“雙碳”目標(biāo)下鋼鐵企業(yè)煤氣發(fā)電技術(shù)發(fā)展及影響

唐 磊，黃欣婷，曾祥耀，曾 芳

（中國能建湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410007）

前言

我國是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國，根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計，2022 年粗鋼產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的53.9%。目前中國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量約占世界鋼鐵總排放量的72.5%，約占全國二氧化碳排放總量的15%，是僅次于電力行業(yè)的第二大碳排放行業(yè)。2023 年4 月18 日和4 月25 日，歐洲議會和歐盟理事會分別批準(zhǔn)通過了新的歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM），形成了基于碳排放的國際貿(mào)易壁壘。鋼鐵行業(yè)已成為我國實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略以及有效應(yīng)對國際貿(mào)易壁壘的橋頭堡和攻堅區(qū)。

鋼鐵生產(chǎn)過程涉及的工序、原料、能源眾多，導(dǎo)致碳排放形式和結(jié)構(gòu)繁雜多樣，為行業(yè)推進低碳化發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。鋼鐵工業(yè)碳排放主要來源是燃料燃燒和外購電力碳排放。在主流的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程鋼鐵生產(chǎn)過程中，能源利用率僅為27%，其余73%主要以余能余熱的形式存在。這些余熱余能資源中，副產(chǎn)煤氣占比達到約74.6%［1］。相關(guān)研究表明，對于年產(chǎn)1 000 萬t 鋼鐵的企業(yè)，除去鋼鐵生產(chǎn)過程各工序自用外，日歷小時富余煤氣量（折熱值3 300 kJ∕m3）為105 萬m3∕h［2］，如利用該部分余能進行鋼-電耦合發(fā)電，將極大地推動鋼鐵企業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

盡管目前已有大量學(xué)者針對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰從技術(shù)、政策、核算方法、路線圖、鋼鐵國際貿(mào)易壁壘等不同角度進行研究［3-11］，但作為推動鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)重要手段的鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及其影響研究還未見諸文獻。因此，基于跨行業(yè)協(xié)同（耦合）的思路，論述了“雙碳”目標(biāo)下鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)發(fā)展及其特點，并詳細分析了新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對我國鋼鐵企業(yè)碳排放的影響以及在應(yīng)對國際鋼鐵貿(mào)易壁壘中的作用，為推進鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳提供參考。

1 鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)發(fā)展及其特點

鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)受副產(chǎn)煤氣熱值、富余煤氣量以及企業(yè)電力調(diào)度靈活性的影響，在2013 年以前一直是采用中溫中壓參數(shù)或高溫高壓參數(shù)，單機容量一般在50 MW 及以下，機組熱效率不超過32%。自2013 年華菱湘潭鋼鐵有限公司135 MW 高溫超高壓、一次中間再熱煤氣鍋爐發(fā)電機組投產(chǎn)開始，具有大容量、高參數(shù)、高效率、低排放等特點的高溫超高壓參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機組、亞臨界超高溫參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機組以及新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機組陸續(xù)在鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用，煤氣發(fā)電技術(shù)熱效率得到進一步提升，助力鋼鐵企業(yè)富余煤氣余能高效利用，并向節(jié)能低碳方向發(fā)展。不同時期、不同類型主流鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)參數(shù)見表1（煤氣熱值按3 300 kJ∕m3）。

表1 不同時期、不同類型鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)參數(shù)

由表1 可以看出，隨著鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的不斷進步，富余煤氣的利用效率越來越高。這意味著鋼鐵企業(yè)在保持鋼鐵生產(chǎn)工序條件不變的前提下，對富余煤氣的回收利用可產(chǎn)生更多的電能，減少外購電量，進而減少鋼鐵企業(yè)間接碳排放。

2 新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對鋼鐵企業(yè)碳排放的影響

2.1 鋼鐵企業(yè)碳排放核算及其組成

根據(jù)《溫室氣體排放核算與報告要求 第5 部分：鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)》（GB∕T 32151.5—2015）要求，鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放量E計算公式如下：

式中：E—二氧化碳排放總量，tCO2；

E燃燒—燃料燃燒排放量，tCO2；

E過程—過程排放量，tCO2；

E購入電—購入的電力消費對應(yīng)的排放量，tCO2；

E購入熱—購入的熱力消費對應(yīng)的排放量，tCO2；

R固碳—企業(yè)固碳產(chǎn)品隱含的排放量，tCO2；

E輸出電—輸出的電力對應(yīng)的排放量，tCO2；

E輸出熱—輸出的熱力對應(yīng)的排放量，tCO2。

鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電機組熱效率與E購入電、E輸出電息息相關(guān)，其效率高低將極大影響鋼鐵企業(yè)二氧化碳的排放量。

2.2 新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的降碳效果分析

基于同一生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工序，鋼鐵企業(yè)采用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)可以更高效地回收利用富余煤氣，為企業(yè)提供更多的自發(fā)電量。以年產(chǎn)1 000 萬t 鋼鐵的企業(yè)為例，設(shè)定條件如下：

（1）以高溫超高壓參數(shù)機組發(fā)電量為基準(zhǔn)；

（2）單機容量均按135 MW 考慮，廠用電率按6.5%考慮；

（3）鋼鐵企業(yè)年連續(xù)額定生產(chǎn)小時數(shù)為8 000 h；

（4）由于鋼鐵企業(yè)一般會設(shè)置煤氣柜進行調(diào)節(jié)，因此僅考慮煤氣鍋爐額定負荷連續(xù)運行工況；

（5）根據(jù)《關(guān)于做好2022 年企業(yè)溫室氣體排放報告管理相關(guān)重點工作的通知》（環(huán)辦氣候函［2022］111號），電網(wǎng)排放因子為0.581 tCO2∕MWh。

基于以上設(shè)定，不同類型的煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電量及碳減排量見表2。

表2 不同類型煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電量及碳減排量對比

從表2可以看出，年產(chǎn)1 000 萬t鋼鐵的企業(yè)，采用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)較采用高溫超高壓參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)年減碳量可增加25.61 萬tCO2，年相對減碳量增幅也達到了15.71%?？梢姡滦统R界煤氣鍋爐發(fā)電機組是進一步推動鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的有效途徑。

3 歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制下新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對我國鋼鐵行業(yè)的影響

根據(jù)歐盟最新發(fā)布的碳邊境調(diào)節(jié)機制文本，鋼鐵進口商從2024 年12 月31 日開始申請CBAM 報關(guān)員，2026年1月1日必須購買“CBAM證書”以獲得鋼鐵產(chǎn)品的進口權(quán)。該證書的價格將與拍賣平臺上歐盟排放交易體系（ETS）配額的平均收盤價（或最后一周的歐盟排放交易體系配額收盤價的平均值）一致。同時，進口商需要每年上報其所有進口產(chǎn)品的嵌入式排放量，并提交相應(yīng)數(shù)量的CBAM證書。

碳邊境調(diào)節(jié)機制第7條提出鋼鐵嵌入式排放量只需計算和考慮直接排放量，而不需要考慮消耗電力帶來的間接排放。我國鋼鐵行業(yè)總體上CO2排放強度約為2 tCO2∕t 鋼［12］；中國 鋼鐵工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計2022 年中鋼協(xié)會員單位電耗為466.06 kWh∕t 鋼，折算CO2排放量為0.27 tCO2∕t鋼，扣除電力消耗產(chǎn)生的鋼鐵嵌入式排放量，實際為1.73 tCO2∕t 鋼。同時從歐盟碳價80 歐元∕tCO2（折合人民幣555 元∕tCO2）［11］里扣除2022 年我國碳市場碳配額交易加權(quán)平均價55.3 元∕tCO2進行測算，每噸鋼鐵出口成本將增加864.5 元。而采用煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)回收的鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣余能不屬于鋼鐵生產(chǎn)外部輸入電力，需計入到鋼鐵嵌入式碳排放量中。結(jié)合表2，不同參數(shù)的煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對我國鋼鐵出口成本影響見圖1。

圖1 煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對我國鋼鐵出口成本影響

由圖1 可以看出，我國鋼鐵企業(yè)利用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機組回收鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)煤氣余熱時，在歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制下，鋼材出口成本為770.3 元∕t，相較目前行業(yè)總體水平下鋼材出口成本可降低94.2 元∕t，相對降幅可達10.9%。因此，新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)可有效提高我國鋼鐵企業(yè)應(yīng)對國際貿(mào)易壁壘的能力。

4 結(jié)論

作為鋼鐵生產(chǎn)過程中富余煤氣余能回收利用的有效途徑，鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)正朝著高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，尤其是新型高效超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了鋼鐵企業(yè)富余煤氣利用效率，進而增加了企業(yè)自發(fā)電量，減少外購電量，間接提升了鋼鐵企業(yè)碳減排能力，有助于鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)并增強其應(yīng)對歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制下國際鋼鐵貿(mào)易壁壘的能力。