10.钢铁行业能效评估研究[8页]

1、钢铁行业能效评估研究 来源：全荣 文章发表时间：2010-06-08 1前言关于2013年之后气候变化的国际框架，在缔约国会议（COP）上出现了巨大的分岐。2008年7月，在洞庭湖八国集团首脑会议的协议文件中也着重强调了按地区区别解决。按地区区别解决的定义有多种，但谋求国际合作，在不同地区进行有效的技术普及和开发有着重要的意义。钢铁行业作为按地区区别解决的一个环节，其信息的交换、能效改善措施的研究、节能设备的普及和开发可避免对按国别区分碳排放目标值的担心，并对全球产生实质性的影响。2000年以后，中国的粗钢产量快速增长，2007年达到4.89亿t。根据国际能源机构（IEA）统计，推测中国钢铁行

2、业包括其电力系统间接排放部分的CO2排放量约11亿t，该数值相当于日本总排放量的规模。按照人口规模及其高增长率预计，正处在经济增长起飞期的印度的钢铁需求会快速增加。新建的钢铁厂可生产数十年。在预测钢铁需求增加的区域时，考虑了加快能效改善紧迫性这一因素。因此，在研究促进能效改善的具体措施时，不同地区的能效及其主要影响因素已成为不可或缺的基础信息。IEA正在开展产业部门不同地区的能效调查分析。但是，从钢铁行业的统计数据中很难直接推算出不同地区的能效，因为存在以下问题：目前的统计数据没有将高炉-转炉法和电弧炉法的能源消耗区分开；IEA的统计是依据各国报告的数据，而各国之间对钢铁行业的界定也存在差异；

3、原材料的加工品、钢铁半成品及一部分能源（副产煤气、蒸气、电力）外销，有的出口到国外，这部分能源消耗应该分配给购买的行业及地区。国际钢铁协会（IISI）也表示要在世界范围推动淘汰低能效生产设备。由于各种原因很难直接推算出不同地区的能效，因此，在讨论和实施钢铁行业改善能效的具体对策时，为了解不同地区的能效，进行了能效的间接推算。本文根据多篇文献，采用多步骤理论框架进行推算，并分析了不同地区能效出现差异的主要因素。本文推算了高炉-转炉法（BF-BOF）、废钢电弧炉法（Scrap-EAF）和直接还原铁电弧炉法（DRI-EAF）的能效。表1是这三种方法的典型能效比较。这三种方法的能效存在很大差异，所以要

4、区分计算。表1三种方法的典型能量消耗高炉-转炉法（BF-BOF）输入输出废钢电弧炉法煤：24.1GJ/t，电力：36.4kWh/t4.5GJ/t（Scrap-EAF）直接还原铁电弧油：2.5GJ/t，电力：551kWh/t炉法（DRI-EAF）气14.3GJ/t，电力：701kWh/t*包括炼焦、烧结、球团和热轧。不包括采煤、原材料运输、冷轧和镀层。*BF-BOF法的能量消耗是以日本和韩国为依据；Scrap-EAF法的能量消耗是以2000年世界平均水平为依据；DRI-EAF法的能量消耗是以气基直接还原铁的世界平均水平为依据。2能效推算的问题及其处理在推算不同地区的能效中，存在钢铁行业界定、能源

5、消耗分配和数据获得限制等问题，下面分别介绍如何处理这些问题的。2.1钢铁行业界定对钢铁行业的界定是钢铁生产必要的基本工艺，即计算生产焦炭、球团矿和烧结矿所需能量的同时，扣除外销的副产煤气、蒸气和电力等。该理念得到包括亚太清洁发展与气候伙伴计划（APP）和IEA在内的国际组织的广泛认可。本文设定的更具体的界定如表2所示。不包括上游工序原材料的开采、选煤、运输等所需的能源消耗，计算了生产焦炭、烧结矿和球团矿所需的能源消耗。下游工序计算到热轧的能源消耗，其后的冷轧、镀层加工所需的能源消耗不在界定之中。表2假设钢铁行业界定在炼铁和炼钢指标中包括：.炼焦、烧结矿、球团矿和热轧.净能源消耗（以一次能源为基

6、础计量的电力、热量和副产煤气）.制氧指标中不包括：.采煤、采矿及运输到钢铁厂的能源消耗.冷轧、镀层和特殊钢制造2.2能量消耗的分配钢铁行业能源消耗的分配应该注意地区不同，原料生产流程也存在差异。例如美国，焦炭对海外依存度高，转炉废钢入炉比超过30%；平炉（现在主要在乌克兰、俄罗斯）可以任意采用生铁和废钢的入炉比例。根据IISI数据，将原料生产流程设定为BF-BOF法、Scrap-EAF法和DRI-EAF法。BF-BOF法（包括部分平炉）是将865kg生铁和161kg废钢装入转炉，炼出1t转炉钢；Scrap-EAF法是装入1.05t废钢，生产1t电炉钢（因为电炉用生铁很少，所以忽略）；DRI-E

7、AF法是将0.97t直接还原铁和0.81t废钢装入电炉，生产1t电炉钢。以上废钢量包括钢铁厂本身产生的废钢。直接还原铁的国际交易活跃，但因没有获得关于直接还原铁进出口的详细区域分布，本文将直接还原铁出口后在电炉产生的电力消耗等也计算在直接还原铁生产国中。通过以上设定，评估的能效基本反映了不同地区的实际能效，尽可能排除了表观能效差异。2.3数据获得限制在BF-BOF法中，为了提高能效，如何协调副产煤气（COG、BFG、LDG）回收、余热回收、本厂发电、制氧设备等系统很重要。因此，能效高的钢铁厂具有包括副产煤气、蒸气和电力的极其复杂的流程系统。另外，因钢铁厂以外的原材料、半成品及各种能源的采购也存

8、在地区差异。生产过程中的收得率也对最终钢材的实质性能效有影响。另一方面，仅从IEA的能源平衡不能读出这种复杂的流程和钢铁厂外的能源采购。一般情况下，在能源平衡表中，BF-BOF法的能源流程分为能源转换部门和能源需求部门。但是，这种划分方法是以向IEA报告的各国的划分方法为基础的，也难解释IEA的能源平衡。IEA本身也完全承认这一点。考虑存在这样的数值获得限制，采用下列方法来推测不同地区的能效。3不同地区能效的推算方法3.1推算方法概要由于推算钢铁行业不同地区能效存在几个问题，因此，根据单一的数据来源和单一的理论框架，来推算不同地区的能效目前还比较困难。本文根据下面所列的多种数据来源以及多步骤理

9、论框架进行推算。（1）过去的钢铁产量统计，新建的钢铁生产设备（特别是大型高炉）情况等。（2）不同地区的节能设备普及状况。（3）抽样调查工厂的实际数据。（4）通过个别钢铁生产设备、节能设备的结合，计算出关于钢铁厂整体能效的自下向上的简易模型。下面对此进行详细说明。3.2过去的钢铁产量统计和新建生产设备情况关于过去钢铁产量统计和新建生产设备情况，广泛收集了包括世界各地区的数据。一般是钢铁厂建设的年代越晚，设备规模越大，能效也越好。所以，这些数据是重要的参考信息之一。3.3不同地区的节能设备普及状况关于不同地区的节能设备普及状况，部分数据是在各地区收集的。因为这部分数据是由具有成本优势的节能设备导出

10、，所以，可以从某一特定的设备普及状况来推测钢铁厂整体能效水平。有关的生产设备、节能设备如表3所示。这些设备普及率不是从各地收集来的，但不同地区的连铸比、平炉使用率却是来自IISI数据。表3自下向上模型估算的能效能源消耗节能其它A炼焦1废塑料和废最高置换0.59GJ/t焦轮胎的利用2煤调湿0.29GJ/t焦3焦炉煤气回收7.58GJ/t焦（普通）3.79GJ/t焦（蜂房式）4焦炉煤气和7.73GJ/t焦（普通）显热回收5传统的湿熄焦6低效干熄焦（传统65kWh/t焦0.38GJ/t焦（蒸气）的前苏联型CDQ）7高效干熄焦（CDQ）150kWh/t焦8焦炉程序升温0.14GJ/t焦9蜂房式焦炉蜂房

11、式焦炉限制主要节能措施的运用10传统焦炉2.83GJ/t焦(焦煤除外)52kWh/t焦11新一代焦炉3.87GJ/t焦(炼焦（如SCOPE21）中总的节能效果)B烧结矿12改判原料混合0.08GJ/t烧结矿的偏析13传统的人工控0.28GJ/t制加燃料65kWh/t14改善加燃料的0.15GJ/t工艺控制65kWh/t15基本烧结炉0.55GJ/t16主排气的余0.13GJ/t烧结矿热回收17烧结冷却器的0.25GJ/t烧结矿余热回收C炼铁18喷吹煤粉置换2.34GJ焦/t铁88kg/t铁19喷吹煤粉置换5.69GJ焦/t铁214kg/t铁20炉顶余压发电30kWh/t铁装置（湿式）21炉顶余

12、压发电55kWh/t铁装置（干式）22热风炉余热0.13GJ/t铁回收装置23小型高炉18.22GJ/t铁(包括焦小型高炉的经济效益和炭和喷煤)，326kWh/t铁节能措施应用受到限制24中型高炉17.99GJ/t铁(包括焦炭和喷煤)，326kWh/t铁25大型高炉16.75GJ/t铁(包括焦炭和喷煤)，326kWh/t铁26富氧鼓风制氧的电力消耗计算在高炉类里D1炼钢：转炉（BOF）27转炉煤气回收0.87-0.95GJ/t钢28转炉煤气和显热回收0.95-1.08GJ/t钢29钢包同流换热燃烧器0.21GJ/t钢30顶吹氧31平炉（OHF）平炉节能措施的应用有限D2炼钢：电弧炉32废钢预热

13、25kWh/t钢33钢包同流换0.21GJ/t钢热燃烧器34三相交流电弧炉434kWh/t钢0.25GJ/t钢35有水冷壁的直397kWh/t钢流电弧炉0.25GJ/t钢36小型电磁感应炉719kWh/t钢0.25GJ/t钢E连铸和轧钢37初轧/铸锭/0.81GJ/t钢轧制设施49kWh/t钢38低效连铸0.13GJ/t钢30kWh/t钢39高效连铸0.05GJ/t钢16kWh/t钢40冷装料0.29GJ/t钢41热装料0.21GJ/t钢(与冷装料比)42热装热送0.29GJ/t钢(与冷装料比)43传统换热燃烧器0.88GJ/t钢44同流换热燃烧器0.72GJ/t钢45低效热轧0.23GJ/t

14、钢95kWh/t钢46高效热轧0.10GJ/t钢95kWh/t钢这些设备中，具有代表性的是干熄焦设备（CDQ）和高炉炉顶余压发电装置（TRT）。CDQ的相关数据信息是从文献中获得的，如世界CDQ保有量及其是否为前苏联型。TRT的经济性在很大程度上依赖于高炉容积的大小，所以大型高炉较多设置TRT。因此，在推算不同地区的TRT普及率时，如果调查了大型高炉的普及状况，就可以推算出该地区的TRT普及率。高炉煤气的集尘方式（湿式、干式）也是影响TRT效率的一个重要因素（参见表3）。因此，尽可能将每座高炉的数据累计进行信息收集整理。例如文献记载，2000年我国有1000m3以上高炉59座，据此进行了TRT

15、普及状况、发电设备容量和集尘方式的统计推算。由于副产煤气的余能很大，因而副产煤气（COG、BFG、LDG）的回收、副产煤气的显热回收及其有效利用情况，在很大程度上影响着BF-BOF法的能效。另一方面，关于这些副产煤气的回收及其有效利用实际情况的统计数据极其有限。IEA的扩展能量平衡，将COG、BFG、LDG作为个别能量处理，是少数参考信息之一。推算不同地区的节能设备普及率时，还参考了各种文献。3.4抽样调查工厂实际数据决定进行抽样调查的工厂数量不多，但可以从有关数据概括了解调查工厂建厂后的生产状况、设备更新状况、节能设备的设置状况以及所在地区的特殊情况。所在地区的特殊情况是指比如当地所用煤的灰

16、分和铁矿石的品质，钢铁厂的能源销往钢铁厂以外的情况，还有寒冷地带钢铁生产能效低等情况。反映这些工厂实际数据的参考文献超过40篇。3.5自下向上简易模型即使有以上信息，推算不同地区的能效也不够充分。因为这些信息是非连续的，所以需要有其他方法进行辅助。因此，通过个别钢铁生产设备和节能设备的结合，用MSExcel等表格计算库制成计算钢铁厂整体能效的自下向上的简易模型。集约多项技术（参见表3），设定能效有差异的技术群，即BF-BOF法3个类型、Scrap-EAF法3个类型、DRI-EAF法2个类型（参见表4）。表4根据自下向上模型归纳的炼钢工艺能量消耗，/t钢回收能量，/t钢BF-BOF法类型：低效（

17、BOF和OHF）煤：29.9GJ重油：1.2GJ电力：490kWh+焦炉煤气回收+1.9GJ类型：中效煤：26.9GJ重油：0.2GJ电力：465kWh+焦炉煤气回收+2.2GJ+转炉煤气（LDG）回收+0.9GJ+干熄焦（CDQ）+63kWh+炉顶余压发电装置（TRT）+48kWh类型：高效煤：24.4GJ电力：464kWh+废塑料和废轮胎的回收利用+1.5GJScrap-EAF法类型：低效电力：623kWh（EAF和感应炉）重油：3.6GJ类型：中效电力：551kWh重油：2.5GJ类型：高效电力：513kWh重油：2.4GJDRI-EAF法类型：中效天然气：15.9GJ电力：705kWh

18、类型：高效天然气：12.1GJ电力：695kWh在此基础上，参考过去的生产情况，通过这8个类型，尽可能确保反映不同地区2000年的钢铁生产保有设备/运转设备与IISI的粗钢产量数据和IEA的扩展能量平衡的相关性。在上述8种类型生产方式的基础上，设定副产煤气回收及其有效利用率、CDQ和TRT的普及率，以提高这些统计数据之间的拟合性。4能效推算结果及分析通过上述操作，推算出不同地区2000年的钢铁生产能效见表5。BF-BOF法地区差别较大，其中日本、韩国的能效较好。这主要是因为这些地区的节能设备普及率高，并且韩国多数联合钢铁厂的选址都比较紧凑。另一方面，美国的联合钢铁厂多是1970年以后新建的。能

19、源价格低、小型轧钢厂的市场份额扩大等、节能设备的投资难是造成能效低的主要因素；从EU15国看（德国BF-BOF法的能效良好），其钢铁厂大多是70年代新建的，2000年时几乎没有进行节能设备的普及，所以，表5所示的能效较低；由于受焦煤的灰分和铁矿石的品位限制，印度和中国大陆的BF-BOF法的能效很难改善；前苏联的联合钢铁厂建设年代久远，而且多数工厂处于没有完全恢复的状态，能效也较低。尽管Scrap-EAF法的能效地区差异比较小，但是由于印度广泛应用小型感应炉，相对的能效低；在电炉钢需求增加显著的美国和中国，近年来新建了能效良好的大型电炉，正在改善基础能效。虽然对DRI-EAF法能效也做了推算，但

20、其准确度主要受可利用统计数据的限制，比其他工艺推算的能效更差。表5是推算的2000年吨钢能量消耗的平均值。中国的BF-BOF法，像宝钢拥有4000m3级的高炉，并配置了CDQ和TRT，能效也达到了日本、韩国的水平。这些先进设备与正在快速淘汰的小型落后设备并存，如果取平均值的话，能效就降为与美国和EU同一水平了。表5吨钢能量消耗的推算结果（2000年）国家/地区*吨钢能量消耗/GJ/t-1*粗钢产量/百万tBF-BOFScrap-EAFDRI-EAFBF-BOFScrap-EAFDRI-EAF总计0美国31.18.620.154.046.31.6101.81加拿大31.69.223.39.75.

21、81.116.62英国30.39.411.63.615.23法国29.99.112.58.421.04德国28.88.822.633.112.90.546.45意大利32.39.310.716.126.86西班牙、葡萄牙32.09.04.612.317.07其他EU15国32.69.121.625.911.10.137.28挪威、冰岛、35.19.20.00.70.7格陵兰9其他西欧国家9.41.01.0（瑞士等）10OECD东欧国家32.810.014.54.018.6（匈牙利、波兰、捷克共和国）11其他东欧国家32.010.08.94.012.9（保加利亚、罗马尼亚、斯洛伐克、克罗地亚、斯洛文尼亚阿尔巴尼亚、摩尔多瓦等）12日本24.98.475.830.7106.413澳大利亚、33.39.019.76.60.90.37.8新西兰、其他大洋洲国家等14韩国26.38.424.718.443.115中国31.79.119.7106.221.00.1127.216中国台湾30.19.010.06.916.917印度32.710.022.317.24.25.526.918越南、柬埔寨、35.19.90.30.30.6老挝、北朝鲜、蒙古19马来西亚、9.822.46.73.09.6印度尼西亚、新加坡、泰国、菲律宾、文莱20其