鋼鐵被認(rèn)為是一種能源密集型材料，在其制造過程中要排放大量的溫室氣體。20世紀(jì)90年代以來，由于連鑄、高爐噴煤、高爐長(zhǎng)壽、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐、綜合節(jié)能、棒線材連軋國(guó)產(chǎn)化等6項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)的突破與應(yīng)用，中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)流程得以優(yōu)化，1990－2000年中國(guó)鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)了將近1倍，而能源消耗總量?jī)H增加了約31％，噸鋼能耗大幅度下降，噸鋼溫室氣體等環(huán)境負(fù)荷逐年降低，目前在2t (CO2）/t（鋼）左右的排放水平（圖1)。

圖1  1990－2002年中國(guó)鋼鐵工業(yè)粗鋼產(chǎn)量和CO₂排放量變化

表1  不同國(guó)家和地區(qū)的主要鋼鐵企業(yè)CO₂排放強(qiáng)度（噸鋼CO₂排放量）

    表1列出了不同國(guó)家和地區(qū)的主要鋼鐵企業(yè)或鋼鐵工業(yè)的CO₂排放強(qiáng)度，可見不同國(guó)家和地區(qū)的主要鋼鐵企業(yè)／工業(yè)CO₂排放強(qiáng)度均不一樣，其原因主要有：

    1、計(jì)算方法和系統(tǒng)邊界的選取不一樣；

    2、能源結(jié)構(gòu)不同，碳排放因子選取也不一樣，有的是用自己的實(shí)測(cè)值，有的則是用某一計(jì)算方法體系的默認(rèn)值，有的則是選用所在國(guó)家提供的排放因子；

    3、 CO₂排放水平還和企業(yè)的流程結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，不同企業(yè)其流程結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，沒有可比性。如以天然資源為源頭的高爐一轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的CO₂ 排放水平大約是使用再生資源廢鋼為源頭的電爐短流程的3.5倍，每個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的電爐鋼比例不同，其噸鋼CO₂排放也不同，不在同一前提下的噸鋼CO₂排放量的比較是沒有意義的。

    4、不同企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的CO₂排放水平還與該企業(yè)的裝備水平、技術(shù)水平以及管理水平有很大關(guān)系，如企業(yè)的裝備技術(shù)、工藝技術(shù)和管理技術(shù)水平高，則其用能效率高，其CO₂排放也就相對(duì)要少。

    因此，對(duì)于不同來源的噸鋼CO₂排放數(shù)據(jù)，需綜合考慮其計(jì)算方法、統(tǒng)計(jì)口徑和范圍、能源結(jié)構(gòu)、廢鋼利用、原燃料質(zhì)量及企業(yè)自身裝備、工藝技術(shù)、管理水平等各因素的影響方可客觀比較。本文將結(jié)合中國(guó)鋼鐵工業(yè)／企業(yè)的實(shí)際，進(jìn)行鋼鐵制造流程的碳素流運(yùn)行規(guī)律解析，對(duì)中國(guó)鋼鐵工業(yè)／企業(yè)的CO₂排放進(jìn)行估算。

    一、鋼鐵制造流程的碳素流運(yùn)行規(guī)律解析

    鋼鐵企業(yè)的碳素流與能源以及環(huán)境是密切相關(guān)的。碳素流既表現(xiàn)為物質(zhì)流，也表現(xiàn)為能量流。從物質(zhì)流角度看，鋼鐵企業(yè)中碳素能源的最終形式是CO₂排放物，這與周邊環(huán)境負(fù)荷是息息相關(guān)的；從能量流角度看，碳素能源是鋼鐵企業(yè)的主要購(gòu)人能源，能量流的主體。

    對(duì)鋼鐵制造流程進(jìn)行碳素流運(yùn)行規(guī)律解析是為了更好地掌握鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程中的CO₂排放源，同時(shí)也能提高企業(yè)碳素能源的利用效率。碳素能源在鋼鐵企業(yè)中的反應(yīng)主要是氧化放熱反應(yīng)，它的最終產(chǎn)物將是CO（不完全燃燒）和CO₂（完全燃燒），如果最終產(chǎn)物只有CO₂，則發(fā)生完全反應(yīng)，碳素能量全部釋放；如果不完全反應(yīng)，則能量部分釋放，燃燒產(chǎn)物中還貯存部分能量，但最終還是以CO₂的方式排放到周圍環(huán)境。

    本文將從直接排放和間接排放來考慮鋼鐵工業(yè)／企業(yè)的CO₂排放計(jì)算，所謂直接排放是指排放源是由報(bào)告實(shí)體所有或控制的在生產(chǎn)過程中排放的CO₂，即企業(yè)自身化石燃料和熔劑等消耗所產(chǎn)生的CO₂排放；間接排放是指報(bào)告實(shí)體活動(dòng)所使用的，但是排放是發(fā)生在其它實(shí)體所控制的排放源上，如電力，其排放是由電力生產(chǎn)部門燃燒礦物燃料產(chǎn)生的，在鋼鐵企業(yè)使用外購(gòu)電時(shí)計(jì)算其CO₂排放即為間接排放。此外，冶金渣用作水泥CO₂，捕集后的外賣生產(chǎn)啤酒等則屬于潛在的碳排放權(quán)。

    （一）鋼鐵企業(yè)碳素流分析－直接排放源

    下文將對(duì)鋼鐵企業(yè)在工序?qū)哟紊线M(jìn)行碳素流分析，確定工序?qū)哟紊系腃O₂直接排放源。直接排放只考慮輸人輸出中的直觀碳含量。

    1、焦化過程的碳素流。焦化過程中的碳素流主要是指洗精煤在炭化室中加熱干餾成焦炭，同時(shí)產(chǎn)出焦?fàn)t煤氣、焦油和粗苯等副產(chǎn)物的過程。此外，加熱焦?fàn)t用煤氣（單一或混合的焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣）對(duì)炭化室內(nèi)洗精煤進(jìn)行間接加熱并發(fā)生干餾的過程也包含在碳素流中（表2）。

表2  鋼鐵企業(yè)及其各工序CO₂直接排放源分析

    2、燒結(jié)過程的碳素流。燒結(jié)過程必須在一定的高溫下才能進(jìn)行，而高溫是由燃料的燃燒所造成的。燒結(jié)生產(chǎn)所用燃料包括固體燃料（焦粉、煤粉）和氣體燃料（點(diǎn)火煤氣COG、BFG和BOFG），以固體燃料消耗為主。燒結(jié)混合料中的碳燃燒后最終將轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂、CO，因固體燃料受燒結(jié)混合料中的分布、燒結(jié)工藝等因素的影響，部分燃燒不完全，形成燒結(jié)粉塵和燒結(jié)礦及返礦中的殘?zhí)肌４送?，燒結(jié)礦生產(chǎn)中使用的熔劑中只有石灰石、白云石等含碳熔劑會(huì)帶來CO₂的直接排放（表2）。

    3、煉鐵過程的碳素流。碳素是煉鐵過程的主要還原劑，爐內(nèi)以燃燒反應(yīng)為主，由焦炭、噴吹煤粉中的碳轉(zhuǎn)化為CO、CO₂；在一定條件下，也發(fā)生少量的析碳反應(yīng)。此外，由于鐵氧化物還原最初生成的海綿鐵具有較高的活性，以及熔鐵滴落穿過焦炭層過程具有良好的滲碳條件，因此，會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的碳發(fā)生滲碳反應(yīng)而溶人鐵水。

    煉鐵過程中碳素主要來源．于焦炭和噴吹燃料（煤粉），一小部分來自于燒結(jié)礦殘?zhí)?；如添加石灰石等熔劑，則有少量來自于碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO₂。碳素在爐內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化后，最終轉(zhuǎn)化為CO、CO₂進(jìn)入到煤氣中；部分溶解于生鐵中，少量進(jìn)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(jìn)入煤氣，有45～50kg/t（HM)（HM：Hot Metal)的碳素通過滲碳溶入鐵水，6kg/t (HM)左右的碳素進(jìn)人到粉塵中；進(jìn)入煤氣中的碳素50％～55％轉(zhuǎn)化為CO、45％～50％轉(zhuǎn)化為CO₂。此外，高爐鼓風(fēng)也含有一定量的CO₂，而熱風(fēng)爐也要消耗一定量的煤氣（主要是BFG和COG）來對(duì)空氣進(jìn)行加熱，最終以熱風(fēng)爐廢氣的形式排出（表2）。

    4、煉鋼過程碳素流。煉鋼過程中，由鐵水帶入的4.0％～4.5％的碳將在氧氣射流的作用下，快速氧化，最終鋼水中僅含有0.08％左右的碳。此外，煉鋼生產(chǎn)中使用的含碳熔劑有白云石、菱鎂礦等（表2）。

    5、連鑄－熱軋過程碳素流分析。連鑄－熱軋過程碳素流主要是加熱用燃料（主要是副產(chǎn)煤氣）的能量消耗（表2）。

綜上所述，對(duì)鋼鐵行業(yè)和企業(yè)來說鋼鐵生產(chǎn)過程是鐵－煤化工過程，碳素的輸人端（CO₂的排放源）主要來源于煤等化石燃料燃燒、石灰石等含碳熔劑的分解以及廢鋼等原料的消耗。碳素的輸出端主要包含鋼材等產(chǎn)品、焦油等副產(chǎn)品以及高爐渣等所含的碳量，見表2。在行業(yè)／企業(yè)層次上，其輸入端均為外購(gòu)量，輸出端均為外賣量。

    （二）鋼鐵企業(yè)碳素流分析－間接排放源

    間接排放由于在工序?qū)哟紊媳容^復(fù)雜，且在工序?qū)哟紊系挠?jì)算結(jié)果意義不大，不再予以分析，只對(duì)其企業(yè)層次進(jìn)行分析，見表3。

表3  鋼鐵企業(yè)CO₂間接排放源分析

    二、鋼鐵工業(yè)的CO₂排放計(jì)算

    （一）鋼鐵工業(yè)CO₂排放計(jì)算原理

    根據(jù)碳平衡原理計(jì)算，采用中國(guó)鋼鐵工業(yè)的年度（或某一時(shí)期內(nèi)）的能源、熔劑及含碳原料消耗數(shù)據(jù)，并扣除產(chǎn)品／副產(chǎn)品帶走碳量，即：

              鋼鐵工業(yè)CO₂排放＝（碳輸人－碳輸出）×44/12

    （二）鋼鐵工業(yè)CO₂排放計(jì)算口徑、邊界鋼鐵工業(yè)CO₂排放量的邊界如圖2所示。

圖2  鋼鐵工業(yè)CO₂排放計(jì)算邊界示意圖

    （三）中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂排放計(jì)算結(jié)果分析

    基于數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性，選取《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)數(shù)據(jù)作為中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂排放計(jì)算的能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適當(dāng)剔除重復(fù)計(jì)算和鐵合金部分能耗。此外，熔劑消耗的數(shù)據(jù)是通過調(diào)研對(duì)全國(guó)鋼鐵工業(yè)的平均消耗水平進(jìn)行估算得到的。且在計(jì)算中，為避免與電力行業(yè)發(fā)生重復(fù)計(jì)算，不考慮外購(gòu)電力的間接排放。以此，對(duì)1991－2007年的中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂排放量進(jìn)行估算，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

    1、初步估算，2005年中國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的13.8％，CO₂直接排放量約為7.5億t(圖3，不含外購(gòu)電力），占當(dāng)年世界鋼鐵工業(yè)CO₂直接排放量（約為20億t）37. 5％；而2007年中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能源消耗約占全國(guó)總能耗的14.39％，其CO₂直接排放量約為9.2億t。

圖3   1991－2007年中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂排放情況

    2、中國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼CO₂排放總體趨勢(shì)是逐年降低的，由1991年的3.22 t（CO₂）/t（鋼）下降到2007年的約1.87t（CO₂）/t（鋼），下降約42%。

    中國(guó)噸鋼CO₂排放量高于主要產(chǎn)鋼國(guó)家，主要有兩個(gè)先天不足：①電爐鋼比與世界平均水平相比低15%～21%（圖4)，電爐鋼比低是客觀上造成中國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗高、溫室氣體排放量大的原因之一。②中國(guó)鋼鐵工業(yè)一次能源中煤炭占能源總量的70％以上。與世界主要產(chǎn)鋼國(guó)相比，煤炭比例遠(yuǎn)高于其他主要產(chǎn)鋼國(guó)，而天然氣和燃料油的比重明顯低于發(fā)達(dá)國(guó)家?？陀^上煤炭利用過程中的能源效率較低、污染排放嚴(yán)重、產(chǎn)品能源成本高。

圖4  2000－2007年中國(guó)與世界電爐鋼比的對(duì)比

    3、在鋼鐵工業(yè)總的CO₂排放量中，能源（化石燃料）消耗引起的CO₂排放量是最主要的部分，約占鋼鐵工業(yè)CO₂排放總量的90％以上（圖5)。因此，現(xiàn)階段中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂減排的首要措施是節(jié)能。

圖5  鋼鐵工業(yè)能源消耗產(chǎn)生的CO₂排放量與總排放量對(duì)比

    三、鋼鐵企業(yè)由能源消耗引起的CO₂排放計(jì)算

    此處計(jì)算是對(duì)以天然資源、煤炭等為源頭的高圖5  鋼鐵工業(yè)能源消耗產(chǎn)生的CO₂排放量與總排放量的對(duì)比爐－轉(zhuǎn)爐“長(zhǎng)流程”和以再生資源廢鋼為源頭的電爐“短流程”兩類流程進(jìn)行估算。由能源消耗引起的CO₂排放計(jì)算主要包含化石燃料消耗引起的直接排放，動(dòng)力介質(zhì)消耗引起的間接排放，以及副產(chǎn)品（副產(chǎn)煤氣等）的抵扣。

    本文選擇構(gòu)建的長(zhǎng)流程是年產(chǎn)800萬t的平材生產(chǎn)流程（焦炭100％自產(chǎn)），短流程是年產(chǎn)200萬t的平材生產(chǎn)流程（全廢鋼〕。由于鋼鐵企業(yè)工序之間物質(zhì)流、能量流錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致間接排放計(jì)算在工序?qū)哟紊嫌?jì)算繁瑣，暫且不予以考慮。

    （一）年產(chǎn)800萬t平材BF－BOF生產(chǎn)流程

    表4給出了長(zhǎng)流程各個(gè)工序由能源消耗引起的CO₂排放水平，計(jì)算口徑包含焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄和熱軋。長(zhǎng)流程結(jié)果為2149.53 kg(CO2)/t(鋼），其中高爐煉鐵占64.57％，若考慮煉鐵全系統(tǒng)（即包含焦化、燒結(jié)和高爐煉鐵）占整個(gè)流程的86.59％；因此減少CO₂排放的重點(diǎn)應(yīng)放在煉鐵全系統(tǒng)，尤其是高爐煉鐵工序。

表4  長(zhǎng)流程各工序由能源消耗引起的CO₂排放情況