冶金技术在钢铁工业低碳发展中的应用研究

弓永强

（忻州市生态环境局东部区域监测技术保障中心，山西 原平 034100）

制造业通常是一个国家能源消费量及二氧化碳排放量最大的行业，尤其是在发展中国家。而作为制造业支柱的钢铁业，在节能减排方面具有巨大潜力。中国的钢铁工业在过去几十年中蓬勃发展，在过去8年中一直引领着世界市场。中国粗钢产量已从2000年的9 536万t/年增长到2013年的7.82亿t/年，年增长17%~57%。然而，随着钢铁产量的不断增长，与能源消耗和碳排放相关的问题也相继涌现。

1 背景简介

作为一个典型的联合加工行业，钢铁的整个制造过程都是碳密集型的，这使钢铁工业的碳排放成为世界上主要的温室气体来源之一。据统计，该行业的全球碳排放量约占总人为排放量的50%，而在中国，此排放量占12%以上[1]。中国的二氧化碳排放量占全球金属工业总排放量的51%。相比之下，欧盟贡献了12%，而日本、俄罗斯和美国分别贡献了8%、7%和5%。所有其他国家的排放量占全球金属工业排放量的17%。

1995年—2012年，中国钢铁工业的生产能源消耗总量有所下降。然而，尽管能源消耗下降了40.62%，但这一数字仍与其他国家实现的减排效果有着很大差距。1999年中国的所有排放指数均高于发达国家。然而，随着节能减排措施的实施，中国能源消耗在2013年之前大幅下降。尽管中国的排放量在各个时间点上并不相等[2-3]。我们估计，中国的能源管理大约落后于发达国家10年。

2 SD模型及碳流分析

考虑到缺乏连续的系列数据支持以及冶金系统的复杂性，本研究选择了两种方法：系统动力学模型和碳流分析，并将前者应用于生产过程的模拟，后者用于跟踪系统内的碳足迹。这两种方法都可以有效地解决与可用数据不足相关的任何问题。

2.1 系统动力学模型

本研究采用系统动力学方法模拟钢铁生产过程中的碳活度，并考虑时间节点。

SD（系统动力学）是一种经典的系统方法，最初由麻省理工学院的Jay教授于1956年提出。SD采用的基本机制基于系统行为和内部关系之间的相互依赖。此外，求解过程需要建立和操作数学模型。系统中的因果关系称为SD的“结构”。本研究中构成SD模型结构的主要元素包括流量、水平、速率和辅助等项目。

模型中的每个变量都具有实际的物理意义。SD模型的另一个重要特性是其允许反馈控制。反馈控制是指将信息输出发送回输入的过程，以使用过去的状态来指导当前和未来的状态，将输出与输入进行比较并进行定义偏差。控制系统中存在两种不同类型的反馈，即负反馈和正反馈。如果返回信号对输入产生抑制作用，则将其视为负反馈回路，可用于稳定系统。如果返回的信息增强了输入，则称为正反馈，可以增强输入信号。

2.2 碳流分析

所有碳以煤的形式输入碳流模型，最终以CO2的形式排放。每个步骤的能耗水平都有所不同[4]。烧结、焦化和高炉工艺的能源成本最高，其次是轧制。相反，变频器在很大程度上实现了负能耗，这是大型公司的典型特征。如果无法将获得最新技术解决方案的小生产者考虑在内，结果可能会大相径庭。对于整个过程中的每个步骤，输入可以分为燃油和功率，燃料一般指煤、石油或天然气，而电力主要指电力能源。此外，产出以成品、回收副产品和排放物的形式出现。同时，排放物包括余热、废气、废水和固体废物。由于在可预见的未来，高炉/转炉生产方法很有可能继续成为中国金属工业的支柱，因此在本文中重点介绍其生产方法。钢铁行业的物质流和能量流如下页图1所示。

图1 典型钢铁工业中的物质流和能量流

3 数据和变量

3.1 建模

数据分析分为两个阶段：关系构建和模拟。首先基于碳流分析提取了钢铁制造过程中碳转移足迹的有用信息，同时对他们间关系进行了量化描述；然后提出了一个SD模型来说明生产系统。最后进行情景分析，以找到中国钢铁行业低碳生产的最佳模式。

本研究的数据来源包括过去四年（2010—2013年）中国最大钢铁公司之一（每年超过1 000万t粗钢）的能源平衡表、《中国钢铁工业年鉴》（1995—2013年）以及从四家不同钢铁企业收集的问卷调查。

系统中的所有碳都以燃料的形式输入，然后转化为热量和气体，包括COG、BFG和LDG。所有输入的燃料都可以被回收利用。此外，该过程产生的二氧化碳是钢铁生产过程中产生的主要排放物。

重点关注生产过程中的五个主要步骤，并使用P1—P5来表示这五个步骤：P1=焦化，P2=烧结，P3=炼铁，P4=吹炼，P5=轧制。每个过程都有自己的输入和输出。输入流主要由燃料和再循环气体组成。输出流是转移到其他步骤的能量、气体排放和废物。在分析的基础上建立一个描述性仿真模型，如图2所示。

图2 仿真系统的结构

3.2 模型验证

对建立好的模型进行验证。使用2010年的数据作为初始集，2011年—2013年的数据作为测试集来评估模型。

1）使用2010年的实际值设置所有参数，这包括当时确定的15项技术、粗钢生产水平和天然气回收率等指标。

2）进行一次模拟，并计算2011—2013年的相关数值。

3）对数据进行比较。相关参数的平均偏差为0.787%，2013年最大偏差为5.5%。该模型旨在描述能源使用和排放的趋势，因此分析认为偏差在10%以内是可以接受的。根据测试结果，该模型通过了验证，因此可值得信任。

4 结论

1）增加电弧炉用钢可有效实现节能减排目标。

2）由于中国废钢价格高、库存低，推广高效技术（高炉除湿器节能、TRT（高炉顶部燃气回收涡轮机组）、BFC干式除尘技术、高炉喷煤技术、高炉煤气喷射技术和DRI）以及循环经济的发展是减少碳排放最可行和有效的方法，并基于研究结果，制定冶金行业碳控制的长期路线图。

3）在不久的将来，中国钢铁工业的主要任务是应用有效的节能技术，促进合理化进程发展，并在金属行业发展循环经济。