基于中國能流解析的鋼鐵工業(yè)終端節(jié)能重要性和潛力研究

蔣濱繁 夏德宏 陳映君

(1．北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院， 2．冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室)

2019年，我國能源消費總量48.75億tce，比改革開放初期增加了709%[1-2]；全國CO2排放量超過100億t，占全球排放的四分之一以上[3]。目前，我國能源缺口增大至9億tce/a，石油、天然氣對外依存度分別高達73%和43%[1]，嚴(yán)重威脅我國能源安全。

節(jié)能是“第一能源”逐漸成為全球共識。美國將先進能源與工業(yè)能效技術(shù)作為國家發(fā)展的十大關(guān)鍵技術(shù)之一[4]；歐盟高度重視節(jié)能和能效提高，在保證經(jīng)濟增長的同時，預(yù)計2050年能源消費量比2005年下降32%～41%[5]；日本大力推進全社會節(jié)能，是目前世界上人均能耗最低的發(fā)達國家[6]。2014年我國提出“能源革命”國家戰(zhàn)略，強調(diào)堅持節(jié)能優(yōu)先方針；2020年我國向全世界做出“2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”的莊嚴(yán)承諾。面對嚴(yán)峻的能源安全和CO2排放壓力，亟需創(chuàng)新節(jié)能減“碳”技術(shù)，促進能效提升和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[5]。

我國是制造業(yè)大國，鋼鐵等原材料產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界之首。目前，工業(yè)能耗占我國總能耗的66%[1-2]；工業(yè)CO2排放占全國總CO2排放的80%[7]。鋼鐵生產(chǎn)是典型的高耗能、高排放流程工業(yè)，其主要用能裝備平均效率不足40%，且存在工藝鏈長、余能利用率低、CO2排放量大等問題[8-9]。2020年，我國單位GDP能耗約為0.5 tce/萬元，工業(yè)領(lǐng)域為0.97 tce/萬元，比世界平均工業(yè)單位GDP能耗高50%，是美國、日本等發(fā)達國家工業(yè)單位GDP能耗的2倍左右[10]，具有極大的提升潛力。

倪維斗院士團隊研究了全國及北京、廣州等主要經(jīng)濟圈能源消費結(jié)構(gòu)[11-12]，建立了基于能流圖和LMDI(第一類迪維薩指數(shù)對數(shù)平均)的區(qū)域能源消費分解方法，為能源總量控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)[13]。鋼鐵工業(yè)是終端用能大戶，亦是節(jié)能降耗的突破口。圍繞鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排迫切需求，張春霞教授團隊對比了中美鋼鐵工業(yè)的能效[14]，提出了不同國家鋼鐵工業(yè)能源效率對標(biāo)方法，中國鋼鐵工業(yè)的平均能源強度要比美國高約24.30 kgce/t，而重點鋼鐵企業(yè)能源強度要比美國鋼鐵工業(yè)低約59.70 kgce/t，結(jié)果表明中國重點鋼鐵企業(yè)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)已處于國際先進地位，但有待全面推廣和應(yīng)用，并以此為基礎(chǔ)研究了中國鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略[15]。蔡九菊教授團隊研究了自改革開放以來我國噸鋼綜合能耗的變化，通過分析鋼鐵工業(yè)的節(jié)能潛力，指出科學(xué)地配置、使用和管理能源將是未來15年節(jié)能理論和技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[16]。張琦等人研究了在不同情景下我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的潛力及能效提升途徑[17]，分析了目前中國鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排進展及不足，通過構(gòu)建基于35項重點節(jié)能減排技術(shù)的能源消耗與CO2排放模型，預(yù)測了2050年的中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排潛力及其影響因素；以鋼鐵工業(yè)從單體設(shè)備節(jié)能、工序優(yōu)化節(jié)能到系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)發(fā)展進程，并以此為基礎(chǔ)闡述了系統(tǒng)節(jié)能的內(nèi)涵及未來發(fā)展方向，包括工序與界面協(xié)同匹配、物質(zhì)流與能量流耦合和構(gòu)建工業(yè)生態(tài)鏈接體系等[18]。

以上述研究為基礎(chǔ)，文章通過進一步分析我國能流特征，闡明了鋼鐵行業(yè)終端節(jié)能的重要性。首先，采用“節(jié)能效益杠桿率”量化評估了終端節(jié)能對緩解能源源頭供給壓力的效益放大作用；而后，剖析了作為終端用能大戶的鋼鐵工業(yè)自改革開放以來取得的節(jié)能減排成就；通過解分析鋼鐵生產(chǎn)過程的理論能耗，預(yù)測了鋼鐵行業(yè)的極限節(jié)能減“碳”潛力。

1 我國能源流向特征

能源具有煤、油、氣、電等多種形式，不同能源實物量的計量單位不同。為了分析我國能源生產(chǎn)、消費及其流向特征，以下計算均將不同能源折算成標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量進行。能源的可利用總量(含生產(chǎn)量、進口量和出口量)等于能源消費量(含終端可用量和損失量)：

Eprod+Eimp-Eexp=Econ+Eloss

(1)

式中：Eprod為能源生產(chǎn)量；Eimp為能源進口量；Eexp為能源出口量；Econ為能源消費量；Eloss為能源損失量。

能源生產(chǎn)側(cè)，生產(chǎn)總量為不同一次能源生產(chǎn)量之和：

(2)

式中：i為能源類型，即原煤、原油、天然氣、水電、核電、風(fēng)電、太陽能、其它。能源消費側(cè)，消費總量為不同產(chǎn)業(yè)能源消費量之和：

(3)

式中：j為產(chǎn)業(yè)類型，即農(nóng)林牧漁業(yè)、工業(yè)和建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)。

能源終端消費之前，需經(jīng)開采、加工轉(zhuǎn)化、輸送等過程，每一道工序都存在不可避免的能量消耗或損失。開采過程中，單位標(biāo)準(zhǔn)煤的煤炭、石油、天然氣等能源所需的開采能耗(ei)為：

(4)

加工轉(zhuǎn)化過程中，單位標(biāo)準(zhǔn)煤的能源發(fā)電、煉焦、煉油等轉(zhuǎn)化損失(ci,x)為：

(5)

輸送過程中，單位標(biāo)準(zhǔn)煤的能源損失(τi)為：

(6)

圖1 2019年我國能源流向

能源損失總量(Eloss)為開采損失、轉(zhuǎn)化損失與輸送損失之和：

(7)

能源總體轉(zhuǎn)化效率(ηtotal)為：

(8)

圖1為2019年我國能源流向圖[1-2]。左側(cè)為能源供給總量，包括本地生產(chǎn)和外購量；中間為能源轉(zhuǎn)化過程，發(fā)電、煉焦、煉油的轉(zhuǎn)化效率分別為45.5%、92.4%、95.6%[2]；右側(cè)為能源終端消費量(含損失)，終端可利用總量為35億tce(總體轉(zhuǎn)化效率72%)，工業(yè)和建筑業(yè)占67%、第三產(chǎn)業(yè)占31%、農(nóng)林牧漁業(yè)占2%。能源終端消費結(jié)構(gòu)中，農(nóng)林牧漁業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)均以油品為主，工業(yè)及建筑業(yè)則以煤炭為主。

工業(yè)是我國最大的終端用能產(chǎn)業(yè)，每年能源消費量占終端消費總量的52%，CO2排放量占終端CO2排放的77%。鋼鐵生產(chǎn)每年的能耗約7億tce/a，占流程工業(yè)終端能耗39%；CO2排放量約16億t/a，占終端CO2排放24%。因此，鋼鐵行業(yè)應(yīng)作為節(jié)能減“碳”的首要突破口。

圖1顯示，能源從源頭產(chǎn)生到終端消費經(jīng)歷了開采、轉(zhuǎn)化、運輸?shù)戎虚g過程。因而，突破能源瓶頸的關(guān)鍵：一是提高能源加工轉(zhuǎn)化效率，減少能源轉(zhuǎn)化損失；二是提高用能終端能效水平，減少能源轉(zhuǎn)化需求量。相比于提高轉(zhuǎn)化效率，提升終端用能效率不僅可直接減少能源終端消費量，更可進一步減少能源在開采、轉(zhuǎn)化和輸送過程的投入與損失。終端節(jié)能對緩解能源源頭供給壓力具有效益放大的“杠桿作用”，由節(jié)能效益杠桿率定量表述為：

(9)

式(9)表明節(jié)能效益杠桿率是一個大于1的常數(shù)，該數(shù)值越大，終端節(jié)能效益越顯著。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》，獲得1995-2020年我國能源終端消費統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]；根據(jù)《中國2060年前碳中和研究報告》，獲得2021-2060年能源終端消費的預(yù)測數(shù)據(jù)[19]；基于上述能源終端消費數(shù)據(jù)，采用公式(4)～(9)計算獲得1995-2060年用能終端的節(jié)能效益杠桿率，如圖2所示。

2000年加入世貿(mào)組織以來，經(jīng)濟的快速發(fā)展催生了巨大的用能需求。2020年我國終端用能量約為35億tce，其中煤炭、石油、天然氣分別占35%、25%、10%，電力占25%，可再生等新能源不足3%。1995-2020年，終端節(jié)能效益杠桿率在1.3～1.4范圍內(nèi)緩慢上升。隨著用能水平的提升，我國將進入綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展階段。根據(jù)《中國2060年前碳中和研究報告》預(yù)測[19]，在保持經(jīng)濟增長和社會和諧穩(wěn)定的同時，終端用能量將于2030年達到峰值(約40億tce)，并在2060年逐步下降至30億tce。

圖2 1995-2060年我國能源終端消費結(jié)構(gòu)及節(jié)能效益杠桿率

在“碳達峰、碳中和”的強力碳約束下，化石能源在終端的占比將持續(xù)下降，預(yù)計2030年和2060年分別降低至55%和10%，隨之產(chǎn)生的能源缺口將由新能源等清潔能源補充。2060年，新能源、電力在我國終端用能中的占比將分別上升至30%、60%[19]。屆時，除少數(shù)以碳氫化合物為原料的工業(yè)過程以外，電力將成為全社會終端用能的主要載體。圖2為終端能源消費結(jié)構(gòu)，未來終端用能中的電力也幾乎全部來自新能源。因此，2060年，實際上我國90%的能源需求都將由新能源滿足；電力在終端的高比例使用，將使終端節(jié)能效益杠桿率超過1.8。2060年以后，隨著電力在終端占比繼續(xù)增加，節(jié)能杠桿率將有望突破2。未來終端節(jié)能將真正產(chǎn)生效益“倍增”的杠桿作用。作為終端能源消費和CO2排放大戶，鋼鐵等流程工業(yè)節(jié)能將持續(xù)成為我國綠色低碳發(fā)展的最優(yōu)選擇。

2 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳成就與未來潛力

2.1 鋼鐵行業(yè)能耗變化與CO2排放特征

鋼鐵行業(yè)是我國終端用能大戶，其能耗約占我國占工業(yè)終端能耗的39%，是節(jié)能減“碳”的首要突破口。改革開放以來，我國鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展。隨著轉(zhuǎn)爐和連鑄煉鋼替代平爐和模鑄、短流程電爐煉鋼、高爐噴煤、高溫?zé)煔?散料/熔渣余熱回收等技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)能管理[20-21]，噸鋼綜合能耗從1980年2.52 tce/t降低至2020年0.552 tce/t，促使粗鋼產(chǎn)量呈指數(shù)增長，如圖3所示[17，22-23]。2020年，我國粗鋼產(chǎn)量超過10億t/a，與1980年相比噸鋼綜合能耗下降78%，相當(dāng)于一年節(jié)省了約20億tce。鋼鐵生產(chǎn)過程的CO2排放主要來自于以煤炭、油氣等化石燃料的燃燒過程，主要化學(xué)反應(yīng)式如式(10)所示。完全燃燒后，化石燃料中的C元素將全部轉(zhuǎn)化為CO2，造成嚴(yán)重的碳排放。因此，鋼鐵行業(yè)節(jié)能即降碳。盡管改革開放以來，鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳已取得了長足進步，但目前其能源利用效率仍然偏低，具有進一步提升潛力。

(10)

圖3 我國粗鋼產(chǎn)量與噸鋼綜合能耗變化

2.2 鋼鐵長流程極限節(jié)能與CO2減排潛力

以高爐為核心的傳統(tǒng)長流程是我國鋼鐵冶煉的主要工藝，主要包括燒結(jié)、球團、焦化、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼等工序。文章通過分析各工序物理化學(xué)過程，結(jié)合表1中相關(guān)參數(shù)計算理論噸鋼綜合能耗最小值，從而估計鋼鐵行業(yè)節(jié)能與CO2減排的極限潛力。

(1)燒結(jié)/球團

燒結(jié)和球團都是粉礦造塊的重要方法。其核心是將含鐵原料、石灰石/菱鎂石(熔劑)、燃料等磨粉配料，再通過加熱(約1 300 ℃)使粉末原料部分熔融從而緊密粘結(jié)，獲得物理、機械性能達標(biāo)的燒結(jié)礦/球團礦。燒結(jié)、球團過程的能耗主要用于加熱原料顯熱上升和石灰石/菱鎂石分解熱等。計算得出燒結(jié)、球團過程的理論單位產(chǎn)品能耗分別為32.7 kgce/t(燒結(jié)礦)、22.0 kgce/t(球團礦)。

表1 理論能耗計算相關(guān)參數(shù)

(2)焦化

焦化是指煉焦煤在隔絕空氣的條件下加熱到1 000℃左右(高溫干餾)，通過熱分解和結(jié)焦去除揮發(fā)分，并產(chǎn)生焦炭、焦?fàn)t煤氣和其他煉焦化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程。該過程能耗主要用于煉焦煤顯熱上升和煤熱解等。計算得出焦化過程的理論單位產(chǎn)品能耗為57.5 kgce/t(焦炭)。

(3)高爐煉鐵

高爐煉鐵是將焦炭、含鐵礦石(燒結(jié)礦、球團礦及天然富塊礦)等原料在高爐內(nèi)高溫還原生成單質(zhì)鐵的過程。該過程的能耗主要用于原料顯熱上升、鐵礦還原反應(yīng)等。鐵礦石中鐵氧化物有Fe3O4、Fe2O3、FeO等多種形式，使得鐵的還原反應(yīng)具有多條路徑。盡管如此，鐵礦石被還原成單質(zhì)鐵的本質(zhì)實際就是鐵氧鍵斷裂。因此，用單位摩爾鐵氧鍵斷鍵所需的能量估計鐵礦石還原成為單質(zhì)鐵的最低理論能耗，得出煉鐵過程的理論單位產(chǎn)品能耗為150.9 kgce/t(鐵水)。

(4)轉(zhuǎn)爐煉鋼

轉(zhuǎn)爐煉鋼是以鐵水、廢鋼等為主要原料，通過吹氧調(diào)節(jié)C、Si等鐵水中微量元素含量，產(chǎn)出鋼水。該過程無需外加能源，依靠鐵水本身的物理熱和鐵水中C、Si等氧化反應(yīng)放熱完成。實際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣可作為能源向外輸出，因此目前大多數(shù)鋼鐵企業(yè)都已實現(xiàn)“負能煉鋼”，噸鋼綜合能耗約為-30～-10 kgce/t。例如，2020年，全國規(guī)模以上鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼平均能耗約為-15 kgce/t[17]。

根據(jù)上述計算得出的鋼鐵廠流程各個工序的理論最低能耗，并與2020年我國規(guī)模以上鋼鐵企業(yè)各工序?qū)嶋H平均能耗相對比[17，28]，如表2所示。其中，由于目前傳統(tǒng)長流程中轉(zhuǎn)爐煉鋼無須額外輸入能量，因此未對轉(zhuǎn)爐煉鋼的理論能耗進行估計。燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵過程的理論單位產(chǎn)品能耗分別為32.7 kgce/t(燒結(jié)礦)、20.0 kgce/t(球團礦)、57.5 kgce/t(焦炭)、150.9 kgce/t(鐵水)。以理論能耗與實際能耗的比值表征能源有效利用率，則燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵過程的能效分別為67%、81%、56%、39%。

表2 我國規(guī)模以上鋼鐵企業(yè)各工序?qū)嶋H平均能耗與理論能耗對比 kgce/t

將各工序的噸產(chǎn)品能耗轉(zhuǎn)化為噸鋼能耗，即燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵的理論噸鋼能耗分別為35.5 kgce/t、3.8 kgce/t、19.6 kgce/t、139.2 kgce/t，從而預(yù)測全流程的理論噸鋼綜合能耗。由于轉(zhuǎn)爐工序為“負能煉鋼”，無額外能量輸入，假設(shè)其理論能耗與實際能耗相同(-15 kgce/t[17])，預(yù)測得出長流程煉鋼的極限最低理論噸鋼可比能耗為183.1 kgce/t。與2020年相比，實際噸鋼可比能耗約為490 kgce/t[28]，總體能源利用效率約為37.4%。以2020年粗鋼產(chǎn)量10億t/a計算，則鋼鐵行業(yè)每年還具有約3億tce/a的節(jié)能潛力。并且，鋼鐵工業(yè)為典型的終端用能部門，考慮到終端節(jié)能1.4倍的杠桿效益，相當(dāng)于可緩解4.2億tce/a的能源源頭供給壓力、CO2減排10.9億t/a。

3 結(jié)論與展望

(1)我國能流特征分析表明鋼鐵工業(yè)終端節(jié)能是我國節(jié)能減“碳”的首要突破口。終端節(jié)能可有效減少能源在開采、加工/轉(zhuǎn)化等中間過程的損耗，對緩解能源源頭供給壓力具有效益放大的“杠桿作用”。目前，終端節(jié)能效益杠桿率約為1.4；隨著電力在能源終端消費結(jié)構(gòu)占比的上升，終端節(jié)能的杠桿效應(yīng)將與日俱增：節(jié)能效益杠桿率在2060年將達到1.8。

(2)鋼鐵工業(yè)是終端用能和CO2排放大戶，其能耗占終端用能量的39%，CO2排放占終端CO2排放的24%。改革開放以來，鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)上升、單位產(chǎn)品能耗顯著下降，2020年噸鋼綜合能耗與1980年相比下降78%，取得了卓有成效的節(jié)能和CO2減排效果。

(3)理論計算顯示目前鋼鐵長流程能源利用效率為37.4%，仍具有進一步節(jié)能降“碳”潛力。以2020年粗鋼產(chǎn)量10億t/a計算，鋼鐵行業(yè)每年終端節(jié)能潛力達3億tce/a，相當(dāng)于可緩解4.2億tce/a的能源源頭供給壓力(以目前杠桿率1.4計算)、減排CO210.9億t/a。