長短流程能耗和碳排放對比分析
冶金工業信息標準研究院
低碳研究團隊負責人
陳劍
目前，典型的鋼鐵生產流程分為兩類：一類為焦化（焦炭）-燒結、球團-高爐-轉爐-連鑄-軋制工藝流程，即高爐-轉爐長流程；另一類為電爐（以廢鋼為主要鐵素原料）-連鑄-軋制工藝流程，即廢鋼電爐短流程。
圖1長流程和短流程冶煉工藝示意圖
兩大流程冶煉得到合格鋼水后的連鑄和軋制過程基本一致，短流程由于使用可循環利用的廢鋼作為主要原料，不包括煉焦、燒結、高爐煉鐵等高耗能和高排放工序，普遍認為環保節能低碳效果較長流程顯著。但電爐冶煉的原料并不一定全部使用廢鋼，也可能會添加大量的鐵水、冷鐵塊或直接還原鐵。因此，兩大流程能源消耗和碳排放量還要取決于煉鋼鐵素資源結構。筆者就長流程和短流程進入煉鋼爐的不同鐵素資源結構變化，對長短流程的節能減碳效果進行探討。
一、長流程和短流程噸鋼能耗和碳排放估算
（一）估算邊界
（1）本文估算僅計算兩類冶煉流程生產出合格鋼水的主要工序能源消耗和碳排放量，鐵礦石、廢鋼、鐵合金、熔劑等原輔料生產不計入能耗和碳排放。
（2）對于高爐-轉爐長流程鋼鐵冶煉工藝，包括焦爐煉焦、燒結、球團、高爐煉鐵和轉爐煉鋼等主要生產工序，不論是否有焦化工序，焦炭都要計入能源消耗和碳排放。
（3）對于電爐短流程鋼鐵冶煉工藝，如果采用全廢鋼冶煉，則只包括電爐冶煉工序，如果采用廢鋼+鐵水（冷鐵塊、直接還原鐵）冶煉，則包括生產鐵水的所有主要工序和電爐冶煉工序，其中，冷鐵塊和直接還原鐵按鐵水計。
（二）估算方法
通過各主要工序的能源消耗量折算為噸鋼能耗，合計估算生產1噸鋼水的能源消耗量（按標準煤計），再用能耗值折算噸鋼碳排放量。
根據中鋼協2021年重點統計企業能耗水平，燒結工序能耗48.50kgce/t-燒結礦，球團工序能耗25.23kgce/t-球團礦，焦化工序能耗105.55kgce/t-焦炭，煉鐵工序能耗387.94kgce/t-鐵水，轉爐冶煉工序能耗為-20.88kgce/t-鋼水（不包括精煉），電爐冶煉能耗為42.22kgce/t-鋼水（不包括精煉）。
（1）高爐-轉爐長流程冶煉噸鋼能耗和碳排放量估算
按當前高爐-轉爐長流程冶煉平均水平估算，生產1噸鋼水鋼鐵料消耗約為1060kg，其中廢鋼消耗量為140kg，廢鋼比為13%左右，其余為鐵水和生鐵，按920kg計算；生產1t鐵水消耗1.6t的鐵礦石，其中燒結礦占比75%，消耗量為1.2t，球團礦占比25%，消耗量為0.4t，焦炭消耗量為350kg。根據以上數據，長流程工藝生產1t鋼水各主要工序能源消耗按標準煤計算如下：
鐵前工序（包括焦化、燒結、球團、煉鐵）：0.92×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=453.72kgce；
轉爐冶煉工序：-20.88kgce；
高爐-轉爐長流程工藝主要工序合計：453.72-20.88=432.84kgce。
按照當前鋼鐵行業折標煤能耗和碳排放的折算因子，1tce相當于3.5tCO2的排放計算，高爐-轉爐長流程工藝生產1t鋼水各主要工序排放CO2量為：432.84×3.5=1.515t。
（2）電爐短流程噸鋼能耗和碳排放量估算
當前電爐短流程煉鋼原料主要是廢鋼，并添加一部分鐵水或冷鐵塊，根據廢鋼協會統計，電爐冶煉廢鋼單耗平均約為680kg/t，鋼鐵料消耗按1060kg/t計算，鐵水或冷鐵塊單耗約為380kg/t，經測算廢鋼比約為65%左右。生產鐵水或冷鐵塊的能耗按長流程計算。根據以上數據，65%廢鋼電爐短流程工藝生產1t鋼水各主要工序能源消耗按標準煤計算如下：
鐵前工序：0.38×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=187.41kgce；
電爐冶煉工序：42.22kgce；
65%廢鋼電爐短流程工藝合計：187.41+42.22=229.63kgce。
按照1tce相當于3.5tCO2的排放計算，65%廢鋼電爐短流程工藝生產1t鋼水各主要工序排放CO2量為：229.63×3.5=0.804t。對于全廢鋼電爐短流程冶煉，噸鋼能耗和碳排放量估算僅包括電爐冶煉工序的能耗和碳排放。
根據中鋼協統計企業的2021年能耗水平及高爐-轉爐（廢鋼比13%）長流程和65%廢鋼電爐短流程的冶煉水平，后者噸鋼能耗和噸鋼碳排放分別是前者的一半左右（53.05%）。
二、長流程和短流程在不同廢鋼單耗下的能耗和碳排放對比
按照上述長流程和短流程在不同廢鋼單耗下的能耗和碳排放估算邊界和方法，根據《鋼鐵企業節能設計標準》（GB/T50632-2019）中各工序能源消耗水平計算高爐-轉爐長流程和電弧爐短流程的能源消耗和碳排放情況對比見表2。
長流程轉爐冶煉主要原料輸入為鐵水，按當前冶煉水平，廢鋼比在13%左右，隨著廢鋼比的不斷提升，理論計算的噸鋼能耗和噸鋼碳排放均不斷降低，但轉爐廢鋼不能無限制增加，宜控制在20%左右，最大應控制在30%以內。對于電弧爐冶煉來說，主要原料輸入為廢鋼，廢鋼比調節范圍較寬，鐵水兌水量不宜超過85%，廢鋼比越高，噸鋼能耗和噸鋼碳排放均持續降低。根據表2的理論計算結果，短流程廢鋼比在50%左右時，長短流程的噸鋼能耗和碳排放接近，因此，以短流程廢鋼比50%為分界點與長流程煉鋼對比如下：
（1）當電弧爐短流程廢鋼比在50%以上時，生產1噸鋼的能源消耗和碳排放明顯比高爐-轉爐長流程工藝低，廢鋼比在70%、85%和100%時，噸鋼能源消耗和碳排放分別是高爐-轉爐長流程（廢鋼比在20%左右）的1/2、1/3和1/5左右。
（2）當電弧爐短流程工藝的廢鋼比降低至50%及以下時，生產1噸鋼的能源消耗和碳排放與轉爐廢鋼比達到40%的長流程工藝接近，繼續降低電爐廢鋼比，能耗和碳排放較長流程更高；當電弧爐短流程工藝的廢鋼比降低至40%時，生產1噸鋼的能源消耗和碳排放與轉爐廢鋼比達到30%的長流程工藝接近，再降低電爐廢鋼比，能耗和碳排放較長流程更高。
（3）電弧爐短流程廢鋼比達到30%及以下時，生產1噸鋼的能源消耗和碳排放已非常接近甚至超過20%廢鋼比的長流程工藝，短流程廢鋼比越低，能源消耗和碳排放與長流程越接近，甚至更高。
三、結論和建議
（一）結論
（1）長流程提高廢鋼比有利于節能減碳。增加廢鋼比可相應減少鐵水的加入量，從而減少鐵前工序的能源消耗和碳排放量。轉爐廢鋼比宜控制在20%左右，不宜超過30%，既能保證轉爐煤氣回收量，又能保證轉爐的正常冶煉。
（2）短流程工藝并不一定節能低碳。冶煉廢鋼比在50%以上時，噸鋼能耗和碳排放明顯低于長流程，但廢鋼比降至50%以下時，噸鋼能耗和碳排放與長流程接近甚至更高。
（二）建議
（1）統籌推進長短流程協同發展，實現流程低碳轉型的平穩過渡。在我國粗鋼產量占全球一半以上、廢鋼處于供不應求的現實條件下，高爐-轉爐長流程工藝仍是效率最高、成本最低、較為節能低碳的冶煉方式，不能盲目取消高爐置換建設電爐短流程，需充分考慮高爐轉爐服役期、廢鋼積蓄量和粗鋼產量統籌規劃推進，實現冶煉流程低碳轉型的平穩過渡。
（2）鼓勵推進全廢鋼電爐冶煉。全廢鋼冶煉的電爐短流程明顯節能低碳，根據廢鋼資源和產品市場的區域分布，有條件的地區應全面推進全廢鋼電爐短流程冶煉工藝。另外，氫基直接還原、熔融還原獲得的直接還原鐵和鐵水可以有效補充廢鋼短缺，但應充分考慮物流運輸、二次加熱等能源損失。
（3）進一步提高現有高爐-轉爐長流程廢鋼比例。目前長流程僅通過采取提高廢鋼比的措施，仍有較大節能減碳空間，廢鋼比達到20%~30%左右，理論計算可較當前水平實現節能減碳8%~18%左右。
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