世界典型钢铁企业节能低碳实践

[《冶金经济与管理》2017年第4期], 冶金工业规划研究院能源处工程师 王涵 郜学 发布于 2017/9/30


随着气候变化及能源短缺给人类带来的影响日益严峻,碳减排及节约能源已刻不容缓,钢铁行业作为高耗能、高排放的重点行业应将节能低碳工作视为重点抓手。基于此,就安赛乐米塔尔、日本钢铁工程控股公司JFE、新日铁住金、韩国浦项钢铁4家典型钢铁企业节能低碳实践进行了论述,并对国外典型企业的能耗指标及中国典型钢铁企业宝钢股份和武钢股份的能耗指标进行对标分析。

摘要:随着气候变化及能源短缺给人类带来的影响日益严峻,碳减排及节约能源已刻不容缓,钢铁行业作为高耗能、高排放的重点行业应将节能低碳工作视为重点抓手。基于此,就安赛乐米塔尔、日本钢铁工程控股公司JFE、新日铁住金、韩国浦项钢铁4家典型钢铁企业节能低碳实践进行了论述,并对国外典型企业的能耗指标及中国典型钢铁企业宝钢股份和武钢股份的能耗指标进行对标分析。

关键词:钢铁企业,节能,低碳,能耗

现今,能源稀缺及气候变暖已成为各国急需解决的问题和面临的挑战。气候变化所带来的潜在影响促使各国就该问题的严峻性达成共识。控制碳排放指标及降低能源消耗已成为世界各国乃至企业可持续发展的主要方向之一。钢铁工业作为能源密集型产业,其高耗能、高排放的特征自然也使之成为世界各国节能低碳的重点关注目标。

当今世界各国钢铁企业都在积极为降低能源消耗和碳排放而努力,安赛乐米塔尔、日本钢铁工程控股公司JFE、新日铁住金、韩国浦项钢铁4家典型钢铁企业的节能低碳实践经验更是远胜于世界其他钢铁企业。与此同时,中国钢铁企业在节能减碳工作方面也取得了巨大进步,中国钢铁企业的能耗指标与世界其他国家钢铁企业能耗指标相比,已居于世界先进水平。

一、全球粗钢生产和节能低碳指标

1.全球粗钢产量和工艺结构分析

根据国际钢协统计,2016年全球粗钢产量达16.27亿吨,同比增长0.6%20132016年始终维持在16亿吨以上的水平。亚洲区粗钢总产量为11.25亿吨,同比增长1.6%。其中,中国粗钢产量为8.084亿吨,同比增长1.2%,且其占全球粗钢总产量的比重由2015年的49.4%提高至2016年的49.6%;日本粗钢产量为1.05亿吨,同比减少0.3%;印度粗钢产量为9 560万吨,同比增长7.4%;韩国粗钢产量为6 860万吨,同比减少1.6%20102016年全球粗钢产量变化情况见图1

1  20102016年全球粗钢产量变化情况

从粗钢生产工艺看,2016年和2012年相比,转炉钢产量占比提高了4.7个百分点,电炉钢产量占比下降了4个百分点,平炉钢产量占比整体呈下降趋势,其他炼钢工艺产钢较少,可忽略不计。总体来看(见图2),生产工艺结构受中国转炉钢增长的影响,转炉钢所占比重呈稳步上升态势。

2  20122016年按粗钢生产工艺统计的粗钢产量占比

2.节能低碳指标

20112015年,国际钢铁协会160个钢铁企业会员单位平均吨钢综合能耗指标处于整体上升的趋势。2012年平均吨钢综合能耗20GJ,同比增长了2%。但20122015年,吨钢综合能耗增幅有所减缓,以每年0.1GJ的增长幅度缓慢上升(1GJ=34.16kgce)。详见图3

3  20112015年国际钢铁协会会员单位吨钢综合能耗指标变化情况

国际钢铁协会会员单位平均吨钢全球二氧化碳排放量和平均吨钢综合能耗保持同向趋势发展,均呈现缓慢上升的走势,吨钢排放量由2011年的1.7t上升至2015年的1.9t,吨钢二氧化碳排放量平均值保持相对稳定,见图4

4  20112015年国际钢铁协会会员单位吨钢二氧化碳排放指标变换情况

国际钢协会员单位平均能耗和二氧化碳排放指标上升趋势与近年来会员单位粗钢生产结构中转炉钢所占比重上升趋势保持一致,均为稳步提升。

二、国外典型钢铁企业节能低碳实践

1.安赛乐米塔尔

(1)主要措施

——二氧化碳减排与监控。安赛乐米塔尔集团是全球第一的钢铁制造商,32万员工遍布全球,集团在全球27个国家拥有分支机构,年产量居世界首位。安赛乐米塔尔曾与国际钢协共同制定如何更有效地进行二氧化碳减排与监控,该项目以衡量实时二氧化碳排放与二氧化碳的绩效分析的方式,可靠地对于实际减排量进行预估。目前,一套二氧化碳排放的内部监控系统与数据库已经应用于公司内部,此后基准测试及差异分析的进程将会被简化。

──ULCOS研发低碳技术。欧洲超低二氧化碳排放项目──ULCOS,是2004年欧洲钢铁技术平台为了研究低碳减排技术特意设立的。宗旨是为了降低欧盟整体吨钢碳排放,使其远低于目前最为先进的钢铁生产工艺的碳排放值。印度Tata Steel、德国Thyssen Krupp、意大利Ilva、德国Saarstahl、德国Dillinger Hütte、奥地利Voestalpine、瑞典SSAB Swedish Steel Group、瑞典LKAB等为项目董事会成员,安塞乐米塔尔公司为项目董事会主席。ULCOS研发低碳技术的核心三大技术——减碳、无碳、去碳技术。减碳技术是以提高能源在生产中使用效率的方式降低二氧化碳的排放,从而使得碳成本得以下降。最典型的减碳技术即高炉煤气循环利用技术,使得二氧化碳排放量及炼铁中所需焦炭量同时降低。这一技术曾在安塞乐米塔尔一钢厂的高炉中尝试使用,高炉的吨铁二氧化碳排放量由1.3t降低至0.94t,排放量下降了28%

(2)节能低碳指标分析

安赛乐米塔尔吨钢综合能耗自2012年起逐年增长,2013年、2014年同比增长率为0.4%1.6%2015年吨钢综合能耗达到近5年最大值24.2GJ,同比上升0.9%2016年下跌至23.86GJ,同比下降1.4%。碳排放除2014年外,基本维持稳定,2014年出现大幅下降,吨钢二氧化碳排放2.09t,同比下降了2.3%。详见图5

5  20122016年安赛乐米塔尔吨钢综合能耗和二氧化碳排放变化趋势

2.日本钢铁工程控股公司JFE

(1)主要措施

——采用铁焦技术。为了使创新性的高炉原料“铁焦”项目投入实用化,从2016财年(截至20173月底)开始将正式进入实证研究阶段[1]。“铁焦”(Carbon Iron CompositeCIC)是指将低品位煤和铁矿石粉碎到规定粒度并按一定比例混合后,经热成型、干馏,使金属铁分散在焦炭中的高炉原料。由于可以提高金属铁在高炉中的还原反应速度,用于还原氧化铁的焦炭用量低于传统水平,因此可大幅降低二氧化碳排放并节约能源[1]。同时,还可以扩大低品位铁矿石和弱黏结性煤的使用比例,从而降低原料成本。JFE钢铁公司、新日铁住金、神户制钢日本三大钢铁企业在JFE钢铁公司西日本工厂福山地区建设了一座日产能为300t的实证设备,计划从2018财年开始生产。

——实施COURSE50计划。COURSE50(CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earch 50)是通过抑制二氧化碳排放及分离、回收二氧化碳,将二氧化碳排放量减少约30%的技术[2]2030年将确立此项技术,2050年实现应用及普及。目前,该项技术即将进入第二阶段的研发,在开发本技术过程中,建设了12m3的试验高炉,综合性地检验在第一阶段STEP1中获得的实验室研讨结果,确立将氢还原效果达到最大化的反应控制技术,为进入第二阶段积累知识经验;第二项重点研究内容是分离回收高炉二氧化碳技术[3]

——制定国际二氧化碳排放标准。JFE和日本铁钢联盟一起牵头制定了国际钢铁二氧化碳排放计算标准ISO14404──钢铁生产中二氧化碳排放强度的计算方法系列标准。

——开展LCA研究。JFE钢铁及日本铁钢联盟正在与世界钢铁协会一起开展生命周期分析计算钢材料环境负荷全寿命周期的世界标准。LCA是一种量化和评估产品对生命周期的环境影响,从资源开采和物质生产到生产、使用至最终处置。方法表明,改变普通钢材到高强度钢材类汽车的寿命周期可以减少二氧化碳排放量。此外,钢材料的闭环回收可以通过在生命周期结束时回收和重用汽车、建筑物等来实现。

(2)节能低碳指标分析

JFE吨钢综合能耗2011年最高值23.6GJ,自2012年起连续3年持续同比负增长,降幅分别为2.1%1.2%0.4%。受市场形势下滑影响,2015年吨钢综合能耗再次反弹至22.9GJ,同比上升0.8%(见图6)5年间,JFE的低碳排放指标处于十分稳定的水平,一直维持在2t左右。2011年,吨钢二氧化碳排放量为5年内最大值2.03t

6  20112015JFE吨钢综合能耗和二氧化碳排放变化趋势

3.新日铁住金

(1)主要措施

——环保型炼焦技术。新日铁住金在老化的焦炉中实现了一种新式煤配比技术即大量使用非黏结煤的条件下生产高质量焦炭[4]。而且通过研究煤和废塑料混合时的炼焦情况及煤和废塑料中所含的氯在干馏过程中的变化行为开发了焦炉使用废塑料的技术。在此基础上,实现了采用焦炉化学原料法对普通废塑料进行资源再利用的技术。目前,新日铁住金焦炉每年使用废塑料的量约为20万吨。此外,作为减少炼铁二氧化碳排放的技术,开发了通过使用高强度、高反应性焦炭降低高炉燃料比的技术。

──ESCAP(能源节约二氧化碳吸收工艺)。碳捕捉与碳封存技术是2017年以来许多国家钢铁工业共同研究的问题。对此新日铁住金作为日本领先钢铁企业,也相应开发了低能耗二氧化碳分离工艺──ESCAP。采用的吸收剂是新型胺液RN,为新日铁住金与日本地球环境产业技术研究机构(RITE)、日本东京大学合作COCS项目时联合开发的,原料气为炼铁厂的高炉煤气,解吸热为炼铁厂内尚未利用的低品位余热。作为化学吸收法分离二氧化碳的工艺,ESCAP工艺的优点是再生温度低,当再生温度为95℃时,二氧化碳回收率可达到90%,因此钢厂内110℃以下的低品位蒸汽也可用于二氧化碳再生。

(2)节能低碳指标分析

新日铁住金的碳排放趋势与吨钢综合能耗趋势基本一致。自2011年起连续2年指标降低,2013年达到最低值,其中吨钢综合能耗达22.7GJ,吨钢二氧化碳排放量1.97t,但自2013年后吨钢综合能耗和碳排放指标又呈现逐步上升趋势(见图7)

7  20112015年新日铁住金吨钢综合能耗和二氧化碳排放变化趋势

4.韩国浦项

(1)节能低碳措施

——环保炼铁工艺FINEXFINEX是一种直接用粉矿和非炼焦煤粉冶炼铁水的新工艺,也是流化床工艺和COREX的熔融气化炉工艺,由浦项制铁与西门子奥钢联公司合作开发。FINEX采用气基还原技术,以低成本的粉矿和煤粉为原燃料,通过多级流态化床反应器对粉矿进行直接还原,铁水质量与高炉铁水相差无几[5]。因此,该工艺可以略去钢铁生产中的焦化、烧结、球团的相关工序,降低能源及相应原料的消耗,减少碳排放,FINEX工艺相关设备的投入成本仅占同等规模高炉的80%,生产耗费资本也低于高炉[6]

──PS-BOPPS-BOP为浦项开发的新型转炉,在炼钢工艺中将废钢、直接还原铁、废钢投入炉中,通过底部注氧及煤炭和顶部吹入热空气,PS-BOP能够使废钢和DRI的装料达到50%。可以利用顶部的热空气加强转炉中一氧化碳的二次燃烧,从而充分利用废钢资源。为了进一步降低铁水比,将从转炉底部注入煤炭。通过混合使用50%的铁水和50%的废钢,PS-BOP能够将二氧化碳排放量减少45%

——环保型新产品研发及新能源利用。减轻汽车重量是提高燃油效率及减排二氧化碳最有效的途径之一,通常汽车总重量减轻10%将会使二氧化碳排放量减少5%8%。浦项钢铁优先发展拥有高附加值的产品,例如高级别电工钢、超轻型高强度汽车用钢,且高附加值产品的比例在60%以上。浦项钢铁公司也致力于重点开发能大量使用高纯度氢气作为还原剂的全氢高炉炼铁技术。

(2)节能低碳指标分析

吨钢综合能耗自2011年起连续升高至2013年达到最高值24.11GJ2014年起开始下降,同比降低了2.5%2015年持续下降,减幅为2.7%,能耗指标大幅下降。吨碳排放量整体呈现下滑趋势,2012年同比下降3.9%2013年出现小幅上涨,同比上升0.5%2014年增幅与2013年相同。2015年吨碳排放量大幅下降至1.91t,同比降低了4.5%,详见图8

8  20112015年韩国浦项吨钢综合能耗和二氧化碳排放变化趋势

三、能耗对标分析

经过上述国外典型企业的能耗指标及中国典型钢铁企业宝钢股份和武钢股份公布的数据,2015年中外典型企业吨钢综合能耗指标对比见表1

1  2015年中外主要钢铁企业能耗指标对比

序号

公司名称

2015年吨钢综合能耗/GJ·t-1(kgce·t-1)

1

世界钢协平均

20.3(693)

2

新日铁住金

23.1(789)

3

JFE钢铁

22.9(782)

4

韩国浦项

22.88(782)

5

安赛乐米塔尔

24.2(827)

6

武钢股份

17.86(610)

7

宝钢股份

17.65(603)

8

中国重点统计平均

16.74(572)

9

中国全国统计平均

16.58(566.5)

注:1GJ=34.16kgce

2015年,世界钢铁协会平均吨钢综合能耗折合标准煤693kgce/t,在分企业能耗中,安赛乐米塔尔指标最高达827kgce/t,其次是新日铁住金,能耗指标789kgce/tJFE钢铁和韩国浦项能耗指标基本相当同为782kgce/t。中国的2家企业吨钢综合能耗最低,其中武钢股份为610kgce/t,宝钢股份为603kgce/t

单纯从数值上看,似乎中国钢铁企业的平均吨钢综合能耗比世界钢铁协会会员单位平均数据要低18%,宝钢股份要比JFE和韩国浦项钢铁能耗指标要低23%,中国能耗指标应当处于世界先进水平。但实际情况是,中国和世界及各国能耗指标并不能直接对比,主要存在以下几个方面的因素:

一是中国的能源折标系数和国外的能源折标系数相差很大。首先,中外电力能源折标系数不同,中国在2005年之后,能效数据全部采用当量值计算,即1kWh=0.1229kgce;而国外仍然采用等价值折标系数,即1kWh=0.320.35kgce;仅此1项,中外能耗数据相差近百千克标准煤,中国能耗指标从电力折标系数上显得数据更低,但即使加上100kgce,中国钢铁协会数据仍比世界钢铁协会平均数值要低。

二是在比较会员之间平均单位综合能耗时,由于中国电炉钢占比较低,中国的铁钢比相对要高0.20.3,对能耗的影响是巨大的。

三是企业之间的比较也难以统一到同一口径。由于国外企业多采用集团数据,并不是单一企业数据,对于其统计范围和生产结构没有经过完整、细致的调研,其能效数据和中国单一股份企业能效数据存在很大的不可比性。

四是上述分析都是认为中外各钢铁企业和平均数据都是在数据真实情况下分析的,未考虑能源统计数据的失真情况。

综上所述,在扣除不可比因素后,中外先进钢铁企业对比结果显示国内先进企业和国外发达国家先进企业相比,中国的先进企业领先国外先进企业。中国钢铁企业平均水平和世界钢铁协会平均水平相比,中国钢铁企业平均水平也处于国际先进水平。

参考文献:

[1]王晓远,邢宏伟,田铁磊,等.微波焙烧对高磷铁矿气化脱磷的影响[J].烧结球团,201641(4).

[2]毛艳丽,曲余玲,李博,等.钢厂烟气CO2捕捉技术的开发及其应用前景分析[J]钢铁,2016(8).

[3]毛艳丽,曲余玲,李博,等.碳捕捉是更有效的低碳[N].中国冶金报,2016-09-01.

[4]廖建国.新日铁住金公司开发环保型炼焦技术[N].世界金属导报,2017-04-18.

[5]孙苏皖.气固流化床内宽粒径分布颗粒的流动特性研究[D].重庆:重庆大学,2016.

[6]浦项创新炼钢工艺发展[N].世界金属导报,2012-05-22.

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