基于流程優(yōu)化的鋼鐵行業(yè)長流程低碳轉(zhuǎn)型研究

賈亞雷，馬 凱，李 璐

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院航空宇航學(xué)院，廊坊 065000；2.邯鄲市交通建設(shè)投資管理中心，邯鄲 056400)

0 引 言

鋼鐵行業(yè)作為能源消耗和碳排放大戶，占全國碳排放總量15%～18%。為減少溫室氣體排放、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。需要對(duì)現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)制定新型生產(chǎn)方案與路線，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行制度改革與科技創(chuàng)新。目前，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程主要分為以高爐-轉(zhuǎn)爐為冶煉方法的長流程與以電爐為冶煉方法的短流程。中國主要以長流程為主，本文將重點(diǎn)以長流程為煉鋼方式的鋼鐵行業(yè)進(jìn)行減排優(yōu)化分析。以鋼鐵行業(yè)長流程的各個(gè)主要工序?yàn)榛A(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，在滿足當(dāng)代鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)低碳減排任務(wù)。曲余玲等(2021)對(duì)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)提出碳達(dá)峰碳中和路徑，對(duì)鋼鐵行業(yè)改革提出幾條參考意見[1]。張琦等(2021)根據(jù)中國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、低碳科技減排數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)今鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)提出修改意見[2]。目前，鋼鐵行業(yè)關(guān)于碳減排任務(wù)的主要問題為鋼鐵行業(yè)內(nèi)部主要工序的能源利用效率有待優(yōu)化。主要體現(xiàn)為：現(xiàn)有工序因能源利用率低而導(dǎo)致原料用量增加，生產(chǎn)過程的碳排放大；鋼鐵行業(yè)內(nèi)部資源循環(huán)利用體系未成形，工序內(nèi)部副產(chǎn)品未充分利用；鋼鐵行業(yè)內(nèi)低碳技術(shù)采用少，未采用現(xiàn)已成熟低碳生產(chǎn)工藝，使碳排放相比現(xiàn)工藝可得到優(yōu)化減排。

針對(duì)當(dāng)前長流程生產(chǎn)工藝存在的碳排放高的問題，本文主要從以下三方面開展研究：分工藝流程構(gòu)建長流程碳排放數(shù)字化仿真模型，通過優(yōu)化原料配料比，提高能源利用效率，從而減少碳排放量；構(gòu)建鋼鐵行業(yè)內(nèi)資源循環(huán)利用體系，將鋼鐵行業(yè)長流程內(nèi)部資源以物質(zhì)流的方式進(jìn)行傳輸，增加其內(nèi)部之間聯(lián)系，提高工序產(chǎn)品的利用價(jià)值，從而減少鋼鐵行業(yè)碳排放量；結(jié)合鋼鐵行業(yè)成本約束限制，鋼鐵行業(yè)其工序條件限制，將新型低碳科技采用到現(xiàn)鋼鐵行業(yè)當(dāng)中，通過對(duì)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行工藝改進(jìn)而降低鋼鐵行業(yè)碳排放量。

1 鋼鐵行業(yè)碳排放計(jì)算方法與分析

1.1 鋼鐵行業(yè)碳排放邊界分析

在鋼鐵行業(yè)長流程生產(chǎn)模式下，可將工藝流程分為六大工序，通過物質(zhì)流與能量流等將各個(gè)工序聯(lián)系形成鋼鐵行業(yè)碳減排模型[3]。將碳排放問題細(xì)化到單個(gè)工序流程上，在工序流程上對(duì)碳減排問題進(jìn)行分析。確定工序CO2排放邊界，進(jìn)而方便鋼鐵行業(yè)工序變量的選取。

根據(jù)圖1所示，確定工序邊界，確定工序模型變量主要種類，其工序左側(cè)表示工序的碳輸入主要類型，右側(cè)表示碳流出主要類型。確定工序模型碳素流主要影響因子，從而根據(jù)各個(gè)工序模型碳素流主要影響因子成分不同確定各個(gè)工序模型的變量。

圖1 工序模型邊界確定

1.2 常用CO2計(jì)算公式確定

根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)CO2排放計(jì)算公式[4]及國外鋼鐵企業(yè)CO2計(jì)算公式[3]，結(jié)合構(gòu)建出本文CO2排放公式。根據(jù)上文確定碳排放計(jì)算邊界，碳輸入物質(zhì)的碳排放量減去碳輸出物質(zhì)的碳排放量所得差值即為工序輸出的碳排放量，簡單表示為投入工序的物料產(chǎn)生的CO2排放量由該物料的使用量乘以該物料的碳排放因子，即：

CO2(Kj)=σj×Kj

(1)

式中，CO2(Ij)表示由Ij釋放所產(chǎn)生的碳排放量；σj為Ij的碳排放因子，Kj表示為某種原料。

鋼鐵行業(yè)單個(gè)工序的生產(chǎn)出噸位產(chǎn)品的CO2排放量將由該工序碳輸入物料產(chǎn)生的CO2排放量累計(jì)和減去該工序碳輸出物料產(chǎn)生的CO2抵扣量累計(jì)和得知，根據(jù)此方法求得CO2排放量計(jì)算公式為：

(2)

式中，PECi代表i工序所產(chǎn)生的CO2排放量，tCO2；σj為碳排放因子，tCO2；而Ij表示為該工序的碳輸入的物質(zhì)，t；Ok表示為該工序的碳輸出的物質(zhì)，t。

得到各個(gè)工序的CO2排放量計(jì)算公式后，鋼鐵行業(yè)的總體CO2排放量計(jì)算公式是由各個(gè)工序的CO2排放量乘以工序?qū)?yīng)鋼比轉(zhuǎn)化系數(shù)累計(jì)和得出，表達(dá)式為：

(3)

式中，AECO2表示鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)的CO2排放量，δi表示為PECi工序碳排放鋼比轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.3 碳排放因子的確定

在本文中，CO2排放的計(jì)算公式中碳排放因子起到了關(guān)鍵作用。因此首先需要確定碳排放因子。根據(jù)工序含碳種類不同，可以將碳排放因子分為三種，直接碳排放因子、間接碳排放因子與抵扣碳排放因子。

直接碳排放因子多為是由含碳原料、輔助溶劑等物質(zhì)。例如，焦化過程中的精洗煤的碳排放因子便是直接碳排放因子。直接碳排放因子選取標(biāo)準(zhǔn)可以定位為：

σj=gj×(1+hj)×cj×hvj×oj

(4)

式中，gj為原料購入量；hj為原料因運(yùn)輸而造成的損失率；cj是基于熱值的排放因子；hvj是熱值；oj為氧化率；j為第j種原料；σj為第j種原料直接碳排放因子。

間接碳排放因子是動(dòng)力消耗等物質(zhì)，例如在高爐冶煉過程中消耗的煤氣、外部電力等物質(zhì)使得高爐燃燒更加充分。間接碳排放因子選取標(biāo)準(zhǔn)可以定位為：

σh=rh×(1+th)×uh

(5)

式中，rh為σh生產(chǎn)時(shí)動(dòng)力時(shí)消耗原料燃燒產(chǎn)生碳排放量；th為動(dòng)力在運(yùn)輸過程中的損失率；uh為動(dòng)力終端所消耗利用效率。

抵扣碳排放因子是由工序生產(chǎn)的含碳資源，如產(chǎn)品、副產(chǎn)品等物料決定，并非形成CO2形式進(jìn)行碳排放，而以固定碳形式進(jìn)入產(chǎn)品、副產(chǎn)品等流出鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)。

σk=pk×sk

(6)

式中，pk為原料所含碳元素比例；sk為碳元素轉(zhuǎn)為CO2的分子質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)。

碳排放因子計(jì)算過程隨物質(zhì)的不同，其所標(biāo)準(zhǔn)選擇也會(huì)隨之不同，本文對(duì)碳排放因子進(jìn)行相應(yīng)細(xì)化，從而得到三種碳排放因子及其計(jì)算公式。

根據(jù)碳排放因子種類不同，將工序的CO2排放計(jì)算公式進(jìn)行細(xì)化，將原料、溶劑等物質(zhì)的碳排放因子歸為直接碳排放因子；將動(dòng)力消耗碳排放等物質(zhì)的碳排放因子歸為間接碳排放因子；將產(chǎn)品、副產(chǎn)品等物質(zhì)的碳排放因子歸為抵扣碳排放因子。完成對(duì)碳排放因子細(xì)化之后，得到新的工序CO2排放公式，表示如下：

(7)

在得到工序相應(yīng)的CO2排放計(jì)算公式之后，根據(jù)碳排放因子進(jìn)而選取相應(yīng)的變量，由變量對(duì)應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的碳排放因子。在擁有變量和碳排放因子的情況下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量約束、工藝約束、成本約束等限制條件，從而得到相應(yīng)工序的碳排放量。

確定工序碳排放因子種類后，便需要確定與碳排放因子相關(guān)的物質(zhì)。而根據(jù)鋼鐵行業(yè)的碳素流，可以根據(jù)碳元素在各個(gè)物質(zhì)的流向從而確定其是屬于碳輸入物質(zhì)還是碳輸出物質(zhì)。并且可以根據(jù)物質(zhì)的類型進(jìn)而判斷物質(zhì)的碳排放因子應(yīng)所屬的種類。通過判斷鋼鐵行業(yè)相應(yīng)物質(zhì)流向，根據(jù)物質(zhì)的特性從而確定其碳排放因子，確定鋼鐵行業(yè)其內(nèi)部工序關(guān)系。

2 鋼鐵行業(yè)碳減排規(guī)劃模型

因長流程工藝流程長且物料平衡關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，本文將整體工藝流程細(xì)分為六個(gè)主要工藝流程進(jìn)行分析[6]，再將工序模型結(jié)果代入長流程減排模型，從而得到鋼鐵行業(yè)長流程減排優(yōu)化結(jié)果。

鋼鐵行業(yè)總體優(yōu)化模型利用各個(gè)工序的規(guī)劃模型，根據(jù)其工序在鋼鐵行業(yè)中鋼鐵轉(zhuǎn)化比例作為系數(shù)，列出總體目標(biāo)函數(shù)：

(8)

式中，ECO2為系統(tǒng)模型碳排放量；PECi為工序模型碳排放量；δi為鋼鐵碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)。利用各個(gè)工序規(guī)劃模型建立鋼鐵行業(yè)總體模型，以基本工序?yàn)榛A(chǔ)，對(duì)長流程工藝進(jìn)行優(yōu)化。

總體鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)模型約束條件根據(jù)各個(gè)工序工藝生產(chǎn)要求、工序產(chǎn)品質(zhì)量條件約束、工學(xué)物料平衡要求等等各種約束，例如，燒結(jié)工序當(dāng)中對(duì)燒結(jié)礦的生產(chǎn)工藝要求、高爐工序當(dāng)中鐵水生產(chǎn)質(zhì)量要求、焦化工序當(dāng)中焦炭含量各元素含量比例要求、利用工序生產(chǎn)產(chǎn)品間的循環(huán)利用來減少碳排放量與成本等等。在滿足工序模型工藝要求、成本要求、產(chǎn)品用量約束等等后，在各個(gè)工序的基礎(chǔ)上適當(dāng)使用符合生產(chǎn)實(shí)情的新型低碳科技，使鋼鐵行業(yè)在配料優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，增加新興科技的使用，使得鋼鐵行業(yè)減排任務(wù)更進(jìn)一步。

3 鋼鐵行業(yè)碳減排優(yōu)化結(jié)果及分析

根據(jù)上述構(gòu)建的長流程低碳規(guī)劃模型，以國內(nèi)某鋼鐵廠長流程生產(chǎn)工藝為例。對(duì)各工序和整體的工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化求解，并將求解結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證模型的優(yōu)化效果。

根據(jù)各工序碳排放量的規(guī)劃模型，計(jì)算出長流程各個(gè)工序的碳排放量，具體見表1。

表1 長流程及各工序碳排放

對(duì)鋼鐵行業(yè)各個(gè)工序碳排放量進(jìn)行分析，構(gòu)建各個(gè)工序?qū)Ρ葓D，如圖2所示。

圖2 鋼鐵行業(yè)主要工序碳排放量對(duì)比圖

圖2中的數(shù)據(jù)表示，觀測(cè)得到鋼鐵行業(yè)長流程工藝中高爐工藝的碳排放量占主要部分，鋼鐵行業(yè)應(yīng)將碳減排主要任務(wù)放在高爐煉鐵工序減排上。對(duì)各個(gè)工序來講，焦化工序碳減排任務(wù)主要在煤炭種類選取上；轉(zhuǎn)爐工序減排方法主要在于廢鋼使用上，增大廢鋼使用量從而減少轉(zhuǎn)爐碳排放量。

4 結(jié)束語

將鋼鐵行業(yè)利用規(guī)劃問題進(jìn)行建模再利用鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)，求得各個(gè)工序碳排放規(guī)劃模型，從鋼鐵行業(yè)最小碳排放模型中，可以得知。鋼鐵行業(yè)減少CO2排放量的方面主要在三方面，通過規(guī)劃問題減少原料消耗量、增加物料重復(fù)利用，如鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)中煤氣回收利用、使用新型低碳科技，利用低碳技術(shù)減少碳排放問題；通過三方面減少碳排放量，得到最小碳排放模型。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)鋼鐵行業(yè)提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)減少對(duì)鋼鐵行業(yè)對(duì)燃料資源使用，使用余熱回收技術(shù)，將高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣充分循環(huán)使用，在各個(gè)工序中充分使用，剩余部分可運(yùn)往發(fā)電站利用煤氣發(fā)電，減少行業(yè)成本消耗。

(2)增加廢鋼使用量，將廢鋼利用到轉(zhuǎn)爐煉鋼當(dāng)中，減少相應(yīng)鐵礦石的能源消耗，重復(fù)利用廢料，類似短流程生產(chǎn)模型，增加廢鋼使用比重，將會(huì)有效減少鋼鐵行業(yè)能源消耗與碳排放量。

(3)優(yōu)化鋼鐵行業(yè)工業(yè)結(jié)構(gòu)，改變鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，從鋼鐵行業(yè)各個(gè)工序配料優(yōu)化、新興低碳科技使用上對(duì)鋼鐵行業(yè)長流程生產(chǎn)模式結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，為鋼鐵行業(yè)細(xì)化到到各個(gè)工序上提供優(yōu)化方案，向鋼鐵企業(yè)提供參考。