鋼鐵企業低碳技術評價選擇與應用

李 莊，許友靜，易文杰，黃 懿，劉興旺*，李 翔

1. 湖南省生態環境事務中心，湖南 長沙 410014

2. 湘潭大學環境與資源學院，湖南 湘潭 411105

3. 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2020 年9 月22 日，我國在第75 屆聯合國大會一般性辯論上提出了“雙碳”目標，即2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和. 鋼鐵行業作為我國重要的能源密集型行業，2020 年粗鋼產量達到10.65×108t，首次突破了10×108t 大關，占全球粗鋼總產量的56.76%，是全球較大的粗鋼生產國及消費國[1-2].此外，我國鋼鐵工業的能源消耗以煤炭和焦炭為主，占鋼鐵工業能源消耗的89.18%[3-4]，這使得鋼鐵行業成為我國CO2排放的主要行業，約占全國CO2排放量的15%[5-9]，是僅次于電力行業的第二大碳排放大戶. 作為高耗能、高排放的鋼鐵行業[10]，其發展越來越受到能源和環境的制約. 為了促進鋼鐵行業的節能和綠色低碳發展，我國出臺了多項政策，例如，2014年發布《國家應對氣候變化計劃(2014—2020 年)》，要求制定鋼鐵行業的溫室氣體排放標準；2017 年發布的《國家重點節能低碳技術推廣目錄》指出，有必要在鋼鐵行業中引進先進的生產技術；2022 年2 月11 日，國家發展和改革委員會發布的《鋼鐵行業節能降碳改造升級實施指南》指出，要加強先進技術攻關，加快成熟綠色低碳技術的普及. 因此，大力發展鋼鐵行業低碳技術，推動低碳技術的廣泛應用，是鋼鐵行業實現低碳綠色發展的有效途徑.

目前，為了大力推廣和普及節能低碳技術，工業和信息化部(MIIT)發布了先進適用的鋼鐵行業節能減排技術指南和應用案例，為先進技術的應用和安裝提供指導[11]. 同時，也有學者對鋼鐵行業的低碳技術應用潛力進行研究，如Wu 等[12]選擇鋼鐵行業的24項技術進行研究，結果顯示，若上述技術皆得到運用，可以減少鋼鐵行業291.1×106t CO2排放量；Li 等[13]選擇了41 項廣泛使用或推廣的節能技術，收集了它們的投資、運行成本、節能量和CO2排放量，發現節能減排技術的應用將實現4.63 GJ/t 的節能貢獻和443.21 kg/t 的CO2減排貢獻. 李新等[14]考慮鋼鐵行業節能減排技術，對京津冀地區鋼鐵行業規模/技術減排進行分析，至2030 年規模/技術減排可以減少19.41×107t CO2排放. 顯然，發展和推廣低碳技術對鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和具有較大的潛力，而如何評價鋼鐵行業低碳技術水平則是基礎.

已有學者對鋼鐵行業低碳技術的研究基本上集中在碳減排成本及潛力上，而對低碳技術綜合評價方面的研究較少. 因此，通過對鋼鐵行業碳排放源及低碳技術應用環節進行分析，遴選出適合鋼鐵行業發展的低碳技術，形成鋼鐵行業低碳技術清單，并建立一套符合鋼鐵企業低碳技術水平評價的綜合評價體系是必要的. 該研究以湖南省為例，對湖南省鋼鐵企業已應用的低碳技術進行評價，揭示了各項技術減排優先順序，為湖南省鋼鐵行業減排路徑優化提供有效支撐，以期為管理部門提供政策支持，為企業低碳技術的選擇提供技術支持.

1 鋼鐵行業低碳技術分類及其應用環節

1.1 低碳技術分類

從鋼鐵行業使用的低碳技術來看，低碳技術可以分為4 種：①原材料替代技術，包括高爐噴吹廢塑料技術、核電氫化煉鋼技術、生物質碳使用技術、以氫代煤技術等；②流程減碳類技術，包括焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術、燒結煙氣選擇性循環凈化與余熱利用技術、高溫高壓干熄焦裝置、燒結余熱發電技術、轉爐煤氣干法回收技術、加熱爐黑體強化輻射節能技術等；③固廢綜合利用技術，包括煙氣磁化熔融爐處理鋼鐵塵泥及有價元素回收技術、蓄熱式轉底爐處理冶金粉塵回收鐵鋅技術；④儲碳類技術，如CO2碳捕集和存儲技術(CCS).

1.2 鋼鐵行業低碳技術應用環節

《溫室氣體排放核算與報告要求第五部分：鋼鐵生產企業》指出，鋼鐵生產過程中碳排放的來源主要有四個部分，包括化石燃料燃燒排放、過程排放、凈購入電力熱力排放、固碳產生隱含的排放，其中主要源是化石燃料的燃燒. 文旭林等[15]對長流程鋼鐵廠的研究發現，燃料燃燒排放約占總排放量的94%，過程排放約占總排放量的6%，凈購入電力熱力排放和固碳產生隱含的排放各占總排放量的4%左右.

從鋼鐵生產的各工序來看，燒結工序的主要CO2排放是由燒結原料中燃料燃燒、點火煤氣燃燒引起的，球團工序的CO2產生主要是球團礦焙燒，焦化工序CO2來源于洗精煤、加熱用燃料燃燒，煉鐵工序主要是在鐵水脫碳過程中會產生CO2. 煉鋼過程中鐵水中的碳會氧化成CO2排放到大氣中，軋鋼在熱處理消耗燃料的過程中會產生CO2. 在整個工序中CO2主要來自高爐中煤和焦炭與鐵礦石的化學反應，焦化、燒結及高爐煉鐵工序組成的煉鐵系統碳排放量占總排放量的89.5%，其中高爐煉鐵碳排放量占總流程的73.6%[16]，CO2排放量最大(見圖1)，其次是燒結. 因此，鋼鐵行業減少碳排放量的主要任務應放在高爐煉鐵過程的減排上[17].

圖 1 傳統(長流程)鋼鐵生產流程不同工序CO2 排放源分布Fig.1 Distribution of CO2 emission sources in different processes of traditional (long process) steel production process

隨著鋼鐵行業低碳技術的不斷發展，我國于2014—2018 年相繼發布了《國家重點推廣的低碳技術目錄》(第一批)、《國家重點推廣的低碳技術目錄》(第二批)、《國家重點節能低碳技術推廣目錄》(1～4 批)，積極推廣先進適用的技術，深挖降碳潛力. 國外在低碳技術上的發展較為前沿，如日本的COURSE50 項目、歐洲的超低CO2煉鋼項目(ULCOS)、瑞 典的HYBRIT 項 目、 德 國 的Carbon2Chem 和SALCOS 項目，美國熔融氧化物電解和氫氣閃速熔煉項目等[18-20]. 該研究總結了國內外低碳技術發展情況，從焦化、燒結、高爐煉鐵、轉爐/電爐煉鋼和軋鋼環節整理篩選出了鋼鐵行業低碳技術清單(見表1).

表 1 鋼鐵行業低碳技術清單Table 1 List of low-carbon technologies in iron and steel industry

續表 1

2 鋼鐵企業低碳技術評價指標體系及方法

2.1 鋼鐵企業低碳技術評價指標體系

鋼鐵企業低碳技術評價指標包括定性指標和定量指標兩個部分，該研究遵循全面性、科學性、可操作性原則，首先參考學者技術評價相關文獻[21-24]，結合溫室氣體排放核算方法與報告指南，考慮鋼鐵企業CO2排放的特點，對低碳技術選擇影響因素進行細化，然后進行實地調研，采用Delphi 法征詢專家意見，建立了具有鋼鐵企業自身特點的低碳技術評價指標體系[25](見圖2). 鋼鐵企業低碳技術評價指標由若干個一級指標和二級指標組成，從技術、經濟、低碳效果3 個角度進行全面的分析和評價.

圖 2 鋼鐵企業低碳技術評價指標體系Fig.2 Selection and evaluation index system of low-carbon technologies in iron and steel industry

2.2 鋼鐵企業低碳技術評價方法

2.2.1 指標基準值的確定

基于定性指標與定量指標相結合的指標體系，為方便計算每個鋼鐵行業低碳技術水平，所以采用對每個指標進行基礎分賦值的方式實現歸一化. 該研究采用百分制來評估一級、二級指標，10 分為一個梯度，共分為4 個梯度：60 分、70 分、80 分和90 分. 該研究通過對鋼鐵企業進行現場調研及專家問卷所得到的數據，計算得出低碳技術(除最大值)數值的平均值作為定量指標的基準值，根據基準值的1/4、1/2、3/4得出低碳技術的基礎分. 例如，碳減排總量取值越大，分值越高，以鋼鐵企業低碳技術的碳減排總量的平均值為基準值，設為90 分，碳減排總量達到基準值的3/4 設為80 分，達到基準值的1/2 設為70 分，達到基準值的1/4 設為60 分；投資成本取值越大、分值越低，以鋼鐵企業低碳技術投資成本的平均值為基準值，設為60 分，投資成本達到基準值的3/4 設為70 分，達到基準值的1/2 設為80 分，達到基準值的1/4 設為90 分. 在對各項技術定性指標的描述中，定義分值均是從60～100 分依次遞增，定性指標主要是通過專家打分獲得.

2.2.2 指標權重的確定

層次分析法是一種簡單的任意計算原理，是分配權重以比較其他參數/備選方案的標準工具. 層次分析法為決策、評級和優先排序問題提供了一個強大的模型[26]. 該研究采用層次分析法來確定鋼鐵企業低碳技術指標權重. 通過邀請15 位鋼鐵行業環保低碳領域的專家對各指標因素兩兩比較重要性，再由1～9標度法(見表2)確定判斷矩陣，計算出特征向量，進而進行總排序，輔助進行決策.

指標權重確定的步驟：①構建評價結構. 通過上述已建立的指標體系結構，確定指標的層次和歸屬關系，將指標體系的一級、二級指標分別以A、B 表示. ②構造判斷矩陣. 專家憑借豐富的工作經驗和工作實際進行各二級指標的兩兩重要性判斷，并打分得到判斷矩陣A〔A=(aij)n×n〕. ③判斷矩陣歸一化. 方根法(歸一化方法多種，此處只以其中一種進行說明)，即首先計算判斷矩陣每一行元素乘積Mi，然后計算Mi的n次方根，并求出，最后歸一化處理得到特征根〔Wi=，其中W=(W1,W2,...，Wn)T〕 .④進行一致性檢驗. 首先近似計算最大特征根λmax，其中，然后進行一致性檢驗，即CI=(λmax-n)/(n-1)，CR=CI/RI，求得一致性比率比例CR 的值. 當CR＜0.1 時，可判斷矩陣A具有一致性，則W1,W2, …,Wn為指標權重. 當CR＞0.1 時，應重新調整矩陣，直到CR＜0.1. 式中的n代表判斷矩陣的階數，RI 為平均隨機一致性指標，其值根據表3 確定.

該研究在實際運算過程中使用Yaahp 軟件，選擇判斷矩陣集結、平均權重的算法對權重進行計算. 計算結果如表4 所示.

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

表 3 平均隨機一致性指標(RI)Table 3 Average random consistency index (RI) values

表 4 鋼鐵企業低碳技術評價指標權重的計算結果Table 4 Calculation results of low carbon technology evaluation index weight of iron and steel enterprises

綜上，由確定的基準值判斷低碳技術在二級指標上的基礎分，記為S′，將基礎分乘以各自的權重W′后相加得到相應的一級指標的得分，記為S，再將各一級指標得分乘以相應的權重W并求和，得出低碳技術的綜合得分，用符號H表示，計算公式：

式中，H為低碳技術的綜合得分，W′為各項二級指標的權重，W為各項一級指標的權重，S′為低碳技術在二級指標上的基礎分，S為相應一級指標的得分.

3 案例分析—湖南省鋼鐵企業低碳技術評價

3.1 湖南省鋼鐵企業概況

湖南省主要有湖南華菱鋼鐵集團有限責任公司(簡稱“華菱集團”)和冷水江鋼鐵有限責任公司(簡稱“冷鋼”)兩大鋼鐵企業，其中華菱集團下轄子公司衡陽華菱鋼管有限公司(簡稱“衡鋼”)、湖南華菱漣源鋼鐵有限公司(簡稱“漣鋼”)、湘潭鋼鐵集團有限公司(簡稱“湘鋼”). 2020 年華菱集團(含省外生產基地)生產生鐵2 109×104t、粗鋼2 678×104t、鋼材2 516×104t，鋼鐵產品覆蓋無縫鋼管、冷熱軋薄板、寬厚板、線棒材等十大類7 000 多個規格系列. 冷鋼2020 年 生 產 生 鐵289×104t、粗 鋼298×104t、鋼 材299×104t，產品主要有棒線材和中寬帶.

湖南省鋼鐵企業是湖南省碳排放大戶，CO2排放量基本上在200×104t CO2當量以上，其中湘鋼在2019 年CO2排放總量為1 374×104t (見圖3)，居湖南省鋼鐵企業第一. 因此，選取了湖南省衡鋼、冷鋼、漣鋼、湘鋼4 家企業進行調研，共收集到了13 項企業已應用的低碳技術.

圖 3 2019 年湖南省鋼鐵企業CO2 排放量Fig.3 CO2 emissions from steel companies in Hunan Province in 2019

3.2 湖南省鋼鐵企業低碳技術基礎分計算

采用Delphi 法，由專家對指標體系的二級指標進行賦值，需要注意的是，定性定量指標的賦值都是與具體的技術有關，其中定量指標是確定的具體技術數值，定量指標通過對各項技術數值(去除最大值)求取平均值，以平均值為基準值，計算出各指標下的各基礎分值對應的具體基準值(見表5). 以投資成本為例，湖南省鋼鐵企業各項低碳技術的投資成本平均值為4 155×104元，則二級指標投資成本基礎分為60分時對應的基準值為4 155.78×104元，基礎分為70分時對應的基準值為3 116.84×104元，基礎分為80分時對應的基準值為2 077.89×104元，基礎分為90分時對應的基準值為1 038.95×104元. 然后根據基礎分判定的標準，得出各項技術在二級指標上的基礎分，若是正向指標，則大于平均值賦90 分，在平均值的3/4～1 之間賦80 分，在平均值的1/2～3/4 之間賦70 分，在平均值的1/4～1/2 之間賦60 分；若是負向指標，則大于平均值賦60 分，在平均值的3/4～1 之間賦70 分，在平均值的3/4～1/2 之間賦80 分，在平均值的1/2～1/4 之間賦90 分.

表 5 指標對應的基準值Table 5 Benchmark values corresponding to indicators

3.3 案例結果與討論

根據3.3.2 節得出的13 項技術基礎分，結合二級指標權重，計算得出各項技術在二級指標上的得分情況(見表6). 由表6 可知，若只評價年碳減排效果，焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術、廢鋼循環利用技術、富含一氧化碳的氣態二次能源綜合利用技術、加熱爐黑體強化輻射節能技術的碳減排總量較大，且在二級指標上的得分較高，在未來湖南省實現碳中和、碳達峰目標中是值得大力推廣的低碳技術. 若只評價技術的投資成本、成熟度和普適性，目前湖南省仍然是以余熱余壓利用等節能技術為主，而碳儲存、碳利用技術以及智能化煉鋼技術目前的投資成本較大，并且存在著個別的技術問題，在鋼鐵企業技術應用上較少.

表 6 13 項低碳技術在各項二級指標上的得分情況Table 6 Scores of 13 low carbon technologies on each secondary indicator

由表7 可知，湖南省13 個鋼鐵企業低碳技術綜合評價得分在70～85 分之間，80 分以上的占比為23.1%，75～80 分的占比為38.5%，70～75 分的占比為38.5%. 其中高爐煤氣余壓透平發電裝置、廢鋼循環利用技術的得分較高. 多項研究[27-29]亦表明：高爐煤氣余壓透平發電裝置技術在鋼鐵行業技術應用上屬于成熟的技術且已基本普及；加大廢鋼資源利用，是鋼鐵行業實現碳達峰且有效降碳的重要途徑.

表 7 鋼鐵企業低碳技術評價的排名情況Table 7 Evaluation ranking of low-carbon technologies in iron and steel industry

該研究發現，湖南省鋼鐵低碳技術還是以過程控制技術類別占主導位置，如得分較高的高爐煤氣余壓透平發電裝置、燒結煙氣選擇性循環凈化與余熱利用技術、燒結余熱發電技術等. 全過程管控及儲碳類技術如智能化煉鋼技術、富含一氧化碳的氣態二次能源綜合利用技術得分較低，目前智能化煉鋼技術只有湘鋼已實現，富含一氧化碳的氣態二次能源綜合利用技術只有衡鋼已應用. 原材料替代類的技術如氫冶煉技術、高爐噴吹廢塑料技術在湖南省內基本沒有應用，而在未來，改變鋼鐵行業能源結構，是實現綠色鋼鐵生產的關鍵路徑[30].

4 結論與建議

4.1 結論

a) 根據各項技術在二級指標上的得分顯示：以年碳減排總量為目標，廢鋼循環利用技術、富含一氧化碳的氣態二次能源綜合利用技術、加熱爐黑體強化輻射節能技術年碳減排總量較大且在二級指標上的得分較高，在湖南省鋼鐵企業實現降碳過程中值得大力推廣；以技術投資成本、成熟度、普適性和二次能源回收利用率為目標，得分較高的是余熱余壓利用等節能技術，目前湖南省鋼鐵企業仍然以余熱余壓利用等節能技術為主，可大大降低能源的損耗.

b) 基于鋼鐵企業低碳技術的綜合評價結果，高爐煤氣余壓透平發電裝置、廢鋼循環利用技術得分較高，分別為83.129、82.982 分；智能化煉鋼技術、富含一氧化碳的氣態二次能源綜合利用技術得分較低，分別為74.040、72.991 分；處于中等水平的技術基本上屬于余熱余壓利用等節能技術.

4.2 建議

a) 加快余熱余壓利用等成熟節能技術的普及推廣，提升自發電比例，降低能源直接消耗. 積極推廣鋼鐵企業燒結煙氣選擇性循環凈化與余熱利用、焦爐上升管荒煤氣余熱利用、高爐沖渣余熱利用、燒結余熱發電技術等尚未普及且節能效果好的余熱余壓回收技術，高爐煤氣余壓透平發電裝置在我國鋼鐵企業基本已普及，但仍需進一步加大推廣. 通過提高余熱和剩余能源資源的深度利用，減少對電力的需求，實現節能減排目標的快速推進和企業能源成本的有效降低. 同時，加大技術創新，鼓勵電爐、轉爐等復雜條件下技術裝備的研發.

b) 進一步提高廢鋼比. 積極采用廢鋼循環利用技術，如果在高爐/轉爐(BF/BOF)工藝中采取相應的技術措施，提高廢鋼比，降低鐵鋼比，鋼鐵工業的CO2排放總量可以大大降低. 然而如果采用純廢鋼電弧爐煉鐵工藝，比高爐/轉爐(BF/BOF)工藝降碳空間更大.

c) 提升鋼鐵企業智能化水平，緩解減排壓力. 積極引入5G、人工智能、互聯網等新一代信息技術在鋼鐵工業中的運用，推動鋼鐵企業在能源管理、生產工藝上的數字化、智能化的發展，減少能耗，緩解減排壓力.