钢铁企业低碳技术评价选择与应用

李 庄，许友静，易文杰，黄 懿，刘兴旺*，李 翔

1. 湖南省生态环境事务中心，湖南 长沙 410014

2. 湘潭大学环境与资源学院，湖南 湘潭 411105

3. 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2020 年9 月22 日，我国在第75 届联合国大会一般性辩论上提出了“双碳”目标，即2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和. 钢铁行业作为我国重要的能源密集型行业，2020 年粗钢产量达到10.65×108t，首次突破了10×108t 大关，占全球粗钢总产量的56.76%，是全球较大的粗钢生产国及消费国[1-2].此外，我国钢铁工业的能源消耗以煤炭和焦炭为主，占钢铁工业能源消耗的89.18%[3-4]，这使得钢铁行业成为我国CO2排放的主要行业，约占全国CO2排放量的15%[5-9]，是仅次于电力行业的第二大碳排放大户. 作为高耗能、高排放的钢铁行业[10]，其发展越来越受到能源和环境的制约. 为了促进钢铁行业的节能和绿色低碳发展，我国出台了多项政策，例如，2014年发布《国家应对气候变化计划(2014—2020 年)》，要求制定钢铁行业的温室气体排放标准；2017 年发布的《国家重点节能低碳技术推广目录》指出，有必要在钢铁行业中引进先进的生产技术；2022 年2 月11 日，国家发展和改革委员会发布的《钢铁行业节能降碳改造升级实施指南》指出，要加强先进技术攻关，加快成熟绿色低碳技术的普及. 因此，大力发展钢铁行业低碳技术，推动低碳技术的广泛应用，是钢铁行业实现低碳绿色发展的有效途径.

目前，为了大力推广和普及节能低碳技术，工业和信息化部(MIIT)发布了先进适用的钢铁行业节能减排技术指南和应用案例，为先进技术的应用和安装提供指导[11]. 同时，也有学者对钢铁行业的低碳技术应用潜力进行研究，如Wu 等[12]选择钢铁行业的24项技术进行研究，结果显示，若上述技术皆得到运用，可以减少钢铁行业291.1×106t CO2排放量；Li 等[13]选择了41 项广泛使用或推广的节能技术，收集了它们的投资、运行成本、节能量和CO2排放量，发现节能减排技术的应用将实现4.63 GJ/t 的节能贡献和443.21 kg/t 的CO2减排贡献. 李新等[14]考虑钢铁行业节能减排技术，对京津冀地区钢铁行业规模/技术减排进行分析，至2030 年规模/技术减排可以减少19.41×107t CO2排放. 显然，发展和推广低碳技术对钢铁行业实现碳达峰、碳中和具有较大的潜力，而如何评价钢铁行业低碳技术水平则是基础.

已有学者对钢铁行业低碳技术的研究基本上集中在碳减排成本及潜力上，而对低碳技术综合评价方面的研究较少. 因此，通过对钢铁行业碳排放源及低碳技术应用环节进行分析，遴选出适合钢铁行业发展的低碳技术，形成钢铁行业低碳技术清单，并建立一套符合钢铁企业低碳技术水平评价的综合评价体系是必要的. 该研究以湖南省为例，对湖南省钢铁企业已应用的低碳技术进行评价，揭示了各项技术减排优先顺序，为湖南省钢铁行业减排路径优化提供有效支撑，以期为管理部门提供政策支持，为企业低碳技术的选择提供技术支持.

1 钢铁行业低碳技术分类及其应用环节

1.1 低碳技术分类

从钢铁行业使用的低碳技术来看，低碳技术可以分为4 种：①原材料替代技术，包括高炉喷吹废塑料技术、核电氢化炼钢技术、生物质碳使用技术、以氢代煤技术等；②流程减碳类技术，包括焦炉上升管荒煤气余热利用技术、烧结烟气选择性循环净化与余热利用技术、高温高压干熄焦装置、烧结余热发电技术、转炉煤气干法回收技术、加热炉黑体强化辐射节能技术等；③固废综合利用技术，包括烟气磁化熔融炉处理钢铁尘泥及有价元素回收技术、蓄热式转底炉处理冶金粉尘回收铁锌技术；④储碳类技术，如CO2碳捕集和存储技术(CCS).

1.2 钢铁行业低碳技术应用环节

《温室气体排放核算与报告要求第五部分：钢铁生产企业》指出，钢铁生产过程中碳排放的来源主要有四个部分，包括化石燃料燃烧排放、过程排放、净购入电力热力排放、固碳产生隐含的排放，其中主要源是化石燃料的燃烧. 文旭林等[15]对长流程钢铁厂的研究发现，燃料燃烧排放约占总排放量的94%，过程排放约占总排放量的6%，净购入电力热力排放和固碳产生隐含的排放各占总排放量的4%左右.

从钢铁生产的各工序来看，烧结工序的主要CO2排放是由烧结原料中燃料燃烧、点火煤气燃烧引起的，球团工序的CO2产生主要是球团矿焙烧，焦化工序CO2来源于洗精煤、加热用燃料燃烧，炼铁工序主要是在铁水脱碳过程中会产生CO2. 炼钢过程中铁水中的碳会氧化成CO2排放到大气中，轧钢在热处理消耗燃料的过程中会产生CO2. 在整个工序中CO2主要来自高炉中煤和焦炭与铁矿石的化学反应，焦化、烧结及高炉炼铁工序组成的炼铁系统碳排放量占总排放量的89.5%，其中高炉炼铁碳排放量占总流程的73.6%[16]，CO2排放量最大(见图1)，其次是烧结. 因此，钢铁行业减少碳排放量的主要任务应放在高炉炼铁过程的减排上[17].

图 1 传统(长流程)钢铁生产流程不同工序CO2 排放源分布Fig.1 Distribution of CO2 emission sources in different processes of traditional (long process) steel production process

随着钢铁行业低碳技术的不断发展，我国于2014—2018 年相继发布了《国家重点推广的低碳技术目录》(第一批)、《国家重点推广的低碳技术目录》(第二批)、《国家重点节能低碳技术推广目录》(1～4 批)，积极推广先进适用的技术，深挖降碳潜力. 国外在低碳技术上的发展较为前沿，如日本的COURSE50 项目、欧洲的超低CO2炼钢项目(ULCOS)、瑞 典的HYBRIT 项 目、 德 国 的Carbon2Chem 和SALCOS 项目，美国熔融氧化物电解和氢气闪速熔炼项目等[18-20]. 该研究总结了国内外低碳技术发展情况，从焦化、烧结、高炉炼铁、转炉/电炉炼钢和轧钢环节整理筛选出了钢铁行业低碳技术清单(见表1).

表 1 钢铁行业低碳技术清单Table 1 List of low-carbon technologies in iron and steel industry

续表 1

2 钢铁企业低碳技术评价指标体系及方法

2.1 钢铁企业低碳技术评价指标体系

钢铁企业低碳技术评价指标包括定性指标和定量指标两个部分，该研究遵循全面性、科学性、可操作性原则，首先参考学者技术评价相关文献[21-24]，结合温室气体排放核算方法与报告指南，考虑钢铁企业CO2排放的特点，对低碳技术选择影响因素进行细化，然后进行实地调研，采用Delphi 法征询专家意见，建立了具有钢铁企业自身特点的低碳技术评价指标体系[25](见图2). 钢铁企业低碳技术评价指标由若干个一级指标和二级指标组成，从技术、经济、低碳效果3 个角度进行全面的分析和评价.

图 2 钢铁企业低碳技术评价指标体系Fig.2 Selection and evaluation index system of low-carbon technologies in iron and steel industry

2.2 钢铁企业低碳技术评价方法

2.2.1 指标基准值的确定

基于定性指标与定量指标相结合的指标体系，为方便计算每个钢铁行业低碳技术水平，所以采用对每个指标进行基础分赋值的方式实现归一化. 该研究采用百分制来评估一级、二级指标，10 分为一个梯度，共分为4 个梯度：60 分、70 分、80 分和90 分. 该研究通过对钢铁企业进行现场调研及专家问卷所得到的数据，计算得出低碳技术(除最大值)数值的平均值作为定量指标的基准值，根据基准值的1/4、1/2、3/4得出低碳技术的基础分. 例如，碳减排总量取值越大，分值越高，以钢铁企业低碳技术的碳减排总量的平均值为基准值，设为90 分，碳减排总量达到基准值的3/4 设为80 分，达到基准值的1/2 设为70 分，达到基准值的1/4 设为60 分；投资成本取值越大、分值越低，以钢铁企业低碳技术投资成本的平均值为基准值，设为60 分，投资成本达到基准值的3/4 设为70 分，达到基准值的1/2 设为80 分，达到基准值的1/4 设为90 分. 在对各项技术定性指标的描述中，定义分值均是从60～100 分依次递增，定性指标主要是通过专家打分获得.

2.2.2 指标权重的确定

层次分析法是一种简单的任意计算原理，是分配权重以比较其他参数/备选方案的标准工具. 层次分析法为决策、评级和优先排序问题提供了一个强大的模型[26]. 该研究采用层次分析法来确定钢铁企业低碳技术指标权重. 通过邀请15 位钢铁行业环保低碳领域的专家对各指标因素两两比较重要性，再由1～9标度法(见表2)确定判断矩阵，计算出特征向量，进而进行总排序，辅助进行决策.

指标权重确定的步骤：①构建评价结构. 通过上述已建立的指标体系结构，确定指标的层次和归属关系，将指标体系的一级、二级指标分别以A、B 表示. ②构造判断矩阵. 专家凭借丰富的工作经验和工作实际进行各二级指标的两两重要性判断，并打分得到判断矩阵A〔A=(aij)n×n〕. ③判断矩阵归一化. 方根法(归一化方法多种，此处只以其中一种进行说明)，即首先计算判断矩阵每一行元素乘积Mi，然后计算Mi的n次方根，并求出，最后归一化处理得到特征根〔Wi=，其中W=(W1,W2,...，Wn)T〕 .④进行一致性检验. 首先近似计算最大特征根λmax，其中，然后进行一致性检验，即CI=(λmax-n)/(n-1)，CR=CI/RI，求得一致性比率比例CR 的值. 当CR＜0.1 时，可判断矩阵A具有一致性，则W1,W2, …,Wn为指标权重. 当CR＞0.1 时，应重新调整矩阵，直到CR＜0.1. 式中的n代表判断矩阵的阶数，RI 为平均随机一致性指标，其值根据表3 确定.

该研究在实际运算过程中使用Yaahp 软件，选择判断矩阵集结、平均权重的算法对权重进行计算. 计算结果如表4 所示.

表 2 1～9 标度方法的描述Table 2 Description of the 1-9 scale method

表 3 平均随机一致性指标(RI)Table 3 Average random consistency index (RI) values

表 4 钢铁企业低碳技术评价指标权重的计算结果Table 4 Calculation results of low carbon technology evaluation index weight of iron and steel enterprises

综上，由确定的基准值判断低碳技术在二级指标上的基础分，记为S′，将基础分乘以各自的权重W′后相加得到相应的一级指标的得分，记为S，再将各一级指标得分乘以相应的权重W并求和，得出低碳技术的综合得分，用符号H表示，计算公式：

式中，H为低碳技术的综合得分，W′为各项二级指标的权重，W为各项一级指标的权重，S′为低碳技术在二级指标上的基础分，S为相应一级指标的得分.

3 案例分析—湖南省钢铁企业低碳技术评价

3.1 湖南省钢铁企业概况

湖南省主要有湖南华菱钢铁集团有限责任公司(简称“华菱集团”)和冷水江钢铁有限责任公司(简称“冷钢”)两大钢铁企业，其中华菱集团下辖子公司衡阳华菱钢管有限公司(简称“衡钢”)、湖南华菱涟源钢铁有限公司(简称“涟钢”)、湘潭钢铁集团有限公司(简称“湘钢”). 2020 年华菱集团(含省外生产基地)生产生铁2 109×104t、粗钢2 678×104t、钢材2 516×104t，钢铁产品覆盖无缝钢管、冷热轧薄板、宽厚板、线棒材等十大类7 000 多个规格系列. 冷钢2020 年 生 产 生 铁289×104t、粗 钢298×104t、钢 材299×104t，产品主要有棒线材和中宽带.

湖南省钢铁企业是湖南省碳排放大户，CO2排放量基本上在200×104t CO2当量以上，其中湘钢在2019 年CO2排放总量为1 374×104t (见图3)，居湖南省钢铁企业第一. 因此，选取了湖南省衡钢、冷钢、涟钢、湘钢4 家企业进行调研，共收集到了13 项企业已应用的低碳技术.

图 3 2019 年湖南省钢铁企业CO2 排放量Fig.3 CO2 emissions from steel companies in Hunan Province in 2019

3.2 湖南省钢铁企业低碳技术基础分计算

采用Delphi 法，由专家对指标体系的二级指标进行赋值，需要注意的是，定性定量指标的赋值都是与具体的技术有关，其中定量指标是确定的具体技术数值，定量指标通过对各项技术数值(去除最大值)求取平均值，以平均值为基准值，计算出各指标下的各基础分值对应的具体基准值(见表5). 以投资成本为例，湖南省钢铁企业各项低碳技术的投资成本平均值为4 155×104元，则二级指标投资成本基础分为60分时对应的基准值为4 155.78×104元，基础分为70分时对应的基准值为3 116.84×104元，基础分为80分时对应的基准值为2 077.89×104元，基础分为90分时对应的基准值为1 038.95×104元. 然后根据基础分判定的标准，得出各项技术在二级指标上的基础分，若是正向指标，则大于平均值赋90 分，在平均值的3/4～1 之间赋80 分，在平均值的1/2～3/4 之间赋70 分，在平均值的1/4～1/2 之间赋60 分；若是负向指标，则大于平均值赋60 分，在平均值的3/4～1 之间赋70 分，在平均值的3/4～1/2 之间赋80 分，在平均值的1/2～1/4 之间赋90 分.

表 5 指标对应的基准值Table 5 Benchmark values corresponding to indicators

3.3 案例结果与讨论

根据3.3.2 节得出的13 项技术基础分，结合二级指标权重，计算得出各项技术在二级指标上的得分情况(见表6). 由表6 可知，若只评价年碳减排效果，焦炉上升管荒煤气余热利用技术、废钢循环利用技术、富含一氧化碳的气态二次能源综合利用技术、加热炉黑体强化辐射节能技术的碳减排总量较大，且在二级指标上的得分较高，在未来湖南省实现碳中和、碳达峰目标中是值得大力推广的低碳技术. 若只评价技术的投资成本、成熟度和普适性，目前湖南省仍然是以余热余压利用等节能技术为主，而碳储存、碳利用技术以及智能化炼钢技术目前的投资成本较大，并且存在着个别的技术问题，在钢铁企业技术应用上较少.

表 6 13 项低碳技术在各项二级指标上的得分情况Table 6 Scores of 13 low carbon technologies on each secondary indicator

由表7 可知，湖南省13 个钢铁企业低碳技术综合评价得分在70～85 分之间，80 分以上的占比为23.1%，75～80 分的占比为38.5%，70～75 分的占比为38.5%. 其中高炉煤气余压透平发电装置、废钢循环利用技术的得分较高. 多项研究[27-29]亦表明：高炉煤气余压透平发电装置技术在钢铁行业技术应用上属于成熟的技术且已基本普及；加大废钢资源利用，是钢铁行业实现碳达峰且有效降碳的重要途径.

表 7 钢铁企业低碳技术评价的排名情况Table 7 Evaluation ranking of low-carbon technologies in iron and steel industry

该研究发现，湖南省钢铁低碳技术还是以过程控制技术类别占主导位置，如得分较高的高炉煤气余压透平发电装置、烧结烟气选择性循环净化与余热利用技术、烧结余热发电技术等. 全过程管控及储碳类技术如智能化炼钢技术、富含一氧化碳的气态二次能源综合利用技术得分较低，目前智能化炼钢技术只有湘钢已实现，富含一氧化碳的气态二次能源综合利用技术只有衡钢已应用. 原材料替代类的技术如氢冶炼技术、高炉喷吹废塑料技术在湖南省内基本没有应用，而在未来，改变钢铁行业能源结构，是实现绿色钢铁生产的关键路径[30].

4 结论与建议

4.1 结论

a) 根据各项技术在二级指标上的得分显示：以年碳减排总量为目标，废钢循环利用技术、富含一氧化碳的气态二次能源综合利用技术、加热炉黑体强化辐射节能技术年碳减排总量较大且在二级指标上的得分较高，在湖南省钢铁企业实现降碳过程中值得大力推广；以技术投资成本、成熟度、普适性和二次能源回收利用率为目标，得分较高的是余热余压利用等节能技术，目前湖南省钢铁企业仍然以余热余压利用等节能技术为主，可大大降低能源的损耗.

b) 基于钢铁企业低碳技术的综合评价结果，高炉煤气余压透平发电装置、废钢循环利用技术得分较高，分别为83.129、82.982 分；智能化炼钢技术、富含一氧化碳的气态二次能源综合利用技术得分较低，分别为74.040、72.991 分；处于中等水平的技术基本上属于余热余压利用等节能技术.

4.2 建议

a) 加快余热余压利用等成熟节能技术的普及推广，提升自发电比例，降低能源直接消耗. 积极推广钢铁企业烧结烟气选择性循环净化与余热利用、焦炉上升管荒煤气余热利用、高炉冲渣余热利用、烧结余热发电技术等尚未普及且节能效果好的余热余压回收技术，高炉煤气余压透平发电装置在我国钢铁企业基本已普及，但仍需进一步加大推广. 通过提高余热和剩余能源资源的深度利用，减少对电力的需求，实现节能减排目标的快速推进和企业能源成本的有效降低. 同时，加大技术创新，鼓励电炉、转炉等复杂条件下技术装备的研发.

b) 进一步提高废钢比. 积极采用废钢循环利用技术，如果在高炉/转炉(BF/BOF)工艺中采取相应的技术措施，提高废钢比，降低铁钢比，钢铁工业的CO2排放总量可以大大降低. 然而如果采用纯废钢电弧炉炼铁工艺，比高炉/转炉(BF/BOF)工艺降碳空间更大.

c) 提升钢铁企业智能化水平，缓解减排压力. 积极引入5G、人工智能、互联网等新一代信息技术在钢铁工业中的运用，推动钢铁企业在能源管理、生产工艺上的数字化、智能化的发展，减少能耗，缓解减排压力.