钢铁工业温室气体排放与减排

1、 钢铁第 38 卷 第 7 期2003 年 7 月 V o l. 38, N o. 7IRON AND ST EELJuly2003钢铁工业温室气体排放与减排杨晓东张玲(北京钢铁设计研究总院)摘 要 简要介绍钢铁生产过程中温室气体的产生以及目前的排放状况, 针对我国钢铁行业的发展状况, 分 析行业温室气体减排途径以及能耗与减排的关系, 探讨与钢铁生产相关的温室气体减排对策和潜力。 关键词 钢铁工业 温室气体 减排对策 GREENHOUSE GAS EM ISS IO N FROM IRO N AND STEEL IND USTRY AND ITS RED UCT IO NYAN G X iao

2、dongZHAN G L ing(B eijing Cen t ral Engineering and R esearch Inco rpo rat io n of Iron and Steel Indu stry)ABSTRACT T he generat io n and em issio n of greenhou se gas from iron and steel indu stry is in t roduced. . T he w ays to reduce em issio n and the relat io n sh ip betw een energy con sump

3、t io n and em issio n reduct io n of iron and steel indu stry in Ch ina is analysed. T he m easu res and po 2 ten t ia l of em issio n reduct io n are investigated.KEY WO RD S iron and steel indu stry, greenhou se gas, em issio n reduct io n m easu res工业化时代仅仅约 200 年的时间, 人类活动给全球带来了一系列重大环境问题 气候变暖、酸雨、臭

4、氧层破坏、地表状态的变化(森林锐减、土地荒漠化) 等, 尤其是大气中的温室气体含量的持续增加, 导致了全球范围的气候变暖。 1 钢铁工业的温室气体及排放状况111 温室气体及其特性 大气温室效应作为自然界的一种固有现象长期存在。大气由许多气体组成, 其中氮、氧占了总体积的 99 % , 但主要影响温室效应的是众多的微量气 体, 当它们在大气中的浓度增加时, 会加剧“温室效应”, 引起地球表面的大气温度升高。温室气体对地球辐射热量的收支平衡起重要作用。与产生温室效应有关的微量气体种类很多, 其中主要的温室气体变化情况及其特性见表 1。 在过去一个多世纪里, 由于矿物燃料的燃烧和森林的砍伐, 大气

5、中的CO 2 含量已经增加了 25 % ,CH 4 含量已经增加了 1 倍, N 2O 也增加了 1?3。 主要温室气体的来源及其温室效应贡献见表 2。 表 1 人类活动影响下的主要温室气体1T able 1 M ain greenhouse gases affected by hum an activitiesCO 2?10- 6CH 4?10- 9CFC-11?10- 12CFC-12?10- 12N 2O ?10- 9大气含量单位工业革命前(1750 1800 年) 1990 年 现存的每年变化值现存的每年变化率?%平均寿命?a20 年变暖潜值1)2803531. 80. 550 200

6、18001 7200. 0150. 9106302809. 54654 50004841741307 1002883100. 80. 251502701) 变暖潜值是比照CO 2 的变暖效果计算的, 如果一个CO 2 分子在周年内形成一个单位的增暖效果, 则一个CH 4 分子将会造成 63 个单位 的变暖效果 联系人: 杨晓东, 高级工程师(教授级) , 北京(100053) 北京钢铁设计研究总院环保室 66钢铁第 38 卷表 2 主要温室气体的来源及其温室效应的贡献1T able 2 O rigin of m ain greenhouse gases and contribut ion of

7、 greenhouse effect表 3 钢铁工业的温室气体种类及来源 T able 3V arieties and o rigin of the m ain greenhousegases of iron and steel industry%温室气体影响主要来源工艺阶段温室气体产生来源CO 249工业生产、化石燃料燃烧、生物 农业 化学工业 烧 结?球 CO2、CO、SO2、NO x团生产 燃料在矿粉烧结过程中的燃烧 煤的干馏过程及加热燃烧 铁水冶炼过程 18146CH 4 CFC11 12 N 2O炼焦生产 CO 、 CH 、 CO、NO 、 24xSO 2、 H 2S肥料、生物、化石

8、燃料燃烧 高炉炼铁 CO 2、CH 4、CO、SO 2、H 2S、NO x转 炉?电 CO、CO 2、NO x炉炼钢 热?冷轧 CO 2、NO x、SO 2其他(如O 3、CO、NO x ) 13多种来源 铁水脱碳冶? 炼过程加热和热处理过程中的燃料燃烧 石灰石焙烧燃料燃烧 112 钢铁生产的温室气体 目前钢铁生产有“长流程”和“短流程”两种主要石灰焙烧 CO 2、NO x自备电厂 CO 2、SO 2、NO x炉?转炉法(长流程) 在各种生产工艺。研究表操作条件下的主要温室气体CO 2 排放量比EA F 法(短流程) 高 4 6 倍, 同时目前我国转炉钢产量占产钢总量的 87 %。故本文主要讨

9、论长流程钢铁生产的温室气体问题。 按长流程组织生产的联合企业, 存在大量燃烧、焙烧、熔炼和加热等过程。钢铁企业排放的废气大体可分为三类: 第一类是生产工艺过程化学反应中排放的废气, 如烧结、炼焦、石灰焙烧、钢铁冶炼和钢材酸洗过程中产生的废气; 第二类是燃料在炉、窑中燃烧产生的废气; 第三类是原燃料运输、装卸和加工等过程产生的粉尘。温室气体主要产生于第一、二类废气中(见表 3) 。 在钢铁生产过程中, 碳通常既作为铁矿石的还原剂又作为热源将反应物加热到技术和经济均合理的动力学温度。目前钢铁生产的温室气体主要是来自以煤(也做还原剂) 为主的能源消耗所产生的, 在上述多种温室气体中, 最终外排量以C

10、O 2 占绝对多数。 113 二氧化碳排放量估算 按照政府间气候变化委员会( IPPO和经济合)作与发展委员会(O ECD ) 推荐的能源活动温室气体排放量计算方法, 其基本公式如下:2 e = 2 (T J tC ?T J - T C ) % E =式中E 碳总排放量;e 分品种燃料的碳排放量; T J 分品种燃料的实际消费量;C ?T J 分品种单位燃含碳量;t 非能源利用固碳量;T C % 燃料的氧化率。 我国钢铁生产消耗的能源品种是煤炭、焦炭、电力、重 油和天然 气。 1998 年的构成是: 煤炭占70114 % ( 其中炼焦煤占 49173 % , 燃料煤占 20141 % ) ;

11、电力占 2519 % ; 重油占 3153 % ; 天然气占 0143 %。应用上式计算排放碳的燃料品种为重油、炼焦煤、焦炭、动力煤、无烟煤、天然气等 6 种; 非能源利用固碳的产品主要是铸造铁和钢。19901998 年我国钢铁工业碳排放量列于表 4。 表 4 1990 1998 年钢铁工业碳排放量估算 Evaluat ion on carbon em ission of iron and steel industry from 1990 to 1998T able 4名称19901992199419961998钢产量?万 t综合能耗?t (标煤) t- 1 (钢)碳排放总计?万 t 吨钢碳排

12、放量?t6 303. 571. 6115 557. 370. 887 601. 031. 5746 187. 310. 818 718. 371. 5197 024. 140. 819 598. 011. 3927 330. 930. 7610 963. 201. 2907 546. 010. 68增幅仅为 319 % , 而单位产品碳排放量由 1990 年的根据表 4 可知, 90 年代以来, 钢铁工业加快技术进步和节能技术改造, 单位产品耗能量逐年降低, 1990 1998 年钢产量年均增长率 7116 % , 能源消耗随产量增加呈缓慢增长趋势, 升幅较小。碳排放量 t ( 碳) ?t (

13、 钢) 下降到 1998 年的 0168 t ( 碳) ?t0188( 钢) , 吨钢排放CO 2 约2 500 kg。在碳排放量中, 由煤炭、焦炭燃烧排放的碳量占碳排放总量的 95 % 以 第 7 期杨晓东等: 钢铁工业温室气体排放与减排67上; 重油和天然气因消耗量很小, 仅占碳排放总量的4 % 以下 2 。 114 国外钢铁工业温室气体排放状况与前景 据国外研究资料介绍, 采用长流程(设定的操作条件) 冶炼每吨钢产生2 198 kgCO 2 , 生产操作不同, 排放量会有不同, 当高炉采用DR I、转炉采用使用废钢时, CO 2 排放量稍低, CO 2 的排放量受喷煤比的影响不大, 用生

14、球团代替烧结矿时CO 2 排放量稍有增加, 每使用 100 kg 球团, 增加CO 2 排放量 48 kg?t钢水 3 。 表 5 列出了奥钢联提出的近期和未来钢铁生产CO 2 减排潜力。 表 5 二氧化碳排放及减排潜力1)T able 5 CO 2 em ission and po tential of em ission reduct ionkg?t (热卷)CO 2 排放时段支撑技术主要活动长流程短流程过去 现在及短期内高炉转炉?电炉高炉转炉?电炉精炼?冶炼排放高炉转炉?电炉喷吹煤粉 喷吹天然气喷吹塑料 直接还原铁天然气高炉+ H 2H 2还原矿石电解 2 3002 1002050600

15、460联合循环发电COREX 熔融还原炼铁技术 F INM ET 基于煤气的粉矿还原技术中期2751 80016001500850850 0 0euro 2strip 带钢连铸技术长期无碳基发电 奥钢联开发的H YDROM ET 0 01) 资料来自ETC 20012 钢铁工业温室气体减排对策由上述分析可知, 钢铁工业温室气体的减排有赖于现代冶金技术的进一步开发应用和进一步降低能源消耗, 短期内考虑改变以煤为主的能源结构是不现实的。H 2 虽然是一种清洁还原剂, 理论上可以大规模使用, 但由于成本等原因在近期难以实现工业化应用。 针对我国钢铁生产发展特点, 加快采用高新技术的改造和不断优化生产

16、流程, 提高能源利用效率和加大二次能源的回收利用, 是我国钢铁工业温室气体减排的主要途径, 此外应积极着手开展废气中CO 2 的处置回收利用; 另一方面, 按照材料整个寿命周期的观点来看, 不断提高钢铁材料的性能品质(新一代钢铁材料) , 可以使材料在使用过程中实现节能和CO 2 的减排。 211 节能与减排 现代冶金技术的迅速发展, 使得钢铁生产流程不断优化, 为节能降耗奠定了基础。我国钢铁工业整体工艺技术水平较低, 能源消耗高, 比发达国家能耗高 20 % 30 %。 从图 1、2 可看出钢铁生产的节能还有相当大的潜力。日本专家分析的能耗潜力见图 1。美国专家分析的各工序能耗理论值与实际值

17、的差距见图 24 。 我国钢铁工业在“九五”期间产业技术进步取得 图 1 日本专家分析的余能节能潜力F ig11 Po tential of energy saving w ith the w aste heat analyzed by Japanese experts图 2 美国专家分析各工序能耗理论值与实际值的差距 F ig12 D ifference betw een theo retical and p ractical values of energy consump t ion fo r each p rocessanalyzed by Am erican experts 68钢铁

18、第 38 卷了显著成效, 在连铸比、喷煤量、热装热送比大幅度提高的基础上, 国家经贸委提出在“十五”末期冶金行业综合能耗目标为小于 800 kg。按“十五”末全国钢产量 118 亿 t, 综合能耗以 800 kg 计, 全行业能源消耗较 2000 年可实现零增长, 甚至负增长。吨产品CO 2 排放量进一步下降。 企业应在技术改造、组织生产和节能等方面重点加强以下工作:剂。干冰可用于轴承的装配、染料生产、低温实验、粮食保存等, 近年来, 国外对干冰的应用发展迅速, 新开拓的应用领域有以下 5 种: 木材保存剂、爆炸成型剂、混凝土添加剂、核反应堆净化剂、冶金操作中的烟尘遮蔽剂。 (2)二氧化碳的化

19、学利用 CO 2 的化学利用是指CO 2 在应用过程中改变化学性质,以CO 2 形式或其还原形态参加化学反应而构成新的化合物。随着合成的化合物寿命不同, 最(1)推行精料;(2) 通过新型工艺流程节能降耗;直接热轧技术(零能耗均热炉) ;无头轧制、酸轧联合机组;高压大功率变频调速。 终CO 2 还会返回到大气环境中,但却可大大降低CO 2 的排放速度。CO 2 的化学利用包括: CO 2 用于水处理过程;用CO 2 作碳源合成新的有机化合物,作原料纸张的添加剂和颜料, 用CO 2 生产无机化工产品。 (3) 运用钢厂热电制氧煤气多联供技术, 做到企业热能利用优化, 综合能耗进一步下降;(3)国

20、际二氧化碳应用概况 在发展中国家,目前几乎所有的CO 2 都用在矿(4)二次能源回收技术。 泉水和软饮料生产中。在发达国家, CO 2 被广泛应用加快普及CDQ ( 75(1 000 m 3 以上高炉) ;t?h 以上焦炉) 和 TR T于多个领域。的市场划分: 食品冷冻和制冷40 % , 饮料碳化20 % , 化学产品生产 10 % , 冶金 10 % , 其他 20 %。在西欧 45 % 用于矿泉水和软饮料生产, 食品加工占 18 % , 焊接占 8 %。日本的液体CO 2 和干冰的消费结构与美国、西欧不同, 主要用于焊接占 44 % , 干冰用于冷冻剂、保鲜剂各占 20 % ,其余 60

21、 % 的干冰用于医疗、药物和消防等。 提高热送热装比和热送温度;加快推广蓄热式燃烧技术;推广大容量全高炉煤气发电技术;积极采用高炉热风炉余热回收技术和余热锅炉先进热交换技术;加快提高转炉煤气回收量(80 m 3?t 以上)。 212二氧化碳资源化 21211二氧化碳资源化及其发展前景 近年来人们认识到除减少使用化石燃料或使用低碳的化石燃料替代高碳化石燃料, 以及节约能源、提高能源利用效率之外, 分离、回收和利用或处置CO 2 也是实现减排的一个重要的途径。目前大量减少化石燃料, 特别是煤炭的使用面临各种复杂问题和困难, 但分离、回收和利用或处置CO 2 可在不减少化石燃料利用的条件下实现减排。

22、利用CO 2 既可减轻对气候变化的影响, 又能为人类生产出所需产品, 有着很大的社会和经济效益。 CO 2 的物理利用是指在使用过程中, 不改变 CO 2 的化学性质, 它仅仅作为一种介质。CO 2 的物理利用包括人们熟知的: 用作制冷剂固态CO 2 (干冰) ; 用于食品保鲜和储存; 饮料添加剂; 用作灭火剂等,另外还可用于气体保护焊; 在低温热源发电站中作目前的人均CO 2 年消耗量为:316 kg 。 18 kg, 西欧 21212 钢铁工业废气中二氧化碳的回收利用石 灰窑废气回收液态CO 2上钢五厂和宝钢分别于 1994 年和 1997 年对本厂的石灰窑设置了CO 2 回收装置,宝钢采

23、用变压吸附法回收纯度 99199 % 的液态CO 2 1 万 t?a。 以下简要介绍上钢五厂采用“BV ”法回收 CO 2 的情况(工艺流程见图 3) 。主要过程为: 以从石灰窑窑顶排放出来的含有约 35 % 左右CO 2 的窑气为原料, 经除尘和洗涤后, 将废气中的CO 2 分离出5来, 并压缩成液体装瓶,得到高纯度的食品级的CO气体,根据市场需求生产食品用液态CO。也可应工作介质;作为抑爆充加剂。液体CO 2 及干冰还可图 3 BV 法回收液态CO 2 工艺流程简图 F ig13 Sketch of BV liqu id CO 2 recovery p rocess用作原皮保藏剂、气雾剂、

24、驱虫剂、驱雾剂; 中和含碱污水, 含污水解毒剂; 作为水处理的离子交换再生 第 7 期杨晓东等: 钢铁工业温室气体排放与减排69全和材料的循环利用等。 除了减轻重量之外, 发动机燃烧效率的提高对改善废气排放也很重要。新耐热不锈钢耐受废气温度 1 000 , 用于排气系统的集气管和催化净化器。 (2) 电力工业。高效率发电系统对钢材提出更加严格的要求, 例如超临界压力发电, 要求有高效锅炉钢管(如N F 61) 满足高温和高压的工作条件。无论是发电机或是变压器, 改善电磁钢板性能可以减少铁芯损失, 提高发电和输配电的效率。日本N KK 公司新近开发了两种高硅(615 % Si) 电磁钢板。一种在

25、高频条件下铁损特别小, 是将冷轧钢板表面硅化到 615 % 而内部为 3 % Si, 使得表面磁通密度增大, 有效减小了涡流损失。另一种具有低的残留磁性, 是将表面硅升高而降低内部的硅达到合理的分布, 这种钢板的余磁只有通常钢板的 1?4 1?5 而最大磁通密度没有改变。 3结语我国钢铁工业温室气体的减排有很大潜力, 其根本途径是在结构调整过程中, 加快采用高新技术的改造和不断优化生产流程, 提高能源利用效率和加速二次能源的回收利用步伐。同时积极开展废气中CO 2 的回收利用。在提高钢铁材料的性能品质、使材料在使用过程中实现节能和减排方面, 密切注视和跟踪国际发展。 烟草处理、铸造焊接以及消防等方面。该工艺主要技术指标:(1) 石灰窑窑顶废气收集率大于 90 % ;(2) 生产能力为5 000t?a 液态CO 2;(3 ) 回收液态 CO 2 符合国家食品级标准 (GB 10621289) ;(4)主要消耗: BV液 960 kg?a、蒸汽消耗 116万 t?a、电消耗 60 万 kW h ?a、水消耗 715 万m 3?a。213 钢材使用寿命周期中减排潜力 钢材作为国民经济建设和与人民日常生活密切相关的结构性和