鋼鐵行業(yè)煤炭消費情況及控煤措施簡析

陳 瑜 王 晶

1.鋼鐵行業(yè)能源和煤炭消費整體情況

1.1 鋼鐵行業(yè)是能源和煤炭消費的重點行業(yè)

煤炭是長流程鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)不可或缺的原燃料，構(gòu)成了鋼鐵生產(chǎn)過程的碳素流。煤炭不僅作為燃料提供了鋼鐵生產(chǎn)、冶煉過程所需的熱量，固體C及其氧化產(chǎn)物CO同時作為還原劑參與高爐煉鐵過程中的還原反應(yīng)。

“十三五”期間，以鋼鐵行業(yè)為主的黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)能源消費總量占全國能源消費總量的比重維持在14%左右，較“十二五”期間有所下降。鋼鐵行業(yè)煤炭消費總量占全國煤炭消費比重也持續(xù)降低，2016年以前始終高于8%，2016年以后連續(xù)四年下降，2019年降低至6.96%；黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)是焦炭消費的最主要行業(yè)，占比始終高達(dá)84%～85%（見表1）。

表1 2011-2020年黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)能源、煤炭及焦炭消費情況 萬噸標(biāo)煤，萬噸，%

作為煤炭和焦炭使用大戶，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能和能效水平，將直接影響工業(yè)領(lǐng)域乃至全國范圍的能耗“雙控”目標(biāo)和煤炭總量控制目標(biāo)的實現(xiàn)。

1.2 我國噸鋼綜合能耗持續(xù)下降

中國鋼鐵行業(yè)始終高度重視節(jié)能工作，并取得了積極成效。2000年以來，重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗始終保持下降趨勢?！笆濉逼陂g，鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)了“十二五”規(guī)劃中噸鋼綜合能耗下降至580 kgce/t的目標(biāo)；2016年，《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃（2016-2020）》又對鋼鐵行業(yè)提出了噸鋼綜合能耗降低到560kgce/t的目標(biāo)，重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)在2018年也已實現(xiàn)該目標(biāo)，噸鋼綜合能耗降低到555kgce/t；2020年我國重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗降低至545kgce/t，與“十二五”末期相比，2020年粗鋼產(chǎn)量增長32.5%，但是以噸鋼綜合能耗測算的總能耗僅增長26%（見圖1）。

圖1 2020-2021年全國粗鋼產(chǎn)量與噸鋼綜合能耗情況萬噸，萬噸標(biāo)煤，kgce/t.s

2021年，受頻繁停限產(chǎn)和粗鋼產(chǎn)量下降影響，重點統(tǒng)計企業(yè)能耗數(shù)據(jù)較上年略有增長，但是我國鋼鐵企業(yè)能效水平仍優(yōu)于世界平均，部分鋼鐵企業(yè)的指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1.3 鋼鐵行業(yè)能源消費結(jié)構(gòu)以煤為主

《中國能源統(tǒng)計年鑒2020》數(shù)據(jù)顯示，2019年黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)終端能源消費總量70916.5萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中焦炭消費39247.40萬噸（折合38124.93萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤）、占比53.8%，煤炭消費9211.61萬噸（折合8024.63萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤）、占比11.3%，焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣消費合計折標(biāo)煤量13841.16萬噸，占比19.5%；煤基能源消費合計在能源結(jié)構(gòu)中占比為84.6%。

根據(jù)GB/T 4754-2017《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》，黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)大類分為3110煉鐵、3120煉鋼、3130鋼壓延加工、3140鐵合金等四小類。鋼壓延加工業(yè)中的獨立軋鋼企業(yè)能源結(jié)構(gòu)以電力為主，另外消耗少量的煤氣或天然氣；鐵合金行業(yè)能源結(jié)構(gòu)中同樣以電力消費為主，噸產(chǎn)品電耗在2000～8000kWh不等，另外還需要消耗少量焦炭作為還原劑。由此可以推算，我國鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比應(yīng)高于85%，大幅超過全球鋼鐵行業(yè)75%左右的平均水平。

2.煤炭在鋼鐵生產(chǎn)流程中的應(yīng)用情況

2.1 中國煤炭分類

中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5751-2009）按煤的煤化程度將煤分成褐煤、煙煤和無煙煤三大類；再按煤化程度的深淺及工業(yè)利用的要求，將褐煤分兩個小類，無煙煤分成三個小類，煙煤分成十二類（見表2）。

表2 中國煤炭分類全表（GB/T 5751-2009）

2.1.1 干燥無灰基揮發(fā)分（Vdaf）

為表征煤化程度的參數(shù)，指煤中有機物熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，揮發(fā)分越低表明煤化程度即含碳量越高，煤炭越不易燃燒。Vdaf≤10的為無煙煤，Vdaf＞10的為煙煤。

2.1.2 恒濕基高位發(fā)熱量（Qgr,maf）

指煤在恒濕條件下測得的恒容高位發(fā)熱量，除去灰分影響后算出來的發(fā)熱量，該值在現(xiàn)實中是不存在的，是計算值。Qgr,maf≥24MJ/kg的為煙煤，小于該值的為褐煤。

2.1.3 粘結(jié)指數(shù)（GR.I）

為表征工藝性能的參數(shù)，指有機物熱分解后的粘結(jié)性能，粘結(jié)指數(shù)越大表明煤炭粘結(jié)性越強，越適合用于煉焦。

根據(jù)煤炭的用途可分為動力煤、煉焦煤、煤化工用煤等。其中，煉焦煤是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)最主要的原燃料，對煤炭的粘結(jié)指數(shù)要求較高，包括氣煤、肥煤、氣肥煤、1/3焦煤、焦煤和瘦煤等，其中焦煤、肥煤為主要煉焦煤種，氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、瘦煤為煉焦配煤，貧瘦煤、1/2中粘煤、弱粘煤雖粘結(jié)性不強，也可將其作為煉焦配煤；此外，長焰煤、不黏煤、弱粘煤等還可作為生產(chǎn)蘭炭（又稱半焦）的原料，也有一部分用于鋼鐵行業(yè)替代無煙煤在高爐里噴吹。

直接從煤礦開采出來的未經(jīng)洗選加工的煤稱之為原煤，原煤經(jīng)過選煤廠加工處理后，可以脫除約50%～80%的灰分、60%～80%的硫分及其他雜質(zhì)，得到的產(chǎn)品為洗精煤，脫除的雜質(zhì)為煤矸石。動力煤只需滿足一定的發(fā)熱量和相對合理的灰分和硫分，可以不經(jīng)洗選直接進(jìn)入市場；而煉焦煤、煉焦配煤和煤化工用煤等對煤質(zhì)的要求較高，必須經(jīng)過洗選。

2.2 煤炭在鋼鐵行業(yè)中的直接消費

鋼鐵企業(yè)根據(jù)煤炭在工藝流程中的不同用途進(jìn)一步將煤炭劃分為動力煤、煉焦煤和噴吹煤三種。動力煤通常用于燒結(jié)、球團(tuán)、石灰、發(fā)電等工序，作為燃料為燒結(jié)礦、球團(tuán)礦焙燒、發(fā)電等提供動力；煉焦煤主要用于焦化工序，但是焦炭的終端消費在高爐煉鐵工序、少量焦粉用在燒結(jié)工序；噴吹煤主要用于高爐噴吹。三種煤種及對應(yīng)的各小類在鋼鐵行業(yè)中基本都有應(yīng)用（見圖2）。

圖2 主要煤種在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

煤炭的直接消費主要集中在焦化、煉鐵和燒結(jié)工序。焦化工序中需要消耗大量的煉焦煤作為原料，生產(chǎn)1噸焦炭需要1.25噸～1.3噸煉焦煤。

高爐工序中，焦炭、噴吹煤和焦粉共同作為高爐煉鐵的原燃料，提供冶煉所需要的熱量，固體C及其氧化產(chǎn)物CO同時作為還原劑參與高爐煉鐵過程中的還原反應(yīng)，少量作為滲碳進(jìn)入鐵水。生產(chǎn)1噸鐵水通常需要消耗約320kg～350kg焦炭，同時噴吹150kg～160kg無煙煤煤粉。2021年，中鋼協(xié)重點統(tǒng)計企業(yè)平均高爐燃料比為530.66kg/t（含焦?。贡葹?55.48kg/t，高爐噴煤比為147.40kg/t。

燒結(jié)工序中能源消耗主要是固體燃料、點火煤氣和電耗，其中，固體燃料消耗約占75%～85%，主要為焦粉和煤粉，不同企業(yè)根據(jù)燃料結(jié)構(gòu)配比不同，生產(chǎn)1噸燒結(jié)礦需要消耗煤粉和焦粉合計約40kg～52kg，2021年中鋼協(xié)重點統(tǒng)計企業(yè)平均固體燃耗為51.86千克/噸。

結(jié)合上述三個工序煤炭的單耗情況測算，生產(chǎn)1噸鐵水的煤炭直接消費量約為615kg～685kg，折標(biāo)煤量552 kgce/t-i～615kgce/t-i。

此外，在球團(tuán)、自備電廠、石灰窯和電爐工序中，也有少量的煤炭消耗。在球團(tuán)焙燒過程中可能需要使用煤炭原料，目前國內(nèi)豎爐主要使用煤氣進(jìn)行球團(tuán)焙燒，鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯主要使用煤粉和煤氣進(jìn)行球團(tuán)焙燒；發(fā)電工序中，國內(nèi)部分企業(yè)的自備電廠仍使用動力煤發(fā)電。在電爐生產(chǎn)中，為了提高鋼水的溫度也會使用很少量的碳粉。Hlsmelt熔融還原工藝也將消耗一定量的煤粉作為還原劑（見圖3）。

圖3 煤炭在鋼鐵生產(chǎn)各工序中的占比

綜合考慮工藝結(jié)構(gòu)、鐵鋼比等多方面因素，經(jīng)測算，目前我國鋼鐵行業(yè)噸鋼煤炭消費量（實物量）約為570 kg～625kg，折標(biāo)煤量為513 kgce/t～563kgce/t。

3.鋼鐵行業(yè)主要控煤措施

根據(jù)上述分析，控制鋼鐵行業(yè)煤炭消費總量的核心和關(guān)鍵在于鐵前工序。從煤炭消費總量上看，控制生鐵產(chǎn)量是最有效的方式?？刂泼禾肯M強度，重點應(yīng)控制高爐燃料比及燒結(jié)工序的固體燃耗。鋼鐵行業(yè)煤炭消費減量替代的措施主要總結(jié)如下。

3.1 合理控制產(chǎn)量

2021年，我國鋼鐵行業(yè)圓滿完成粗鋼產(chǎn)量壓減任務(wù)，為保持政策的連續(xù)性、穩(wěn)定性，鞏固粗鋼產(chǎn)量壓減成果，2022年國家發(fā)改委、工信部、生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計局四部門將繼續(xù)開展全國粗鋼產(chǎn)量壓減工作，引導(dǎo)鋼鐵企業(yè)摒棄以量取勝的粗放發(fā)展方式，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。2021年全國生鐵產(chǎn)量8.68億噸，降幅2.17%；在持續(xù)的控產(chǎn)量政策下，2022年生鐵產(chǎn)量和煤炭消費總量預(yù)計都將保持下降趨勢。

3.2 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)

提高廢鋼比。煉鋼工序中，不論是電爐還是轉(zhuǎn)爐，都可以通過高效、合理利用廢鋼來替代生鐵的消耗。因此，應(yīng)鼓勵發(fā)展全廢鋼短流程煉鋼工藝及裝備應(yīng)用，并結(jié)合我國目前鋼鐵流程現(xiàn)狀，鼓勵企業(yè)在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中利用廢鋼，降低鐵鋼比，直接減少生鐵消耗總量，從而直接減少行業(yè)的煤炭和焦炭消費。

增加球團(tuán)礦占比。我國的高爐爐料結(jié)構(gòu)以高比例燒結(jié)礦為主，占比達(dá)到75%左右，調(diào)整現(xiàn)有高爐爐料結(jié)構(gòu)，減少燒結(jié)礦的使用，多使用相對清潔的球團(tuán)礦和塊礦進(jìn)行高爐冶煉，是實現(xiàn)源頭節(jié)煤的必然趨勢。球團(tuán)焙燒過程中對焦粉和煤粉的直接利用相對更少，因此球團(tuán)礦比例增加可以降低企業(yè)的能源消耗和煤炭消費，實現(xiàn)直接節(jié)煤。

降低燃料比。通過提高球團(tuán)礦配比，可提高煉鐵入爐礦含鐵品位，不僅可以降低燒結(jié)工序的煤炭消耗，而對高爐煉鐵工序節(jié)能、節(jié)煤、低碳、廢氣減排方面效果相對明顯。高爐入爐礦含鐵品位提高1%，燃料比可下降1.5%。另外，大爐型、全氧高爐、爐頂煤氣循環(huán)等均能夠大幅降低燃料比。

3.3 減少自備電廠的煤炭消費

目前，大部分鋼企已經(jīng)取消了燃煤自備電廠，但是仍有部分鋼鐵企業(yè)因為特殊原因，仍然保留了燃煤發(fā)電機組。建議鋼鐵企業(yè)應(yīng)取消或控制自備電廠用煤，減少發(fā)電用煤量?？赏ㄟ^增加摻燒煤氣的比例及提高余能回收發(fā)電水平等降低自備電廠的燃煤單耗。

3.4 煤炭清潔高效利用

選擇更高質(zhì)量的洗精煤，從節(jié)能角度看，有利于提高煤炭的燃燒效率，降低工序能耗；從環(huán)保角度看，硫分和灰分的燃前脫除效率和脫除成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于末端治理，選擇低灰、低硫、高發(fā)熱量的精煤能夠降低后續(xù)環(huán)保設(shè)施的負(fù)荷，同樣也能減少煉鐵工序的設(shè)備損耗；物流成本也能相對降低。綜合考慮到單耗降低、環(huán)保成本降低、設(shè)備壽命等多方面因素，使用高品質(zhì)的洗精煤更為經(jīng)濟(jì)高效。建議企業(yè)提高動力煤中洗精煤所占的比例，倡導(dǎo)少用原煤甚至不用原煤；使用更優(yōu)質(zhì)的煉焦煤；全面推進(jìn)鋼鐵行業(yè)清潔煤炭的利用。

3.5 利用清潔能源

“雙碳”背景下，國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)均深入研發(fā)示范顛覆性的低碳冶金工藝，用清潔能源和可再生能源大幅替代化石能源，實現(xiàn)大幅降碳。氫冶金最具代表性，高爐富氫還原即在高爐中噴吹氫氣，來替代焦炭和煤炭的消耗，目標(biāo)在高爐工序減碳30%；此外還有氫基豎爐、氫基熔融還原等。作為前沿探索技術(shù)，氫冶金工藝能夠拓寬綠色電力和氫能在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用空間，實現(xiàn)鋼鐵冶金工藝技術(shù)顛覆性變革，技術(shù)成熟后，將對鋼鐵行業(yè)“凈零碳”起到?jīng)Q定性作用。

近年來，鋼鐵企業(yè)積極推動新能源的利用，如推進(jìn)廠房屋頂加裝光伏發(fā)電項目的建設(shè)，沿海鋼鐵企業(yè)、礦山企業(yè)等利用地域優(yōu)勢，布局風(fēng)力發(fā)電機組，通過風(fēng)力發(fā)電機組直供生產(chǎn)系統(tǒng)供電及并網(wǎng)。為打通綠電-綠氫的鏈條奠定了基礎(chǔ)。

3.6 減少煤炭儲存和運輸過程中的損耗

2019年4月五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，加嚴(yán)了對鋼鐵行業(yè)全過程、全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈的污染治理要求。作為無組織管控的必要舉措，鋼鐵行業(yè)推進(jìn)了封閉料場的建設(shè)，使原料免受風(fēng)吹、雨蝕影響，既能有效解決露天料場粉塵污染弊端，避免粉塵向周圍大氣排放，又能減少物料流失，降低損耗；此外還能減少燃料水分波動，從而減少下游工序燃料消耗和生產(chǎn)成本。根據(jù)各企業(yè)原料場經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用料場棚化技術(shù)可避免露天料場粉塵及物料的損耗量，可節(jié)約年受料量的2‰～5‰的物料。

4.結(jié)語

2021年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會議指出，要正確認(rèn)識和把握碳達(dá)峰碳中和，要立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用，增加新能源消納能力，推動煤炭和新能源優(yōu)化組合。2022年3月，政府工作報告進(jìn)一步強調(diào)，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境，推動綠色低碳發(fā)展；加強煤炭清潔高效利用，有序減量替代。對我國鋼鐵行業(yè)來說，以長流程為主的工藝結(jié)構(gòu)和以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會改變，行業(yè)的煤炭減量替代工作必須立足以煤為主的現(xiàn)狀而展開。政府、行業(yè)和企業(yè)應(yīng)當(dāng)共同努力，積極推進(jìn)行業(yè)煤炭清潔高效利用，加強廢鋼利用，研發(fā)推廣和示范先進(jìn)節(jié)能節(jié)煤技術(shù)，有序推進(jìn)煤炭在鋼鐵行業(yè)中的減量替代，推動行業(yè)綠色低碳水平整體提升，為實現(xiàn)能耗“雙控”、碳排放“雙控”及碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。