高炉冶炼工序碳素流分析

吴晓姝，宣艳妮，岳 强

（1. 辽宁广播电视大学， 辽宁 沈阳 110034； 2. 国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

高炉冶炼工序碳素流分析

吴晓姝1，宣艳妮2，岳 强2

（1. 辽宁广播电视大学， 辽宁 沈阳 110034； 2. 国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

以某钢铁企业高炉冶炼过程为研究对象，根据绘制的高炉碳素流程图，建立了高炉工序CO2排放模型，解析高炉冶炼过程中碳素流运行规律。制定了CO2排放因子和计算公式，计算出入炉焦炭占高炉碳输入量的46.27%，动力消耗中的高炉煤气占碳输入量的48.39%，冶炼吨铁CO2排放量占高炉碳输出量的57.26%，进入管网高炉煤气占碳输出量的34.23%。据此，提出减少高炉冶炼工序中C素能源消耗，优化高炉炼铁工艺流程，采用先进节能技术等措施，可降低此工序CO2排放量。

钢铁企业；节能；高炉；CO2排放

近几十年来，全球温室气体浓度的剧增引起气候变暖成为研究学者共同关注的焦点，在导致气候变化的各种温室气体中，CO2的贡献率占50%以上，而人类活动排放的CO2是造成其浓度增加的主要因素[1,2]。欧洲委员会联合研究中心（JRC）以及荷兰环境评估署（PBL）联合发布报告指出，2012年二氧化碳排放总量为345亿t，同比2011年增速1.1%。“全球碳计划”（GCP）统计数据显示：2013年全球化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量将达到 360亿 t，预计上涨 2.1%。《全球碳预算》显示，2012年化石燃料量最大排放源包括中国（27%）、美国（14%）、欧盟（10%）及印度（6%），而大部分的化石燃料排放增长来自煤炭增长。据CDIAC（Carbon Dioxide Information Analysis Center）公布的2010年CO2排放国际清单数据，2010年全球CO2排放量为335.09亿t，其中，前十个国家：中国、美国、印度、俄罗斯、日本、德国、伊朗、韩国、加拿大、沙特阿拉伯 CO2排放量之和占世界排放总量的 64.29%（图 1），中国 CO2排放量占世界总排放量的24.60%，居于世界首位[3]。

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

钢铁制造业是CO2排放的主要来源[4]，成为我国第三大CO2排放行业[5]。中国又是世界上最大的钢铁生产国，钢铁工业占总能源消耗的 15.2%[6]，钢铁工业的CO2排放中，能源（燃料）消耗所排放的CO2量约占钢铁工业 CO2排放总量的 95%以上[7]。我国钢铁工业依赖度主要能源是煤炭资源。

如何降低企业煤炭能耗，减少生产成本，降低钢铁工业CO2排放量，使企业由粗放型经营转向集约型经营，发展新型工业化模式，成为许多专家、学者研究的课题。在钢铁生产中，高炉炼铁所排放的CO2占整个生产过程的绝大部分[6]，降低高炉炼铁能源消耗，减少CO2排放量，采用新型清洁能源代替化石燃料、优化高炉设备等是未来节能减排的重要措施。

1 高炉炼铁碳素流程图

高炉冶炼过程中碳素主要来源于焦炭和喷吹燃料（煤粉）（如图2）。

图2 高炉内碳素平衡图Fig.2 Carbon element flowing Chart of blast furnace

一小部分来自于烧结矿残碳，动力消耗，如添加石灰石等溶剂，则有少量来自碳酸盐分解产生的CO2。碳素最终转化为 CO、CO2进入到煤气中，部分溶解于生铁、高炉渣中，部分进入到煤气粉尘中，随煤气逸出炉外。碳素流在炉内以氧化反应为主，大部分进入煤气。此外，高炉鼓风也还有一定量的CO2，而热风炉也要消耗一定量的煤气来对空气进行加热，最终以热风炉废气的形式排出[8]。

2 钢铁企业高炉炼铁碳排放因子测定

国际上计算CO2排放的方法没有统一标准，基本原理都是根据碳平衡进行计算，通过平衡系统内输入与输出的碳，计算系统内碳元素数量，最终折算为CO2[9]，钢铁企业CO2减排必须以高炉冶炼为重点,采用中国钢铁工业的年度（或某一时期内）的能源、溶剂及含碳原料消耗数据，并扣除产品、副产品带走的碳量[10]，即：

根据国际计算CO2的排放方法，依照我国《综合能耗计算通则》[11]计算排放因子（如表1、表2），定义我国钢铁企业碳排放因子为使用的某种原燃料的热值与转换因子的乘积，即：

式中：EF — 碳排放因子；

Q — 物料或产品热值，GJ/t 或GJ/m3；

C — 转换因子。

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

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

3 某钢铁企业高炉冶炼碳排放模型及吨铁碳素流分析

对于计算高炉的工序CO2排放，利用碳平衡的原理，排放的碳应为输入的碳总量减去产品和副产品中的碳排放权抵扣[12]，即：工序CO2排放=输入端的CO2折合量-输出端的碳排放抵扣，如图3所示。

图3 高炉工序CO2排放计算模型Fig.3 CO2emission calculation model of blast furnace

图为某钢铁企业高炉生产工序的碳素流模型。模型输入端包含工序运行生产所需物质及能源，模型的输出端主要为该工序的工序产品和副产品。通过建立工序碳排放模型计算出高炉工序生产吨产品的CO2排放量。

以下以某企业高炉工序为例，对其碳输入、输出进行分析。

输入端的碳量计算：

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

（2）含铁物料：消耗量：164.7 kg，含铁物料的CO2折合量为：164.7×0.002 3=3.79 kg

（3）溶剂：消耗量：40 kg，溶剂的CO2折合量为：40×0.424=16.96 kg

（4）动力消耗：包括电力、蒸汽、氮气、压缩空气、鼓风、水、高炉煤气共7项.

电力：吨铁电耗：30 kW·h ，电力的CO2折合量为：

30 kW·h×0.389=11.67 kg

蒸汽：吨铁蒸汽消耗量：50 kg，蒸汽的CO2折合量为：

50×0.407=20.35 kg

氮气：吨铁氮气消耗量：30 Nm3/t，氮气的CO2折合量为：

30×1.267=0.038 kg

压缩空气：吨铁压缩空气消耗量：5 Nm3/t，蒸汽的CO2折合量为：

5×0.127=0.635 kg

鼓风：吨铁鼓风消耗量：1 415 Nm3/t，蒸汽的CO2折合量为：

1 415×0.095=134.43 kg

水： 吨铁水消耗量：54 000 kg/t，水的CO2折合量为：

54 000×0.000 243=13.12 kg

高炉煤气：吨铁高炉煤气消耗量：1 866 Nm3/t，高炉煤气的CO2折合量为：

1 866×0.914=1 705.52 kg

输入端CO2排放折合总量为：

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

输出端的碳量计算：

（1）铁水：1 t铁水的碳排放抵扣为：

1 000×0.147=147 kg

（2）并入管网的高炉煤气：该高炉吨铁产生高炉煤气2 120 Nm3，热风炉使用800 Nm3，并入管网的高炉煤气量为2 120-800=1 320 Nm3，其碳排放抵扣为：1 320×0.914=1 206.48 kg

（3）高炉渣：该高炉吨铁产生高炉渣400 kg，其碳排放抵扣为：400×0.382=152.8 kg

输出端 CO2排放折合总量为：147+1 206.48+152.8=1 506.28 kg

高炉的工序CO2排放量：

高炉的工序CO2排放量=输入端的CO2折合量-输出端CO2排放折合量=3 524.19-1 506.28=2 017.91 kg

计算结果如表3所示。

表3 某钢铁企业生产1吨铁水碳的输入输出Table 3 The carbon input and output for production of one ton molten iron in an iron and steel enterprise

分析数据得出：高炉冶炼吨铁CO2排放量占高炉总碳排放量的 57.26%，降低高炉冶炼工序 CO2排放量可降低能源消耗，减少环境污染。从碳输入端来说：入炉焦炭占46.27%，动力消耗中的高炉煤气占48.39%；从碳输出端来说，进入管网高炉煤气占高炉碳总排放量的34.23%。所以，可通过采取降低C素能源在高炉冶炼工序中的利用率，优化高炉工艺流程，采用先进节能技术，降低能源消耗等措施，进而来减少CO2排放量。

4 结束语

（1）钢铁企业高炉冶炼碳输入比例中，焦炭占46.27%，动力消耗中的高炉煤气占48.39%。改变高炉能源结构，优化高炉炼铁工艺流程，减少C素能源消耗量，可降低CO2排放量。

（2）高炉冶炼过程中，工序CO2排放量占高炉碳输出量的57.26%，进入管网高炉煤气占高炉碳输出量的34.23%。

要充分利用企业排放的二次资源和能源、回收余热，达到降低能耗成本、创造效益和利润、减少污染排放的效果。

（3）高炉炼铁工序中，提高高炉煤气的化学热和余热余压、炉渣显热、热风炉烟气余热的利用，降低CO2排放量和C素能源流失。钢铁企业应引进先进的高炉设备，推广节能技术、高炉热风炉余热回收技术、TRT节能技术等。

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

［2］ 胡秀莲，姜克隽. 中国温室气体减排技术选择及对策评价[M].北京：中国环境科学出版社，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］张春霞，上官方钦，胡长庆，等. 钢铁流程结构及对CO2排放的影响[J]. 钢铁，2010，45(5)：1-6.

［8］胡长庆. 物质流、能量流分析与新一代钢铁制造流程[D]. 北京：钢铁研究总院，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］张春霞，胡长庆，上官方钦，等. 钢铁工业温室气体排放和减排措施[A].中国钢铁年会论文集[C]. 中国金属学会，2007：504.

［11］国家技术监督局.综合能耗计算通则 GB/T2589—2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

［12］邹忠平，郭宪臻，王刚，项钟庸.高炉CO2排放量的计算方法探讨[J]. 钢铁技术，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

国家自然科学基金项目，项目号：71373003。

2015-03-03

吴晓姝（1974-），女，辽宁抚顺人，硕士，讲师，研究方向：能源高效转换与洁净利用、工业系统节能。E-mail: sue_wu@163.com。