基于中国能流解析的钢铁工业终端节能重要性和潜力研究

蒋滨繁 夏德宏 陈映君

(1．北京科技大学能源与环境工程学院， 2．冶金工业节能减排北京市重点实验室)

2019年，我国能源消费总量48.75亿tce，比改革开放初期增加了709%[1-2]；全国CO2排放量超过100亿t，占全球排放的四分之一以上[3]。目前，我国能源缺口增大至9亿tce/a，石油、天然气对外依存度分别高达73%和43%[1]，严重威胁我国能源安全。

节能是“第一能源”逐渐成为全球共识。美国将先进能源与工业能效技术作为国家发展的十大关键技术之一[4]；欧盟高度重视节能和能效提高，在保证经济增长的同时，预计2050年能源消费量比2005年下降32%～41%[5]；日本大力推进全社会节能，是目前世界上人均能耗最低的发达国家[6]。2014年我国提出“能源革命”国家战略，强调坚持节能优先方针；2020年我国向全世界做出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的庄严承诺。面对严峻的能源安全和CO2排放压力，亟需创新节能减“碳”技术，促进能效提升和环境可持续发展[5]。

我国是制造业大国，钢铁等原材料产品产量位居世界之首。目前，工业能耗占我国总能耗的66%[1-2]；工业CO2排放占全国总CO2排放的80%[7]。钢铁生产是典型的高耗能、高排放流程工业，其主要用能装备平均效率不足40%，且存在工艺链长、余能利用率低、CO2排放量大等问题[8-9]。2020年，我国单位GDP能耗约为0.5 tce/万元，工业领域为0.97 tce/万元，比世界平均工业单位GDP能耗高50%，是美国、日本等发达国家工业单位GDP能耗的2倍左右[10]，具有极大的提升潜力。

倪维斗院士团队研究了全国及北京、广州等主要经济圈能源消费结构[11-12]，建立了基于能流图和LMDI(第一类迪维萨指数对数平均)的区域能源消费分解方法，为能源总量控制和结构优化奠定了基础[13]。钢铁工业是终端用能大户，亦是节能降耗的突破口。围绕钢铁工业节能减排迫切需求，张春霞教授团队对比了中美钢铁工业的能效[14]，提出了不同国家钢铁工业能源效率对标方法，中国钢铁工业的平均能源强度要比美国高约24.30 kgce/t，而重点钢铁企业能源强度要比美国钢铁工业低约59.70 kgce/t，结果表明中国重点钢铁企业节能技术的研发已处于国际先进地位，但有待全面推广和应用，并以此为基础研究了中国钢铁工业绿色发展战略[15]。蔡九菊教授团队研究了自改革开放以来我国吨钢综合能耗的变化，通过分析钢铁工业的节能潜力，指出科学地配置、使用和管理能源将是未来15年节能理论和技术发展的关键[16]。张琦等人研究了在不同情景下我国钢铁工业节能减排的潜力及能效提升途径[17]，分析了目前中国钢铁工业的节能减排进展及不足，通过构建基于35项重点节能减排技术的能源消耗与CO2排放模型，预测了2050年的中国钢铁工业节能减排潜力及其影响因素；以钢铁工业从单体设备节能、工序优化节能到系统节能的技术发展进程，并以此为基础阐述了系统节能的内涵及未来发展方向，包括工序与界面协同匹配、物质流与能量流耦合和构建工业生态链接体系等[18]。

以上述研究为基础，文章通过进一步分析我国能流特征，阐明了钢铁行业终端节能的重要性。首先，采用“节能效益杠杆率”量化评估了终端节能对缓解能源源头供给压力的效益放大作用；而后，剖析了作为终端用能大户的钢铁工业自改革开放以来取得的节能减排成就；通过解分析钢铁生产过程的理论能耗，预测了钢铁行业的极限节能减“碳”潜力。

1 我国能源流向特征

能源具有煤、油、气、电等多种形式，不同能源实物量的计量单位不同。为了分析我国能源生产、消费及其流向特征，以下计算均将不同能源折算成标准煤当量进行。能源的可利用总量(含生产量、进口量和出口量)等于能源消费量(含终端可用量和损失量)：

Eprod+Eimp-Eexp=Econ+Eloss

(1)

式中：Eprod为能源生产量；Eimp为能源进口量；Eexp为能源出口量；Econ为能源消费量；Eloss为能源损失量。

能源生产侧，生产总量为不同一次能源生产量之和：

(2)

式中：i为能源类型，即原煤、原油、天然气、水电、核电、风电、太阳能、其它。能源消费侧，消费总量为不同产业能源消费量之和：

(3)

式中：j为产业类型，即农林牧渔业、工业和建筑业、第三产业。

能源终端消费之前，需经开采、加工转化、输送等过程，每一道工序都存在不可避免的能量消耗或损失。开采过程中，单位标准煤的煤炭、石油、天然气等能源所需的开采能耗(ei)为：

(4)

加工转化过程中，单位标准煤的能源发电、炼焦、炼油等转化损失(ci,x)为：

(5)

输送过程中，单位标准煤的能源损失(τi)为：

(6)

图1 2019年我国能源流向

能源损失总量(Eloss)为开采损失、转化损失与输送损失之和：

(7)

能源总体转化效率(ηtotal)为：

(8)

图1为2019年我国能源流向图[1-2]。左侧为能源供给总量，包括本地生产和外购量；中间为能源转化过程，发电、炼焦、炼油的转化效率分别为45.5%、92.4%、95.6%[2]；右侧为能源终端消费量(含损失)，终端可利用总量为35亿tce(总体转化效率72%)，工业和建筑业占67%、第三产业占31%、农林牧渔业占2%。能源终端消费结构中，农林牧渔业和第三产业均以油品为主，工业及建筑业则以煤炭为主。

工业是我国最大的终端用能产业，每年能源消费量占终端消费总量的52%，CO2排放量占终端CO2排放的77%。钢铁生产每年的能耗约7亿tce/a，占流程工业终端能耗39%；CO2排放量约16亿t/a，占终端CO2排放24%。因此，钢铁行业应作为节能减“碳”的首要突破口。

图1显示，能源从源头产生到终端消费经历了开采、转化、运输等中间过程。因而，突破能源瓶颈的关键：一是提高能源加工转化效率，减少能源转化损失；二是提高用能终端能效水平，减少能源转化需求量。相比于提高转化效率，提升终端用能效率不仅可直接减少能源终端消费量，更可进一步减少能源在开采、转化和输送过程的投入与损失。终端节能对缓解能源源头供给压力具有效益放大的“杠杆作用”，由节能效益杠杆率定量表述为：

(9)

式(9)表明节能效益杠杆率是一个大于1的常数，该数值越大，终端节能效益越显著。根据《中国能源统计年鉴》，获得1995-2020年我国能源终端消费统计数据[2]；根据《中国2060年前碳中和研究报告》，获得2021-2060年能源终端消费的预测数据[19]；基于上述能源终端消费数据，采用公式(4)～(9)计算获得1995-2060年用能终端的节能效益杠杆率，如图2所示。

2000年加入世贸组织以来，经济的快速发展催生了巨大的用能需求。2020年我国终端用能量约为35亿tce，其中煤炭、石油、天然气分别占35%、25%、10%，电力占25%，可再生等新能源不足3%。1995-2020年，终端节能效益杠杆率在1.3～1.4范围内缓慢上升。随着用能水平的提升，我国将进入绿色低碳的高质量发展阶段。根据《中国2060年前碳中和研究报告》预测[19]，在保持经济增长和社会和谐稳定的同时，终端用能量将于2030年达到峰值(约40亿tce)，并在2060年逐步下降至30亿tce。

图2 1995-2060年我国能源终端消费结构及节能效益杠杆率

在“碳达峰、碳中和”的强力碳约束下，化石能源在终端的占比将持续下降，预计2030年和2060年分别降低至55%和10%，随之产生的能源缺口将由新能源等清洁能源补充。2060年，新能源、电力在我国终端用能中的占比将分别上升至30%、60%[19]。届时，除少数以碳氢化合物为原料的工业过程以外，电力将成为全社会终端用能的主要载体。图2为终端能源消费结构，未来终端用能中的电力也几乎全部来自新能源。因此，2060年，实际上我国90%的能源需求都将由新能源满足；电力在终端的高比例使用，将使终端节能效益杠杆率超过1.8。2060年以后，随着电力在终端占比继续增加，节能杠杆率将有望突破2。未来终端节能将真正产生效益“倍增”的杠杆作用。作为终端能源消费和CO2排放大户，钢铁等流程工业节能将持续成为我国绿色低碳发展的最优选择。

2 钢铁行业节能减碳成就与未来潜力

2.1 钢铁行业能耗变化与CO2排放特征

钢铁行业是我国终端用能大户，其能耗约占我国占工业终端能耗的39%，是节能减“碳”的首要突破口。改革开放以来，我国钢铁工业迅猛发展。随着转炉和连铸炼钢替代平炉和模铸、短流程电炉炼钢、高炉喷煤、高温烟气/散料/熔渣余热回收等技术的应用和节能管理[20-21]，吨钢综合能耗从1980年2.52 tce/t降低至2020年0.552 tce/t，促使粗钢产量呈指数增长，如图3所示[17，22-23]。2020年，我国粗钢产量超过10亿t/a，与1980年相比吨钢综合能耗下降78%，相当于一年节省了约20亿tce。钢铁生产过程的CO2排放主要来自于以煤炭、油气等化石燃料的燃烧过程，主要化学反应式如式(10)所示。完全燃烧后，化石燃料中的C元素将全部转化为CO2，造成严重的碳排放。因此，钢铁行业节能即降碳。尽管改革开放以来，钢铁行业节能降碳已取得了长足进步，但目前其能源利用效率仍然偏低，具有进一步提升潜力。

(10)

图3 我国粗钢产量与吨钢综合能耗变化

2.2 钢铁长流程极限节能与CO2减排潜力

以高炉为核心的传统长流程是我国钢铁冶炼的主要工艺，主要包括烧结、球团、焦化、高炉炼铁、转炉炼钢等工序。文章通过分析各工序物理化学过程，结合表1中相关参数计算理论吨钢综合能耗最小值，从而估计钢铁行业节能与CO2减排的极限潜力。

(1)烧结/球团

烧结和球团都是粉矿造块的重要方法。其核心是将含铁原料、石灰石/菱镁石(熔剂)、燃料等磨粉配料，再通过加热(约1 300 ℃)使粉末原料部分熔融从而紧密粘结，获得物理、机械性能达标的烧结矿/球团矿。烧结、球团过程的能耗主要用于加热原料显热上升和石灰石/菱镁石分解热等。计算得出烧结、球团过程的理论单位产品能耗分别为32.7 kgce/t(烧结矿)、22.0 kgce/t(球团矿)。

表1 理论能耗计算相关参数

(2)焦化

焦化是指炼焦煤在隔绝空气的条件下加热到1 000℃左右(高温干馏)，通过热分解和结焦去除挥发分，并产生焦炭、焦炉煤气和其他炼焦化学产品的工艺过程。该过程能耗主要用于炼焦煤显热上升和煤热解等。计算得出焦化过程的理论单位产品能耗为57.5 kgce/t(焦炭)。

(3)高炉炼铁

高炉炼铁是将焦炭、含铁矿石(烧结矿、球团矿及天然富块矿)等原料在高炉内高温还原生成单质铁的过程。该过程的能耗主要用于原料显热上升、铁矿还原反应等。铁矿石中铁氧化物有Fe3O4、Fe2O3、FeO等多种形式，使得铁的还原反应具有多条路径。尽管如此，铁矿石被还原成单质铁的本质实际就是铁氧键断裂。因此，用单位摩尔铁氧键断键所需的能量估计铁矿石还原成为单质铁的最低理论能耗，得出炼铁过程的理论单位产品能耗为150.9 kgce/t(铁水)。

(4)转炉炼钢

转炉炼钢是以铁水、废钢等为主要原料，通过吹氧调节C、Si等铁水中微量元素含量，产出钢水。该过程无需外加能源，依靠铁水本身的物理热和铁水中C、Si等氧化反应放热完成。实际生产过程中，产生的转炉煤气可作为能源向外输出，因此目前大多数钢铁企业都已实现“负能炼钢”，吨钢综合能耗约为-30～-10 kgce/t。例如，2020年，全国规模以上钢铁企业转炉炼钢平均能耗约为-15 kgce/t[17]。

根据上述计算得出的钢铁厂流程各个工序的理论最低能耗，并与2020年我国规模以上钢铁企业各工序实际平均能耗相对比[17，28]，如表2所示。其中，由于目前传统长流程中转炉炼钢无须额外输入能量，因此未对转炉炼钢的理论能耗进行估计。烧结、球团、焦化、炼铁过程的理论单位产品能耗分别为32.7 kgce/t(烧结矿)、20.0 kgce/t(球团矿)、57.5 kgce/t(焦炭)、150.9 kgce/t(铁水)。以理论能耗与实际能耗的比值表征能源有效利用率，则烧结、球团、焦化、炼铁过程的能效分别为67%、81%、56%、39%。

表2 我国规模以上钢铁企业各工序实际平均能耗与理论能耗对比 kgce/t

将各工序的吨产品能耗转化为吨钢能耗，即烧结、球团、焦化、炼铁的理论吨钢能耗分别为35.5 kgce/t、3.8 kgce/t、19.6 kgce/t、139.2 kgce/t，从而预测全流程的理论吨钢综合能耗。由于转炉工序为“负能炼钢”，无额外能量输入，假设其理论能耗与实际能耗相同(-15 kgce/t[17])，预测得出长流程炼钢的极限最低理论吨钢可比能耗为183.1 kgce/t。与2020年相比，实际吨钢可比能耗约为490 kgce/t[28]，总体能源利用效率约为37.4%。以2020年粗钢产量10亿t/a计算，则钢铁行业每年还具有约3亿tce/a的节能潜力。并且，钢铁工业为典型的终端用能部门，考虑到终端节能1.4倍的杠杆效益，相当于可缓解4.2亿tce/a的能源源头供给压力、CO2减排10.9亿t/a。

3 结论与展望

(1)我国能流特征分析表明钢铁工业终端节能是我国节能减“碳”的首要突破口。终端节能可有效减少能源在开采、加工/转化等中间过程的损耗，对缓解能源源头供给压力具有效益放大的“杠杆作用”。目前，终端节能效益杠杆率约为1.4；随着电力在能源终端消费结构占比的上升，终端节能的杠杆效应将与日俱增：节能效益杠杆率在2060年将达到1.8。

(2)钢铁工业是终端用能和CO2排放大户，其能耗占终端用能量的39%，CO2排放占终端CO2排放的24%。改革开放以来，钢铁产量持续上升、单位产品能耗显著下降，2020年吨钢综合能耗与1980年相比下降78%，取得了卓有成效的节能和CO2减排效果。

(3)理论计算显示目前钢铁长流程能源利用效率为37.4%，仍具有进一步节能降“碳”潜力。以2020年粗钢产量10亿t/a计算，钢铁行业每年终端节能潜力达3亿tce/a，相当于可缓解4.2亿tce/a的能源源头供给压力(以目前杠杆率1.4计算)、减排CO210.9亿t/a。