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铁钢比将逐年下降、粗钢消费不会再增加 我国钢铁业低碳低耗发展之路这样走
作者:无缝钢管 来源:www.chwfggc.com 点击数: 更新时间:2017年05月22 【字体:

我国的炼钢以长流程为主,铁钢比高。世界平均铁钢比在0.7左右,除中国以外为0.56,中国为0.94。美国和欧洲各国的钢企铁钢比较低,电炉钢比重大,因此其吨钢综合能耗和CO2排放低,和我国不具有直接可比性。
我国钢铁业低碳低耗发展之路怎么走?
要想确立合理的钢铁行业低碳发展路线,必须对未来与钢铁工业低碳发展有关的外在环境变化,包括制造流程、原材料结构、能源结构和节能潜力等做出基本的判断。
判断1:我国长流程为主的制造流程不会发生根本变化。
在近中期,也即5年~10年内,长流程的为主的炼钢流程不会发生变化。
判断2:我国的粗钢消费不会再有增加。
采用下游行业分析预测法和GDP消费强度法两种方法,对2020年~2030年中国钢材需求进行预测的结果显示,到2020年,中国钢材的实际需求量为5.95亿吨,2025年为5.52亿吨,2030年为4.92亿吨,粗钢的消费量不会再增加。
判断3:铁钢比将逐年下降,生铁产量降速快于粗钢。
近十几年来,我国自产废钢和社会废钢的量逐年增长,从2001年到2014年,自产废钢增幅为207%,社会废钢增幅为149%。2014年自产废钢、社会废钢和进口废钢分别占45%、53%和2%。尽管我国近几年废钢资源量逐年升高,但由于粗钢产量增加太快,2014年与2001年相比,粗钢产量增幅(443%)远远大于废钢消耗量的增幅(约157%),因此造成吨钢的废钢消耗量逐年下降。
从2001年到2014年,转炉炼钢的废钢消耗总量增加了285%,电炉炼钢的废钢消耗总量增加了96%。但是,转炉的废钢单耗由104千克/吨下降到67千克/吨,下降了36%;电炉的废钢单耗由803千克/吨下降到584千克/吨,下降了27%;废钢综合单耗由2001年的227千克/吨下降为2014年的107千克/吨,下降了53%。我国钢铁工业的废钢综合单耗与世界其它国家差距较大,2013年世界废钢综合单耗为361千克/吨,除去中国外的废钢综合单耗为625千克/吨。
我国粗钢产量目前已处于峰值弧顶下行区,从中长期和整体来看,已经呈现“弧顶”+“下降通道”的走势,但不排除个别年份的波动回升。生铁生产呈现同样的特点,且随着废钢资源量的逐步增加,生铁产量在长周期内的平均下降速度将比粗钢要快。从长周期角度来看,焦炭、铁矿需求处于进入下行通道的转折阶段。
从以上两点判断,钢铁工业的CO2排放总量不会增加。
判断4:以煤为主的能源结构近中期不会发生根本变化。
我国钢铁生产能源结构受我国资源禀赋的影响,以煤为主的能源结构近中期不会发生根本变化。我国钢铁行业能做的是:提高流程制造效能,挖掘节能潜力,降低能源消耗,减少耗煤量,包括最大程度地利用新能源。
我国钢铁工业CO2减排主要方向
钢铁生产的核心要素包括“铁金属”和“煤炭”。我国钢铁生产以长流程为主,铁钢比高,能源结构中80%以上是煤炭,钢铁制造流程的效率和效能水平有待提高,这些都是CO2排放的主要影响因素。
我国的炼钢以长流程为主,铁钢比高。世界平均铁钢比在0.7左右,除中国以外为0.56,中国为0.94。美国和欧洲各国的钢企铁钢比较低,电炉钢比重大,因此其吨钢综合能耗和CO2排放低,和我国不具有直接可比性。中国铁钢比要比世界平均水平高出0.24,比除中国以外的各国平均铁钢比水平高0.38。仅此一项,我国吨钢综合能耗就比工业发达国家高出80千克标准煤/吨~100千克标准煤/吨。
日本和韩国虽然也以长流程炼钢为主,但我国与二者比较,能源结构不同(煤炭为主),在钢铁制造流程的效率和效能方面存在差距。但与此同时,我国国内节能环保先进企业,如宝钢(现已与武钢合并成为宝武钢铁)、太钢、首钢京唐、河钢唐钢等与上述日本、韩国企业的差距则不大。
因此,制订低碳发展技术路线图是我国钢铁行业目前最迫切需要解决的问题。当前,我国钢铁工业CO2减排主要有以下几个发展方向:
1、采取“多目标约束的集成解决方案”方式
钢铁企业要将企业发展过程中的节能、减排、低碳统筹整体考虑。例如,钢铁企业不能因为要控制SO2和氮氧化物,上了烧结机脱硫脱硝装置,最终却增加了工序能耗。
2、将“控煤”作为CO2减排的顶层设计
“控煤”是抓手,控制住了煤就控制住了二氧化碳和氮氧化物。钢厂先做好“控煤”,再做其他工作。例如,钢铁企业可以配置自备发电设备以减少燃煤。根据预测,2020年,我国粗钢产量将降低至7.0亿吨,根据吨钢综合能耗目标值560千克标准煤计算,到2020年钢铁行业的总能耗约为3.92亿吨标准煤。
研究指出,一家年产钢650万吨规模的企业,采用钢铁—电力联产模式,煤气、余能余热自发电装机可达530兆瓦,年发电量可达37.34亿千瓦时,若扣除发电系统约8%的自用电量,则净发电量约为34.3亿千瓦时,折合吨钢净发电量为527.9千瓦时。根据中国钢铁工业协会2013年的数据,重点企业吨钢耗电464.1千瓦时,则自发电率可达113.75%。
由此可见,钢厂积极利用超高压、烧结余热、干熄焦、TRT(高炉余热余压)发电以及富余饱和蒸汽发电等方式在“节煤”方面潜力巨大。
3、提高流程制造效能,挖掘节能潜力
钢厂在提高流程制造效能、挖掘节能潜力方面,目前有两种可行方式:钢铁界面“一罐到底”模式和“球团替代烧结”模式。前者是从提高钢铁流程制造效能的角度出发,后者是从变革制造流程的角度出发。
钢铁界面“一罐到底”模式可以实现高炉与转炉生产的热衔接,完成铁水“三脱”,实现铁素物质流与能量流的协同运行。“一罐到底”技术,是指取消传统的混铁炉和鱼雷罐车装置,直接采用铁水罐运输铁水,将铁水的承接、运输、缓冲储存、铁水预处理、转炉兑铁、容器快速周转、铁水保温等功能集为一体。该模式取消了炼钢车间倒罐坑、减少一次铁水的倒罐作业,具有缩短工艺流程、紧凑总图布置、降低能耗、减少铁损、减少烟尘排放等多重优势,是今后新建钢铁厂高炉—转炉界面模式的发展方向。
首钢京唐在高炉—转炉流程采用“一罐到底”先进技术,缩短了工艺流程,取消了传统的鱼雷罐车和炼钢倒罐坑,减少一次铁水倒罐作业及所产生的烟尘污染,降低能耗,减少铁损,铁水温降减少50℃以上,具有缩短冶炼周期、节能高效等多项优点,年节能1.69万吨标准煤,减排5.32万吨CO2,粉尘产生减少4700吨。
烧结工序是钢铁生产废气排放的重点污染源,在我国长流程钢铁生产为主的情况下,改变高炉炉料结构、降低烧结工序比重是减少钢铁行业废气污染排放的重要途径之一,“球团代替烧结”模式就是从此点出发。
高炉炉料结构主要取决于原料资源情况、配套生产工艺、操作技术水平、操作习惯和理念、生产成本、环保要求等多方面因素。日本、韩国高炉以烧结矿为主,北美高炉以球团矿为主。欧盟由于环保要求,烧结厂的生产和建设受到了严格的限制,以球团矿为主。欧美高炉球团矿使用比例一般都较高,个别的高炉达到100%,其中一部分高炉使用熔剂性球团矿,另一部分高炉以酸性球团矿为主。
研究表明,球团替代烧结后,炼铁工序、铁前工序能耗均有一定幅度下降,污染物排放量(产生量)减少,废气污染负荷显著下降,大幅减少或基本消除CO排放,基本消除二英、重金属排放,CO2的排放也随能耗的下降而下降。
4、挖掘节能潜力,转换钢铁工业功能
钢铁企业有大量的低温余热资源待开发和利用,如焦炉初冷器循环水、高炉冲渣水余热、自备电厂发电机组循环冷却水余热及工艺冷水(连铸冷却水、轧钢冷却水)余热等。其中,自备电厂机组循环冷却水与目前常用的低温热源相比,具有蕴含热量大、温度适中、水质优良等显著的优势,而且由于利用余热,可减少冷却塔向环境的散热和水分蒸发,减少对钢铁企业周边环境的热湿污染。
例如,河钢唐钢充分发挥市区内钢铁企业的地域优势,与唐山市热力总公司合作,开展了河钢唐钢南区热电厂发电机组循环冷水供社区采暖工程,工程预期供暖面积可达300万平方米,其中一期工程100万平方米已开工建设。该工程将电动压缩式热泵分散置于小区热力站中,同时将唐钢自备电厂凝汽器出口的循环水引至各小区的热力站,进入热泵机组降温后再返回自备电厂凝汽器中被汽轮机排汽加热,完成循环;热泵回收循环水余热加热二次网热水为用户供暖或提供生活热水。
国外钢企加紧低碳技术开发
欧盟
欧盟钢铁企业于2003年建立了欧洲钢铁技术平台(EuropeanSteelTechnologyPlatform,ESTEP),其中ULCOS(超低CO2炼钢)是欧洲钢铁技术平台在2004年专门设立的欧洲超低二氧化碳排放项目,目的在于进行低碳技术研发,其目标是使欧盟吨钢CO2的排放量比该项目实施前最先进生产工艺的吨钢排放量降低至少50%。该项目主要进行4个技术路线的研究:高炉炉顶煤气循环(TGRBF)、先进的直接还原工艺(ULCORED)、新兴熔融还原工艺(Hisarna)、电解铁矿石工艺。
在研发与技术层面,主要包括减碳技术、无碳技术和去碳技术。减碳技术主要是高炉炉顶煤气循环利用技术(TGRBF),既减少了炼铁中所需的焦炭量,又降低了CO2排放量。在安赛乐米塔尔一家钢厂的高炉上试用该技术后,该高炉的CO2排放量下降了28%,从原来吨铁排放1.3吨CO2降低至0.94吨。无碳技术是利用可再生能源替代传统的化石能源,从根源上减少碳排放,以降低碳成本。ULCOS中最有突破性的研究项目之一是电解铁矿石技术,该技术在整个生产过程都不会产生CO2,唯一的副产品是氧气。无碳技术可以使整个钢铁生产流程中的碳排放大大降低,从根本上解决碳成本的问题。去碳技术是采用先进技术措施将钢铁生产过程中排放的CO2去除,这是一种末端处理方法。目前,最典型的去碳技术就是CCS技术(CO2捕获和封存技术),它可以将生产过程中产生的CO2进行收集、分离并集中注入并封存到地下。如果将CCS技术与TGFBF技术相结合使用,能使欧盟钢铁联合企业的CO2排放量减少50%,而单独使用TRGBF技术只能减排30%左右。
日本
日本新能源和工业技术部(NEDO)于2008年7月委托日本神户制钢、JFE、原新日铁、原新日铁工程公司、原住友金属以及日新制钢6家公司共同合作开展了“环境友好型炼铁技术开发”项目COURSE50。
COURSE50是用氢气代替部分焦炭对铁矿石进行还原,并将高炉煤气中的CO2进行分离回收,由此实现减少高炉CO2排放量30%的目标。其研究内容主要为:开发利用氢气还原铁矿石的新技术,开发廉价的氢气利用技术(包括焦炉煤气的开发利用技术),CO2的分离和捕集技术开发,CO2在高炉煤气中的分离和捕集技术,利用钢铁生产的余能对CO2进行分离和捕集,焦炉煤气的重整(35%的CO,60%的H2)对高炉的影响。该开发研究分两个阶段进行:第一阶段为2008年~2012年,主要目标是开发减少高炉排放CO2的技术和从高炉煤气分离回收CO2的技术;第二阶段是综合试验阶段,最终目标是使CO2排放量减少30%。日本将于2030年确立此项技术,2050年实现应用及普及。
韩国
韩国浦项将创新炼铁技术作为低碳发展的突破口。浦项一方面持续改进被称为环境友好型炼铁工艺的FINEX工业化生产技术,另一方面大力开发以减排CO2为特征的未来突破性技术。低碳炼铁FINEX技术、全氢高炉炼铁技术和碳捕获与分离技术、利用废气热能发电技术将成为浦项的中长期技术研发项目,浦项为这一技术路线设定的可行期限是2050年前。
FINEX工艺相当于把高炉分成两段来操作,即把铁矿的还原与熔融分离开来,这样可以减小各自的冶炼负荷,熔融部分所承担的负荷只占高炉的30%左右。FINEX工艺金属化率为50%,还原率为60%,FINEX设备最终还输出优质煤气,其发热值约为高炉煤气的2.3倍。FINEX工艺还集成了CO2分离系统,便于未来采用碳捕获与储存技术(CCS)。
浦项全氢高炉冶炼技术与日本目前正在研究中的COURSE50项目类似,均是在高炉内使用一部分氢气替代焦煤对烧结矿进行还原,从而能够大幅度减少钢铁生产过程中CO2的排放。浦项的短期目标是利用钢铁生产过程中产生的副产气体制取可用于还原铁矿石的氢气,中长期目标是开发出能够低成本大量制造高纯度氢气的技术。
浦项正致力于研发利用氨水吸收及分离高炉煤气中CO2的技术。该项技术利用钢厂产生的中低温废热作为吸收CO2所需的热能,从而降低成本。该项新技术的研发于2006年立项,并于2008年12月动工兴建首套中试设备,处理能力为50标准立方米/小时,CO2捕获效率能够达到90%以上,CO2浓度不低于95%。其兴建的第2套示范设备已于2010年开始运行,处理能力为1000标准立方米/小时,预计几年后该设备的CO2日捕获量有望达到10吨左右。
钢铁行业生产流程决定CO2排放强度
在世界钢铁协会编制的《钢铁行业可持续发展政策及指标报告》,将相关指标分为3大类共8个指标,排在第一个的就是温室气体的排放。根据该报告,2014年全球吨钢CO2排放量平均为1.8吨,2015年的吨钢CO2排放量平均为1.9吨。
从生产流程看,目前全球的粗钢约有30%是短流程炼钢(电炉炼钢),其余几乎都是长流程炼钢(高炉-转炉炼钢)。其中,美国粗钢产量约为1.2亿吨,60%以上是电炉钢,吨钢CO2排放量为1.19吨;欧盟国家约40%是电炉钢,吨钢CO2排放量为1.6吨;亚洲地区粗钢生产以长流程为主,日本、韩国及中国台湾地区的吨钢CO2排放量约为2吨。由此可以看出,长、短流程炼钢的比例也直接影响着CO2的排放。
我国钢铁生产以长流程为主,铁钢比高,能源结构中以煤炭为主,所以吨钢CO2排放量较大。近年来,随着我国钢铁工业结构调整、节能技术的广泛利用,以及能源利用效率的提高,目前吨钢CO2排放量在2吨左右。
相关研究结果表明,2010年,中国工业部门矿物燃料燃烧排放CO2约52.3亿吨,约占全国CO2排放总量的70%,与能源消耗总量所占比例相近。其中,钢铁工业排放CO2约10.6亿吨,约占全国CO2排放总量的14%。以吨钢2吨CO2的排放量计算,初步估算,2015年钢铁行业CO2的排放量在16亿吨左右。我国钢铁行业能源消耗量与CO2排放量见图1。
数据显示,2015年全球CO2排放量为321亿吨,与前两年持平,温室气体排放已连续2年没有随着经济增长而上升。据了解,国际能源署提供CO2排放量数据已经超过40年,其间CO2排放量同比下降或持平的情况只在4个时间段出现过,其中3次是和全球经济疲软有关,分别是20世纪80年代初期、

 

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