低碳经济和中国钢铁工业节能减排.pdf

辛 综 述 工 业 加 热 第 3 9 卷 2 0 1 0 年 第 4 期 d oi ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 1 6 3 9 2 0 1 0 0 4 0 0 1 低碳经济和 中国钢铁工业节能减排 李士琦 ，吴 龙 ，纪志军 ，陈海勇2 ( 1 北京科技大学冶金 与生态工程学 院，北 京1 0 0 0 8 3 ；2 北京艾思科技有 限公司，北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：全球气候变暖，引起了世界各国的重视，世界各主要经济体将低碳经济作为战略性选择，加快开发新能 源，控制温室气体排放 。近年来，我国钢铁工业节能减排工作不断的进步，但能源供应对钢铁工业发展的约束 却 日益显著。做好节能减排工作需从节能减排技术和管理两个方面人手，一方面要推广应用 c dq ( 干熄焦) 、 t r t( 高炉余压发电)等节能技术；另一方面坚决贯彻国家宏观调控政策，加快建设能源管控中心，共同促进我 国钢铁工业节能减排工作的进行。 关键词：低碳经济；钢铁工业；节能减排 中图分 类号 ：t f 0 8 9 ； t k0 1 8 文献标 志码 ：a 文章编号 ：1 0 0 2 1 6 3 9 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 1 0 4 lo w- c a r b o n ec o n o my ,en e r g y - s a v i n g a n d emi s s i o n re d u c t i o n o f i r o n a n d s t e e l i n d u s t r y i n ch i n a l i s h i q i ，wu l o n g ，j i z h i - j u n ，c he n ha i y o n g ( 1 me t a l l u r g i c a l a n d e c o l o g i c a l e n g i n e e r i n g s c h o o l ，un i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y b e i j i n g ，b e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，c h i n a ； 2 b e ij i n g ac e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y c o l t d ，b e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： gl o b e wa r mi n g i s a t t r a c t i n g e v e r y c o u n t r y s a t t e n t i o n l o w c a r b o n e c o n o my h a s b e c o me t h e s t r a t e g i c o p t i o n b y the wo r l d s ma i n e c o n o mi c s y s t e mi n o r d e r t o c o n t r o l t h e e x h a l e o f g r e e n h o u s e g a s ，n e w k i n d s o f e n e r g y a r e b e i n g d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s ，ch i n a s e n e r g y - s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d uc t i o n h a s g ot gr e a t a dv a nc e bu t ，the r es tra i n t of e n e r g y s u pp l y t o i r o n a n d s t e e l i n du s tr y i s b e c omi ng mo re a nd mo l e i mp o r t a n t i n o r d e r t o d o we l l i n e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n ， b o t h a s p e c t s o f t e c h n i q u e a n d ma n a g e r i a l w o r k s h o u l d b e d o n e c dq ， tr t a n d o t h e r t e c h n o l o g i e s ，a b o u t e mi s s i o n r e d u c t i o n ，s h o u l d b e wi d e l y u s e d ；on a n o t h e r h a n d ，ma c r o e c o n o mi c c o n tr o l p o l i c y s h o u l d b e s t i c k ， an d em s s h o u l d b e c o n s t r u c t e d q u i c k l y , m a k i n g t h e a d v a n c e o f i r o n a n d s t e e l i n d u s t r y s e n e r g y s a v i n g a n d red u c i n g e x h a l e wo r k i n ch i n a ke y wo r d s ： l o w c a r b o n e c o n o my ；i r o n a n d s t e e l i n d u s t r y；e n e r g y - s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n 新中国成立后，我国钢铁年产量逐年增加， 自 1 9 9 2 年起，我国钢铁总产量已连续 l 8 年居世界第 1 位。钢铁 企业是能源消费大户，钢铁企业的发展同时要求能源供 应的不断增加。 自 1 9 7 3年第 1 次石 油危机 到如今，已经发生了 3次 能源危机 1 。 能源供应的紧张直接影响到工业用能成本的 增加，甚至造成钢铁产量的降低，由此可见能源工业对 钢铁生产的重要性。石油危机以后，节约能源的呼声 日 益增高，钢铁工业作为能源大户，节能降耗首当其冲。 2 o世纪 7 0 年代以来，13 本钢铁工业由于经受了两次 石油危机，全面推行能源节约政策，大力开发节能降耗 技术并成立能源中心对钢铁企业能源进行系统管控，能 源消耗急剧降低，多年以来能源利用效率领先世界。 1 低碳经济时代的到来 第 1次工业革命以来，全球工业的发展带来了生产 力的飞速提高， 而在工业生产中大量温室气体的排放， 加 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 6 - 0 8 ；修回日期：2 0 1 0 0 6 1 2 作者简介：李士琦( 1 9 4 2 一 ) ，男，湖南安乡人，北京科技大学冶金 与生态工程学院教授，博士生导师，主要从事炼钢高效 节能、系统工程等研究 速了全球气候的变暖。温室效应的 日益严重，引起了世 界各 国的关注 。 1 9 9 2年 6月，第 1 次联合国环境与发展大会在 巴西 里约热内卢召开，自从第 1 次联合国气候大会的召开到 2 0 0 9年 1 2月哥本哈根大会的召开， 联合国气候大会已召 开了 l 5 次， 节能减排已成为世界各国共同的责任与义务， 并且 日益迫切 l 2 。 在全球气候问题 日益严重的同时，世界各主要经济 体积极出台相关措施，加快新能源的开发、利用节能新 技术，降低 c o 2 排放 。2 0 0 3 年 的英 国能源 白皮书 ( 俄 们 能源的未来： 创建低碳经济 ，第一次提出了 “ 低碳经济 ， 的概念_ 3 。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基 础的经济模式。低碳经济实质是能源高效利用、清洁能 源开发、追求绿色 g d p的问题，核心是能源技术和减排 技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念 的根本 性转变 。 2 0 0 9年 6月 ，美 国完成 了 ( ( 美国清洁能源与安 全法 案 ，用立法 的方 式提 出了建立 美 国温室气 体排放权 限 额 交易体 系的基 本设计 。2 0 0 9年 3月 ，欧盟宣 布， 在 2 0 1 3年前出资 1 0 5 0亿欧元支持 “ 绿色经济” ，保持欧 盟在“ 绿色技 术” 领域 的世界领先地 位 。2 0 0 9年 4月， 1 综 述 布朗政府宣布将 “ 碳预算”纳入政府预算框架，英国也 因此成为世界上第 1 个公布 碳预算”的国家。2 0 0 9年 7 月 1 5日，英国政府公布了发展低碳经济的国家战略蓝图， 大力发展新能源 、推广新的节能生活方式并向全球推广低 碳经济的新模式 。此外 日 本，巴西，韩国等世界各主要经 济体也不断推出相关政策迎接低碳经济的到来_5 。 2 钢铁企业能源利用概况 2 1 钢铁工业的发展 我 国钢铁工业的发展起源于 1 9世纪末期，由图 1 可 知，1 9 5 0 年我国钢铁年产量是 5 0 万t ，仅占世界总产量的 o 3 ，居世界第 2 6 位，远远落后于工业发达国家。新中 国成立后特别是改革开放以后得到了飞速的发展， 自1 9 9 6 年以来连续 l 3 年保持世界第一。 器 图 1 中国和世界历年钢铁生产量 2 2 钢铁工业能源利用概况 吨钢综合能耗和吨钢可比能耗是反应钢铁企业能源 利用水平的重要标志。图 2为 1 9 8 0 -2 0 0 5年我国钢铁行 业大 中型钢铁企业 吨钢综合能耗和可比能耗变化情况， 可 见我国的钢铁能耗逐年降低。 1 9 8 0 -1 9 9 9 年的 2 0年间我 国钢铁业的吨钢综合能耗标准煤从 2 0 4 0 k g降为 1 2 4 0 k g ， 降幅为 3 9 2 2 ， 吨钢可比能耗标准煤从 1 2 8 5 k g 到 8 3 3 k g ， 降幅为 3 5 1 8 。 2 0 0 6 年我国钢铁企业吨钢综合能耗标准 煤为 6 4 5 k g ，比 1 9 9 5 年下降4 5 。 2 0 0 8年我国钢铁企业 饕 始 2 年 份 图 2中国钢铁企业历年 吨钢 能耗 工业加热 第 3 9卷2 0 1 0年第4期 吨钢综合能耗标准煤 6 2 9 9 3 k g ，吨钢可比能耗标准煤 6 0 9 6 1 k g ， 其 中宝钢、 鞍钢、 武钢分别为 6 1 9 6 3 ，6 6 6 9 1 ， 6 3 8 8 8 ，对比2 0 0 5 年 日本和韩国先进企业能耗分别为 6 5 i 3 ，7 1 1 9 k g ，我国重点钢铁企业单位产品能耗和日、 韩先进钢铁企业已处于 同一个水平上 _ 7 j 。 近年来，伴随着科技进步、结构优化、技术经济指 标的全面改善，各生成工序能源消耗大幅度下降，重点 钢铁企业能耗增幅低于钢产量增幅约 5 。图3为我国钢 铁企业各工序历年能耗，2 0 0 8 年我国各工序吨钢能耗标 准煤分别为：焦化 1 1 8 9 7 k g ，烧结 5 5 4 9 ，高炉炼铁 4 2 7 7 2 k g ，转炉炼钢 5 7 4 k g ，电炉炼钢 8 1 5 2 k g ，轧钢 5 9 3 2 k g。 蛩 交 嚣 耀 一 1 9 8 0 l 9 8 5 1 9 90 l 9 95 2 00 0 2 0 05 2ol 0 年份 图 3 中国钢铁企业历年工序能耗 2 3 我国钢铁工业 c o2 排放 2 0 0 8年我国钢铁工业 c o 2 排放量 占全球钢铁工业 c o 2 总排放量的 5 1 ，而欧盟为 1 2 ， 日本为 8 ，俄 罗斯为 7 ，美国为 5 ，其他国家 1 7 。虽然我国钢铁 工业历年能耗不断降低，但由于我国粗钢产量不断增长， 且铁钢比、电炉钢比低，产业集中度低等原因造成了我 国钢铁工业 c o 2 排量高。 化石燃料消耗是引起世界范围二氧化碳排放增加的 主要因素，将化石燃料折算成能源消耗量用来计算二氧 化碳排放量已形成共识。钢铁生产过程产生的 c o ： 排放 9 5 以上来自能源消耗， 即在很大程度上节能和 c o s 减排 实质是一致的，可见降低 c 0 2 的排放关键在于减少化石 能源的使用 。 3 我国能源工业和钢铁工业的关系 3 1 我国能源工业的发展 图4为我国历年能源生焘 消费总量，由图4可见， 自 1 9 9 2年起我 国能源消费总量 已经超过能源生产总量， 到 目前 能源供应 低于能源消费的趋 势仍在延续 。l 9 7 8 2 0 0 5 年的2 7年间， 中国一次能源生产总量的年增长率为 4 5 0 ，消费总量增长率为 5 1 8 ，纵比多年来的我国能 源生产和消费，可以发现我国能源消费的增长速度始终 高于 能源生产的增长速度 。 带 综 述 (工 业 加 热 第 3 9 卷 2 0 1 0 年 第 4 期 图4 我国历年能源生产和消费总量 3 2 我国钢铁工业和能源工业的关系 图 5为我国钢铁工业能耗占全国能源消耗的历年比 例，由图 5可知，我国钢铁工业能耗 占全国能耗的比例 历年来在浮动中上升，1 9 9 7年钢铁工业能耗比例占全国 能耗的比例为 9 1 7 ，而后保持持续的增长，截至 2 0 0 7 年已高达 1 7 9 9 。 年 份 图 5 我国钢 铁企业用能 占能源消费总量历年 比例 我国经济的高速增长，是拉动钢铁生产与科技发展 的根本动力，预计在今后的 1 0 1 5年中，中国钢铁工 业还将继续保持增长趋势| 8 。 钢铁工业的发展将更加依赖 能源工业 的支持， 当前 能源供应 日益紧张，能源 工业对 钢铁工业发展 的约束将更为强烈 。 4 我国钢铁工业节能减排措施 钢铁工业节能减排工作主要有以下两个方面的工作： 一 方面促进节能减排技术的发展，加速节能减排技术的 应用；另一方面在于提高节能减排管理水平的提高。 4 1 钢铁工业节能减排技术 钢铁工业节能减排技术主要有 ： 能源结构的调整 、 工 艺的优化与革新 、二次能源 的综合 利用和节 能减排系统 优化 四个方面 。 1 )能源结构 的调整 调整钢铁 工业 的能源 结构，一方 面采用新技 术工艺 改革原有资源和能源的比例结构；另一方面开发应用替 代能源 。 在钢铁联 合企 业 中，铁 前系统 的成 本和能耗 占企 业 成本和 能耗的 7 0 左 右，作好这一环节 的资源和 能源 比 例结构调整有重要意义。可通过优化炉料结构，提高高 炉富氧喷煤 以及 采用高炉喷 吹塑料 新技术等手段调整 能 源结构 。 2 )工艺 的优化与革新 新的工艺流程革新主要有： 废钢一 电弧炉一连铸一连轧流程 ( s c e a f c c c r流程 ) 熔融还原 直接还原一超高功率电炉一薄板连铸连轧 流程 ( s r d r u h p cc cr流程 ) 采用长流程钢厂的吨钢能耗标准煤在7 0 0 1 0 0 0 k g ， 短流程钢厂 的吨钢 能耗标准煤在 4 0 0 7 0 0 k g 。以废钢 为源头的电炉流程与以铁矿石为源头的高炉一转炉流 程相 比，每吨钢可节约铁矿石 l 1 3 t ，降低能耗标准煤 3 5 0 k g ，减排 c o 2 1 1 4 t ，减排废渣 6 0 0 k g _ 9 。 此外，中国钢铁行业正进行一系列使钢铁生产 “ 少 碳”甚至 “ 非涉碳”的冶金优化工艺技术研究，力图从 根本上解决钢铁企业 c o 2 排放的问题。例如：用氢还原 铁矿石的氢冶金新工艺以及钢铁企业清洁能源 ( 风能、 太 阳能 )应用研究等 。 3 )二次能源的综合利用 钢铁 工业 在生产过程 中产生大量煤气 、炉渣和粉尘 等， 其中大部分产物具有大量的显热， 约占总能耗的 2 9 3 9 ，综合利用各环节的二次能源及废气物是节能降 耗、减少污染、实施清洁生产的必要措施。近几年，钢 铁工业一些先进的节能工艺装备技术， 如干熄焦 ( c d q) 、 高炉余压发 电 ( t r t )等技术得 到进一 步的推广应用 。 据统计 ， 中国焦炉 干法熄焦装置 已投产和建设超过 1 2 0套，是世界上最多 的，但相 比 e t 本 c d q高于 9 0 的 普及率，我国焦炉干熄焦技术应用仍需加强。 高炉 余压 发电技术在 国外 已非常普及，截止到 2 0 0 4年 3月， 日本的 2 9座高炉全部配备 t r t ，普及 率 1 0 0 l 1 。 2 0 0 5 年我国共有高炉约 1 2 3 2座，其中高炉 1 0 0 0 m 以上高炉大部分配备了 t r t ， 而我国大部分小高 炉仍未配备 t r t装置，如果全部安装 t r t ，年发电量 约 4 0 亿 k w h ，约折合标准煤 1 6 0 万t ，减排 c o 2 近 4 0 0 万t 。 此外 ，转 炉煤气 回收 、联合煤气 发电等技术在实 践 中取得了很好的效益，具有广泛的推广价值。 4 )节能减排系统优化 国内外对 钢铁企业 系统 节能的研 究多采用模型化 的 研究方法，模型化方法就是用数学模型的方法来描述能 源系统 内部关系 。 优化模 型国 内比较 典型的应 用是蔡九菊教 授 1 1 - 1 z 】 应 用大系统优化的方法，从能源与非能源方面，研究了钢 铁企业 系统 节能决策模 型，并 以鞍钢为对象 进行 了应用 计算，得到了较为合理的生产方案，按此方案可以节能 2 4 5 。 瑞典 _ 】 以及 日本学者 1 4 - 1 5 1 利用系统工程方法对钢 3 8 6 4 2 o 8 6 4 2 0 丑 综 述 工业加热 第 3 9卷2 0 1 0年第4期 铁企业节能减排 问题 进行了研究。利用系统 工程理 论方 法建立模型，针对能源利用 以及伴 随的经济 、 c o z 排放 问 题进行了优化研究， 为节能减排系统优化方法提供了借鉴。 4 2 钢铁工业节能减排管理 钢铁工业节能减排管理工作包括：钢铁工业政策和 钢铁企业能源管理两方面 。 1 )钢铁工业政策 我国钢铁工业产品集中度低，设备大型化和国外差 距大。当前我国钢铁产量前 1 0 家钢铁企业产能总和不到 全国总产量的 4 0 ， 高炉有效容积 3 0 0 m 的共有 7 0 0多 座， 炼铁生产能力近 1 亿t ， 约占全国炼铁总能力的 2 5 ， 而日本 2 8 座高炉可产 8 0 0 0万 t 左右的生铁 。 可见， 我 国钢铁企业十分需要进行结构调整，加快淘汰低产能高 能耗设备，提高钢铁工业准入门槛，加速钢铁行业装备 水平提高。 自2 0 0 4 年，我国政府历年均颁布节能减排相关政策 方案，大力推进节能减排工作的进行| 】 。2 0 0 6年国家公 布的 钢铁产业发展政策 ，2 0 0 9年颁布 “ 钢铁行业调整 与振兴规划” ， 国家宏观调控淘汰高能耗、 高污染的产品、 装备和企业，有力地推进了节能减排工作的进行。 2 )钢铁企业能源管理 钢铁企业是生产一个典型的过程工程问题，在多个 单元工序中涉及燃料、电力、氧气、氮气、蒸汽和水等 多种能源介质。钢铁企业迫切需要一个将各个单元的不 同能源系统相互联系起来，进行统一调整的部门，保证 能源介质的系统安全与经济使用。能源统一调配的思想 越来越被广泛地被钢铁企业所接受，能源集中管理被 日 益重视，从而产生了能源中心机构和管理方式。 能源中心 ( e ms )的雏形最早始于 2 0世纪 6 0年代 的日本和西德，随着计算机技术、控制技术的发展，能 源中心技术也突飞猛进，能源中心技术成为企业能源管 理现代化的基本配置。目前在 日本的钢铁企业中应用已 十分普遍，并且随着 日本钢铁技术的输出，在韩国、巴 西等国家的钢铁企业中能源中心的应用也已得到了普及 和推广。 目前国内宝钢 、武钢 、沙钢 、济钢 、攀钢和马钢等钢 铁企业已建设能源中心。 2 0 0 9 年工业和信息化部下发 “ 关 于印发 ( ( 钢铁企业能源管理 中心建设实施方案 的通知” ( 工信部 2 0 0 9 】 3 6 5 号 )文件精神，计划在年产 3 0 0万t 以 上钢铁企业推广企业能源管理中心建设的实施要求。建设 企业能源管理中心，是坚持以科学发展观为统领，认真贯 彻落实资源节约和环境保护基本国策，也是钢铁企业深挖 节能减排潜力、提升企业市场竞争力的必然要求。 5 结论 ( 1 )从 1 9 9 2年 6月 巴西里约热内卢到 2 0 0 9年哥本 哈根，联合国气候大会的历次召开，世界各主要经济体 4 将低碳经济作为战略性选择，加快开发新能源，控制温 室气体排放 。 ( 2 )我国钢铁工业连续 1 3年保持世界第一，其能耗 占全国能耗的比例历年来在浮动中上升，能源供应对钢 铁工业发展的约束 日益显著； ( 3 )采用钢铁工业节能减排新技术，提高能源管理 水平， 推广应用 c d q， t r t等节能技术和系统优化技术， 坚决贯彻国家宏观调控政策， 加快建设能源管控中心， 将 促进我国钢铁工业节能减排工作的进行。 参考文献： 1 鲍健强，苗阳，陈锋低碳经济：人类经济发展方式 的新变革 j 中国工业经济，2 0 0 8( 4 ) ：1 5 3 - 1 6 0 【 2 】涂瑞和 合国气候变化框架公约与 ( 凉都议定书及 其谈判进程 【 j 】 环境保护，2 0 0 5( 3 ) ：6 7 7 3 【 3 江伟钰2 1 世纪绿色 gd p与 合国气候变化框架公约) ) 京都议定书研究 j _法学杂志，2 0 0 5( 5 ) ：8 5 8 7 4 王仕军 低碳经济研究综述 j 】 _ 开放导报， 2 0 0 9( 5 ) ： 4 4 - 4 7 【 5 】庄贵阳低碳经济引领世界经济发展方向 j ，世界环境， 2 0 0 8 ( 2 ) ：3 4 3 6 6 6 国务院发展研究中心应对气候变化课题组当前发展低碳 经济的重点与政策建议 j 中国发展观察， 2 0 0 9( 8 ) ： 8 - 1 0 【 7 】 中国钢铁工业年鉴 编辑委员会中国钢铁工业年鉴 【 r 北京： 中国钢铁工业协会，2 0 0 7 ；2 0 0 8 8 中国统计年鉴编辑委员会中国统计年鉴 r 北京：中 国统计出版社， 2 0 0 9 ：2 3 1 【 9 】沙高原，刘颖吴，殷瑞钰，等钢铁工业节能与 c o2 排放 的现状及对策分析 【 j 冶金 能源，2 0 0 8 ( 1 ) ：3 - 5 【 1 0 t he i r o n a nd s t e e l i ns t i t ut e of j a p a n p r o d u c ti o n a n d t e c h n o l o g y o f i r o n a n d s t e e l i n j a p a n d u r i n g 2 0 0 8 j 】 i s i j i n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 9( 6 ) ：7 4 9 - 7 7 0 1 1 】蔡九菊，赫冀成，陆钟武，等过去 2 0年及今后 5年