace

WU Xiao-shu1, XUAN Yan-ni2, YUE Qiang2
（1. Liaoning Radio and TV University, Liaoning Shenyang 110034, China；2. SEP Key Laboratory of Eco-Industry, Northeastern University, Liaoning Shenyang 110819, China）

Taking the smelting process in blast furnace as the research object, according to the carbon flow chart of blast furnace, carbon dioxide emission model of blast furnace was established, and operation rules of carbon flow for the smelting process in blast furnace were analyzed. The appropriate carbon dioxide emission factor and the calculation formula were formulated, charged coke accounted for 46.27 percent of the total blast furnace carbon input and the blast furnace gas used for power consumption accounted for 48.39 percent of the total carbon input, the carbon emission using for smelting iron accounted for 57.26 percent of the total blast furnace carbon output and the blast furnace gas entering the pipe network accounted for 34.23 percent of the total carbon output. Based on the analysis results, some measures to reduce carbon dioxide emission were put forward, such as reducing carbon-containing energy consumption in the blast furnace smelting process, optimizing the smelting process in blast furnace and using advanced energy-saving technologies, and so on.

Iron and steel；Energy saving；Blast furnace；Carbon dioxide emission

TF538

A

1671-0460（2015）09-2239-04

國家自然科學(xué)基金項目，項目號：71373003。

2015-03-03

吳曉姝（1974-），女，遼寧撫順人，碩士，講師，研究方向：能源高效轉(zhuǎn)換與潔凈利用、工業(yè)系統(tǒng)節(jié)能。E-mail: sue_wu@163.com。