第45卷 第5期 2010年5月
钢铁
Iron and Steel
Vol.45,No.5
May 2010
张春霞1, 上官方钦1, 胡长庆2, 齐渊洪1, 殷瑞钰1
(1.先进钢铁流程及材料国家重点实验室，钢铁研究总院，北京100081;
2.河北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009) 摘 要：温室气体排放引起的气候变暖已经成为全球性的重要命题。介绍了国内钢铁工业温室气体(主要是CO 2)的排放情况，指出能源消耗是造成钢铁工业CO 2排放的主要原因。在对比两类典型钢铁生产流程的CO 2排放情况的基础上，深入分析了钢铁工业的能源结构及不同流程中原燃料来源结构对CO 2排 放的影响；最后对新一代钢铁制造流程的CO 2排放进行了估算。
关键词:CO 2排放；钢铁工业；能源结构；典型钢铁流程；新一代钢铁流程中图分类号:TF09 文献标志码:A 文章编号:04492749X (2010)0520001206
Steel Process Structure and Its Impact on CO 2Emission
ZHAN G Chun 2xia 1, SHAN GGUAN Fang 2qin 1, HU Chang 2qing 2,
Q I Yuan 2hong 1, YIN Rui 2yu 1
(1.State Key Laboratory of Advanced Steel Processes and Products ,Central Iron and Steel Research
Institute ,Beijing 100081,China ; 2.College of Metallurgy and Energy ,Hebei
Polytechnic University ,Tangshan 063009,Hebei ,China )
Abstract :Climate change caused by the GH G emission has become one important issue globally.The GH G emis 2sion ,which refers to CO 2primarily ,in the Chinese iron and steel industry i
s introduced.It is pointed out that ener 2gy consumption is the main reason to result the 2emission for steel industry.The impact of energy structures in the typical steel manufacturing process on the CO 2emission is analyzed ,based on comparing between two typical production processes ,and the impact of different sources and structures of raw material and f uels in the different processes on the CO 2emission is also discussed.Finally ,the CO 2emission of the new generation steel manufactur 2ing process has been estimated.
K ey w ords :CO 2emission ;steel industry ;energy structure ;typical steel process ;new generation steel manufactur 2ing process
基金项目：科技部“十一五”重大支撑计划项目(2006BA E03A07,2006BA E03A09)；国家自然科学基金重点项目(50334020)
作者简介：张春霞(1963—)，女，博士，教授级高级工程师; E 2m ail :hellenzster @gmail ; 收稿日期:2009210213
全球面临温室气体和气候变暖挑战，控制和减少CO 2排放已成为人类社会面临的紧迫任务。中国在“后京都协议”的相关国际谈判中面临着巨大的压力。钢铁工业是能源消费大户，也是CO 2排放大户。2005年中国钢铁工业的能耗约为3.07亿t 标准煤(电力折算系数取2005年平均发电煤耗)，约占全
国总能耗的13.8%,CO 2的直接排放量约为7.5亿t [1]。2007年钢铁工业的CO 2直接排放量增加到9.2亿t 。目前气候变化谈判针对发展中国家提出了行业减排的方案，并视电力、钢铁、水泥和电解铝为重点行业，未来中国钢铁工业将面临温室气体减排的严峻挑战。
2003年10月，国际钢铁协会(原名:Interna 2tional Iron and Steel Instit ute ，简称IISI ，于2008年10月更名为World Steel Association (简称WSA ))
首次提出了评价钢铁企业的11个可持续发展指标，并于每年发布上年的可持续发展指标值(表1[223])，温室气体(CO 2)排放是其中一项重要指标，充分反映了国际钢铁界对温室气体(CO 2)排放问题的关注。
1 钢铁工业温室气体排放及与能源消
耗的关系
钢铁工业的温室气体排放中主要是CO 2。2007年，国际钢铁协会在“气候变化与世界钢铁工业”的内部报告中指出，全球钢铁工业排放的温室气体约占全球温室气体总排放量的3.2%，且主要是CO 2。
钢铁工业的温室气体(CO 2)排放主要是由能源消耗引起。根据中国工程院的研究结果表明[1,4]：在中国钢铁工业的CO 2排放中，能源(燃料)消耗所
钢 铁第45卷
排放的CO 2量约占钢铁工业CO 2排放总量的95%
以上(图1[1])。说明能源(燃料)消耗对于CO 2排放量的影响是至关重要的，同时也说明目前中国钢铁工业CO 2减排的重点在于减少能源的消耗。
表1 2005—2008年国际钢铁工业可持续发展指标
T able 1 Sustainability indicators of w orld steel
industry from 2005to 2008
指标
2004年2005年2006年对新工艺新产品投资占销售收入比例/% 6.0 6.27.7营运利润率/%8.915.715.3投资回报率/%
9.122.319.6经济增加值占销售收入比例/% 2.611.77.6粗钢能耗强度/(G J ・t -1)19.019.120.6粗钢CO 2温室气体排放量/(t ・t -1)
三维度
1.6 1.7 1.7资源利用效率/%96.895.697.2废钢回收利用率/%
42.342.7 4.5931)
环境管理体系中生产线上工作员工占所有员工和协力员工的比例/%
85.490.785.5每个员工培训天数 6.39.910.4100万工时的工伤率
7.8 6.68.8参与统计公司的粗钢产量/亿t 3.255 3.972 5.202参与统计公司的销售收入/亿美元
1910
2130
4103
1)2006年废钢回收利用率指标不再出现，而是以回收的废钢量表示，其单位为亿万t 。
图1 中国钢铁工业能源消耗产生的CO 2
排放量占总排放量的比例
Fig.1 R atio
of CO 2emission from energy source
to the total in Chinese steel industry
2 钢铁生产两类流程CO 2排放比较
钢铁生产主要有以天然资源、煤炭等为源头的高炉—转炉“长流程”(BF —BO F 流程)和以废钢、电
力为源头的电炉“短流程”
(EA F 流程)两类。就能耗、环境负荷而言，电炉“短流程”相对低
些。以废钢为源头的电炉“短流程”与以铁矿石为源头的高炉—转炉“长流程”相比，每吨钢可节约铁矿石1.3t ，降低能耗350kg 标煤，减排CO 21.4t ，减排废渣600kg [5]。
国际钢铁协会1996年进行的L CI 研究表明：高炉—转炉流程的CO 2排放量约为电炉流程的3.5倍。日本专家[6]对钢铁工业不同流程下生产不同钢种的CO 2排放进行了研究(表2[6])。结果表明:1)生产同样钢种，用高炉—转炉流程的CO 2排放比用电炉流程的CO 2排放高3倍左右;2)对同样流程而言，产品的深加工程度越高或钢种附加值越高，其能耗和CO 2排放越高。
表2 日本钢铁工业不同流程CO 2排放(吨钢CO 2排放量)
T able 2 CO 2emission of different processes
in Japanese steel industry
t
流程普碳钢
特殊钢
平均
BF —BOF
2.127 2.298 2.152EA F
0.514
0.699
0.563
3 钢铁工业的能源结构对CO 2排放
的影响
在中国钢铁工业的能源结构(图2，数据来源:
《中国能源统计年鉴》
)中，煤炭占的比例最大,2005年约占80%，其中消耗量最大的是焦炭。研究表
明[1,4]，在钢铁工业CO 2直接排放中，能源消耗对CO 2排放的贡献中主要是焦炭。如2005年的焦炭消耗量约2亿t ，对当年钢铁工业CO 2直接排放量的贡献约占80%。因此，对传统的碳冶金为主的钢铁制造流程而言，减少焦炭的消耗，可以大幅度减少CO 2排放。
图2 2005年中国钢铁工业能源结构图
Fig.2 E nergy consumption structure of
Chinese steel industry in 2005
・
2・
第5期张春霞等：钢铁流程结构及对CO2排放的影响
性工作者调查
在钢铁工业的能源结构中，外购电力是不可忽视的重要部分。2005年外购电力约占17.44%。关
于电力消耗对中国钢铁工业CO2排放量的影响值
得探讨。
由于中国电网结构以火电为主，电力的CO2排
放因子较高，约为美国的1.6倍，日本的3倍，法国
的13.5倍(图3)。因此，是否计入外购电产生的
CO2排放对钢铁工业CO2排放的估算至关重要。
资源与评价在钢铁工业的直接排放中，为避免与发电行业的
CO2排放量的重复计算，在行业层面没有考虑外购
电的间接排放情况。实际上，降低电力CO2排放因
子的源头在电力行业。假设中国与法国的情况类
似，电力的CO2排放因子仅0.07kg/(kW・h)(图
3，数据来源：日本电气事业联合会，中国电力的CO2
企业所得税审计排放系取自《中国电力部门CDM项目基准线排放
因子研究》)，那么外购电力对于钢铁工业CO2排放
的影响就可以忽略。如按2005年中国的电力CO2
排放因子估算，若考虑外购电的部分(即已扣除自发
电部分)，中国钢铁工业总的CO2排放总量将增加
1.5亿t/a左右。其中外购电力消耗对当年的总
CO2排放量的贡献约占16%。但若按法国的电力
的CO2排放因子计，外购电力的CO2排放只
有
图3 世界主要国家发电端排放的CO2 (电力的CO2排放因子)(2000年) Fig.3 CO2emission factor of electricity from m ajor countries in the w orld(2000)1100万t/a，仅占当年钢铁工业CO2总排放量的114%。
就中国目前的现状，从节能减排的大形势和鼓励终端用户(各行业)节能和降低电力消耗的总体导向看，考虑能源消耗中的外购电力部分也是合理的。
可见，在中国钢铁工业CO2排放总量计算中，焦炭和电力的影响最大，然而在目前的能源统计中，这两项统计数据的可靠性也是最难把握的，特别是外购电量的不可确定性。一方面，钢铁行业内部，可单独统计外购电力部分。但是从“中国能源统计年鉴”看，虽然有总的电力消耗和自发电的统计数据，在“中国能源统计年鉴”公布的黑金属冶炼及压延加工业(包括钢铁企业和铁合金企业)的电力消耗只是全部电力消耗，没有自发电部分。因此，容易造成重复计算。
进入21世纪后，随着中国节能减排的大力推动，钢厂自发电的比例逐年增加，从2000年到2005年，全国重点大中型钢铁企业的自发电比例从10%提高到约30%。根据与国家统计局交流的数据分析,2007年黑金属冶炼及压延加工业的自发电比例约为20%，低于重点大中型钢铁企业的水平。随着钢铁行业功能拓展和进一步发挥能源转换功能的效果，钢铁企业的自发电比例将会不断提高，所以，建议国
家和行业的能源统计中应该把自发电单独统计并公布，以避免能源消耗的重复计算和CO2计算。
4 钢铁制造流程的构成对CO2排放的影响
目前，国际钢铁界还没有统一的CO2排放量计算方法。各国和企业计算CO2排放的方法不尽相同。日本新日铁、J FE等在可持续发展报告书中公布的CO2排放量大多是能源消耗产生，有的包含熔剂的排放(住友、J FE)，而韩国浦项钢铁公司(POSCO)是按直接排放和间接排放计算的(表3)。因此，对于不同来源的吨钢CO2数据，需综合考虑其计算方法、统计口径和范围、能源结构、废钢利用及原燃料质量等各种因素的影响之后客观比较。
对本文选择构建的2个流程(图4(a)、(b))[728]进行分析。流程1是规模为800万t/a的平材生产流程；流程2是规模为70万t/a的合金钢长材生产流程。
对于流程1，重点研究在不同的外购焦炭比例(4种情况)条件下对能耗和CO2排放的影响；对于
・
3
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钢 铁第45卷
表3 不同国家和地区的主要钢铁企业CO2
排放强度(吨钢CO2排放量)
T able3 Specif ic CO2emission of m ajor steel enterprises in
different countries and area
来源CO2排放强度/t备注
日本住友金属1.95能源消耗
2.09能源+熔剂消耗
日本J FE 2.00能源消耗2.07能源+熔剂消耗
日本新日铁 1.82能源消耗
韩国POSCO 2.19
其中包括每吨钢2.12tCO2的直接排放和每吨钢0.07tCO2的
间接排放
中钢 2.18(2006年)未注明
国际钢铁协会 1.7(2006年)2006年国际钢铁工业可持续发展指标(未注明计算范围)
注：数据来源自各企业(协会)的可持续发展报告。
流程2，主要研究电炉配加的热铁水按不同的外购比例下(4种情况)的能耗和CO2排放。初步结果如表4所示。
4.1 高炉—转炉“长流程”中外购焦炭比例对CO2排放的影响
初步研究了流程1中焦炭外购比例变化的4种情况下对CO2排放的影响，结果分析如下信阳市第一实验小学
。
图4 流程1:800万t/a(平材)电炉生产流程(a)和流程2:70万t/a(长材)电炉生产流程(b)
Fig.4 Route1:BF—B OF flat product process with its capacity of8Mt/a(a)and route2:EAF long steel
product process with its capacity of0.7Mt/a(b)
表4 不同流程结构的CO2排放及其吨钢能耗情况
T able4 CO2emission intensity and specif ic energy consumption from different processes kg
流程
直接排放全部排放能源消耗
吨钢CO2排放吨钢CO2排放吨钢CO2排放
吨钢能耗(标煤)
流程121焦炭100%自产1199.841904.871917.41687.20
流程122焦炭70%自产1111.541896.121908.67672.20
流程123焦炭50%自产1052.671890.291902.84662.21
流程124焦炭100%外购905.501875.721888.26637.21
流程221全废钢164.53699.02684.84358.61
流程222外购铁水20%201.341069.90590.68321.94
流程223外购铁水30%217.521227.38543.60303.60
流程224外购铁水50%252.851579.61449.45266.94
注：直接排放是指排放源是由报告实体所有或控制的在生产过程中排放的CO2；间接排放包含电力、氧气、氮气、氩气、蒸气、外购焦炭及外购铁水等的上游生产带来的排放；全部排放包含直接排放和间接排放。
1)由流程121至流程124的结果表明:CO2直接排放量和能源消耗引起的CO2排放都随外购焦炭量的增加而降低，因为多外购焦炭就相当于减少流程本身的能源消耗。
这一结果可以解释国外一些钢铁企业报告的CO2排放值较低的现象。一般国外多数钢铁企业普遍都外购焦炭，有的钢铁企业根本没有焦化厂(如瑞典的SSAB)，这样的企业报告的能源消耗产生的CO2量和直接排放的CO2量就低，但并不表明它的工艺和操作水平高，只是由于工序不完整而在计算时没有把生产焦炭的CO2排放考虑进去。
2)流程121至流程124在不同的焦炭外购量下，对全部排放(直接+间接+抵扣)基本没有影响(其差别主要是CO2排放因子选取引起的误差)。因为全部排放结果是基于L CA的观点，包含了上游生产产生的CO2排放，即相当于在流程内另外配
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第5期张春霞等：钢铁流程结构及对CO2排放的影响
套了一条产量与外购焦炭量相当的焦炭生产线。
3)直接排放、全部排放和能源消耗引起的CO2排放3种结果中，能源消耗引起的CO2排放结果最高。
其顺序为能源消耗引起的CO2排放大于全部排放大于直接排放。主要是因为全部排放考虑了排放权抵扣，尤其是高炉渣和转炉渣的抵扣大大降低了全部排放的结果，大约高炉渣和转炉渣外卖作水泥的每吨能抵扣CO2200kg；若全部排放中不考虑钢铁渣的抵扣，则顺序应该是：全部排放的CO2大于能源消耗引起的CO2排放大于直接排放。
4.2 电炉“短流程”配加外购热铁水比例对CO2排放的影响
对于流程2，假设电炉配的热铁水均当作外购对待，对4种配加比例的情况分析结果如下。
1)全部排放的结果随外购铁水量的增加而显著增大，是因为全部排放中考虑了上游电力消耗和生产铁水的CO2排放(包含焦化、烧结和高炉3个工序)，每吨铁水的CO2排放因子约为1.855t。如此配加铁水减少电耗并不能反映在直接排放上。
2)能源消耗引起的CO2排放是随外购铁水量的增加而降低的，这是因为铁水配加的越多，电力消耗越少。而计算能源消耗引起的CO2排放时，并没有考虑铁水的上游排放。
需要注意的一点，也是以上两节分析中的共性点：能源消耗引起的CO2排放与流程的吨钢能耗是相对应的正比关系，即吨钢能源高，则能源消耗的CO2排放就高。这也佐证了钢铁制造流程中的CO2排放中，能源消耗是最主要部分的结论。
5 新一代钢铁制造流程的CO2排放新一代钢厂的制造流程是在现有先进工艺、装备基础上，与新开发的工艺、装备以及“界面技术”创新性集成而重新构筑的，具有3个功能的制造流程[829]。本文以构造的2座高炉、1个炼钢厂、2套热轧带钢轧机为骨干，规模约为年产粗钢900万t/a 的新一代制造流程[829]为例，其流程和产品产量均是匹配的。
首先分析其碳素流的特点。该流程仍是以碳冶金为主的，碳素流在钢铁制造流程中是能量流的主要形式，碳素流是从煤的形式(洗精煤、燃料煤)开始的，最终转换为CO、CO2和相应的热量。碳素通过以还原、燃烧等方式为钢铁冶金过程提供能量，同时产生大量的二次能源。碳素的输入主要来源于燃料，包括洗精煤、高炉喷吹煤粉及烧结用煤粉等，碳素最终接近100%的转变为CO2，排入大气[10212]。
其次研究其CO2排放。新一代钢铁制造流程的CO2排放主要来自于燃料使用，其他来自于熔剂分解产生的CO2排放；若考虑高炉渣等再资源化利用效果，则可以抵扣熔剂分解产生的CO2排放(当然还包括部分能源消耗抵扣)(图5[11])
。
图5 新一代钢铁流程CO2排放源及各工序CO2排放Fig.5 CO2emission sources and CO2emission per
product of various procedures in the new
generation steel process
在只考虑由于能源使用产生CO2排放的情况下，由于各工序采用不同燃料使CO2排放结果差异显著，如：由于焦炉煤气中氢含量高，焦炉采用纯高炉煤气加热、纯焦炉煤气或高炉、焦炉混合煤气加热，其CO2排放结果存在显著差别。因此，可根据各工序的能源消耗、钢厂能源结构和CO2排放源估算各工序CO2排放情况及在钢厂CO2排放中所占的比例(图5)。考虑完全电力自给、生产能力匹配(除矿石和煤炭外基本无外购)的前提下，吨钢CO2直接排放约为2098kg，若考虑外供电力和炉渣利用的抵扣，其吨钢CO2排放量约为1832kg。按照此图的净排放计，炼铁系统的CO2排放占全流程的76.1%。另外，其中消耗能源产生的CO2排放约占流程总的CO2排放的95%。
6 结论
1)钢铁工业的温室气体排放中主要是CO2，且主要是由能源消耗引起的，约占钢铁工业CO2排放总量的95%以上。
2)钢铁生产的两类主要流程：高炉—转炉“长流程”的CO2排放量高于电炉“短流程”的CO2排放量。
3)由于中国钢铁工业的能源结构中，煤炭占的
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