钢铁企业物质流、能量流及其对CO2排放的影响

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 钢铁企业物质流、能量流及其对 CO2 排放的影响 蔡九菊1 , 王建军1 , 张　琦1 , 李广双2 1. 东北大学 热能与环境工程研究所 ,辽宁 沈阳 　110004 2. 首秦金属材料有限公司 ,河北 秦皇岛 　066326 摘要 : 将复杂的大型钢铁企业的生产系统分解为相互关联的物质流动和能量流动过程两部分. 针对其中的物质流动过程 ,构 造工序物质流图 ,并建立物质流模型 ;针对能量流动过程 ,构造工序能量流图 ,并建立能量流模型 ;在钢铁企业 CO2 排放 影响因素的基础上 ,建立了吨钢 CO2 排放量的计算模型及物质流、能量流对 CO2 排放的影响模型 ,分析了钢铁生产过程中各 种物质流、能量流的变化对 CO2 排放的影响 ;将模型应用于具体企业 ,通过对比分析 ,指出了我国钢铁企业 CO2 减排的努力方 向 : ①增加各生产工序的外加物质流 ,减少各生产工序的排放物质流和循环物质流 ; ②降低转炉铁钢比 ; ③提高电炉钢比 ; ④ 提高自发电的比例和发电水平 ,发展“只买煤、不买电”能源结构模式 ; ⑤加强余热、余能的回收利用水平. 关键词 : 钢铁生产系统 ; 物质流 ; 能量流 ; 数学模型 ; CO2 排放 中图分类号 : X383 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 1001 - 6929 (2008) 01 - 0196 - 05 Material Flows and Energy Flows in Iron & Steel Factory and Their Influence on CO2 Emissions CAI Jiu2ju1 , WANGJian2jun1 , ZHANG Qi1 , LI Guang2shuang2 1. Institute of Thermal Energy and Environmental Engineering , Northeastern University , Shenyang 　110004 , China 2. Shouqin Metal Materials Co. , Ltd. , Qinhuangdao 　066326 , China Abstract : The iron and steel factory is decomposed into two parts : the material flows process and the energy flows process. The material flow diagram is structured , and the material flow model is constructed accordingly. The energy flow diagram is structured , and the energy flow model is constructed based on the diagram. The calculating model for the CO2 emissions per ton steel in a factory is constructed , which consists of a variety of factors that have influences on CO2 emissions. The influences of the materials flows and energy flows on CO2 emissions in the iron and steel2producing process are analyzed. The models are adopted in a factory to discuss the influences , and the results indicate that some measures should be taken to reduce the CO2 emissions in China steel industry : ①increasing the material flows from outside of a process and reducing the material flows discharged and recycled ; ②reducing the hot iron consumption per ton steel in a converter ; ③increasing the output of steel that is produced by electrical furnace ; ④improving the electricity generating inside the factory and developing the energy mode of “buying only coal and no electricity”; ⑤enhancing the recovery of residual heat and energy. Key words : steel2producing system ; materials flows ; energy flows ; mathematical model ; CO2 emissions 收稿日期 : 2007 - 04 - 04 　　　修订日期 : 2007 - 07 - 09 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目 (50334020) 作者简介 : 蔡九菊 (1948 - ) ,男 ,辽宁凌海人 ,教授 ,博士生导师 , jennings - email @yahoo. com. cn. 　　现代钢铁联合企业是复杂的铁 - 煤化工生产系 统 ,在该系统中含铁等原料经过一系列物理化学变 化从天然资源到钢铁产品或废弃品 ,组成钢铁生产 过程 ;含碳等能源经过一系列加工、转换、改质环节 从购入能源到能源产品或排放物 ,组成能源转换过 程. 各种物料沿产品生命周期的轨迹流动 ,形成物质 流 ;各种能源沿着转换、使用、回收、排放的路径流 动 ,形成能量流. 物质流和能量流既独立又相互联 系、彼此制约 ,能量流推动物质的流动和转变 ,而物 质流在转变过程中又产生新的能量流. 物质流是钢 铁生产的主体 ,决定于钢铁生产过程 ;能量流根据物 质流转变的工艺进行转变. 在产品规格和产量 一定时 ,二者共同决定企业的资源消耗、能源消耗和 环境负荷[1 ] . 国外的学者很重视钢铁工业物质流、能 量流的研究[227 ] ,近几年来 ,国内的殷瑞钰院士和陆 钟武院士陆续发[8213 ] ,明确提出开展钢铁工 业中资源、能源和环境问题研究的重要性 ,提高了人 　 第 21 卷 　第 1 期 环 　境 　科 　学 　研 　究 Research of Environmental Sciences 　　 Vol. 21 ,No. 1 ,2008 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 们对冶金、化工、建材等流程工业中物质流、能量流 的认识. 随着《京都议定书》的逐步生效 ,钢铁企业如何 实现 CO2 减排 ,已成为现实课题. 文献[14 ]提出了钢 铁企业 CO2 减排的几个措施 : ①调整钢铁生产流 程 ,用 CO2 排放很少的废钢 - 电炉流程取代部分高 炉 - 转炉流程 ,用非高炉熔融还原炼铁工艺取代部 分高炉炼铁工艺 ,高炉 - 转炉流程中加入更多的废 钢 ; ②用绿色能源 (如氢能源)替代碳能源 ; ③加强钢 铁生产过程中 CO2 的捕集和分离. 然而 ,对于我国 钢铁企业来说 ,这些 CO2 减排措施并不普遍适用 , 需要结合我国钢铁企业的特点 ,有的放矢地应用. 我 国钢铁企业技术装备相对落后 ,大量高耗能设备依 然存在 ,物质流结构、能量流结构还有很多不合理的 地方 ,如铁钢比明显偏高 ,余热余能回收利用率极 低 ,导致我国钢铁企业能耗一直居高不下. 2006 年 重点大中型企业的吨钢综合能耗达到 0165 tΠt . 对我 国钢铁企业来说 ,调整生产流程 ,加强余热余能回收 利用 ,节能降耗是当前 CO2 减排的现实出路 ,使用 替代能源及对 CO2 进行捕集和分离只能是辅助性 和补救性的措施[15 ] . 基于此 ,笔者拟建模分析钢铁 企业的物质流、能量流对 CO2 排放的影响 ,找出我 国钢铁企业 CO2 减排的努力方向和途径. 1 　物质流模型 笔者所指物质流均为铁素流. 钢铁生产过程中 的任何一道生产工序均有可能出现 6 股物质流或部 分物质流的情景 (见图 1) : a1 输入物质流 ,第 i - 1 工序的产品作为原料 输入给第 i 工序 ,其 Fe 元素流量为 Fi - 1 ,tΠt (指钢铁 企业生产1 t粗钢某生产工序的 Fe 元素流量 ,下同) . b1 外加物质流 ,作为原料从流程外加入第 i 工 序的原料 (如废钢) ,其 Fe 元素流量为αi ,tΠt . c1 排放物质流 ,第 i 工序向环境排放的各种废 弃物 ,其 Fe 元素流量为γi ,tΠt . d1 输出循环物质流 ,第 i 工序生产的不合格产 品或废品 ,作为原料重新返回到本道工序或其他上 游工序循环使用 ,其 Fe 元素流量为βi , i及βi , k ,tΠt . e1 输入循环物质流 ,下游第 m 工序生产的不合 格产品或废品 ,作为原料重新返回到第 i 工序 ,其 Fe 元素流量为βm , i ,tΠt . f1 输出物质流 ,第 i 工序生产的合格产品 ,其 Fe 元素流量为 Fi ,tΠt . 根据工序物质平衡 ,有 : Fi - 1 + αi +βm , i +βi , i = Fi + γi +βi , k +βi , i (1) 　　基于式 (1) ,则第 i 工序材比系数 (即第 i 工序 的实物产量与钢材产量之比)为 : pi = Pi Pn = 1 Ci 1 + ∑ n j = i +1 γj + ∑ n j = i +1 ∑ j k = 1 βj , k - ∑ n j = i +1 αj (2) 式中 , pi 为第 i 工序的材比系数 ,tΠt ; Pi 为第 i 工序 统计期内的实物产量 ,t ; Pn 为钢铁企业统计期内的 钢材产量 ,t ; Ci 为第 i 工序合格产品的含铁率 , % ; 等号右侧括弧内第 1 项 ,即“1”表示排放物质流、循 环物质流、外加物质流不存在时第 i 工序的物质流 比 ;第 2 项为下游各工序的排放物质流对 pi 的影响 量 ;第 3 项为下游各工序返回上游各工序的循环物 质流对 pi 的影响量 ;第 4 项为供给下游各工序的外 加物质流对 pi 的影响量. 图 1 　生产工序的物质流图 Fig. 1 　Material flow through a process 2 　能量流模型 以生产单位产品 (1 t ,1 m3 或 1 kW·h等) 为基 准 ,能源转换工序或钢铁生产工序的能量流如图 2 所示. 在图 2 中 ,能量流按来源、去向和作用的不同 , 划分为 6 股 : a1 输入能量流 ,第 i - 1 工序作为原料带入第 i 工序的能量 ( gi - 1 ) ,包括化学能、热能和动能等 (以 煤计 ,下同) ,kgΠt ,kgΠm3 ,kgΠ(kW·h)等. b1 输出能量流 ,第 i 工序产品带走的热能或化 学能等 ( gi 0 ) ,kgΠt ,kgΠm3 ,kgΠ(kW·h)等. c1 加入能量流 ,从外部供给第 i 工序的燃料、 电力、蒸汽等能量 gα, i ,kgΠt ,kgΠm3 ,kgΠ(kW·h)等. d1 损失能量流 ,第 i 工序散失的以及物料在工 序前后输送过程中损失的能量 gγ, i , kgΠt , kgΠm3 , kgΠ(kW·h)等. e1 回收自用能量流 ,第 i 工序回收自用的燃 791第 1 期 蔡九菊等 :钢铁企业物质流、能量流及其对 CO2 排放的影响 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 料、蒸汽、热能、动力等能量 ( gβ, i ) , kgΠt , kgΠm3 , kgΠ(kW·h)等. f1 回收他用能量流 ,第 i 工序回收并用于其他 工序的燃料、蒸汽、热能、动力等能量 ( gζ, i ) , kgΠt , kgΠm3 ,kgΠ(kW·h)等. 由图 2 可知 ,进出第 i 工序 (装置) 的能量平衡 式为 : gi ,1 + gα, i + gβ, i = gi 0 + gζ, i + gβ, i + gγ, i (3) 　　该工序的能耗 ( ei )为 : ei = ( gα, i + gβ, i ) - ( gβ, i + gζ, i ) (4) 　　由式 (4)可知 ,要降低钢铁企业某一生产工序的 能耗 ,既要降低该工序的余热余能生成量 ,还要及 时、有效地回收利用生产过程中产生的余热余能 ,尽 可能地少耗散或贬质. 图 2 　生产工序的能量流图 Fig. 2 　Energy flow diagram through a process 3 　物质流、能量流对 CO2 排放的影响 钢铁企业 CO2 的排放受企业能源结构、能耗水 平、碳能源发热量、含碳量、单位能源 CO2 排放量及 CO2 末端治理水平等多个因素的影响. 假设钢铁企 业外购能源只有燃料与电力 ,且其中的碳能源最终 全部转化为 CO2 排放到环境中 ,则钢铁企业吨钢 CO2 排放量 (计入钢铁企业外电厂发电 CO2 排 放)为 : VCO2 = ψfuel (ei ·pi )€bfuel €vCO2 + (1 - ψfuel ) (ei ·pi )belec vCO2′- VCO2- (5) 式中 ,VCO2 为 CO2 排放量 ,kgΠt ;ψfuel 为钢铁企业外购 能源中燃料所占比例 , % ; €bfuel 为钢铁企业外购各种 燃料的平均折标煤系数 ,kgΠkg或kgΠm3 ; belec为企业外 购电的折标煤系数 , kgΠ(kW·h) ; ei 为生产工序能 耗 ,kgΠt ; pi 为生产工序的钢比系数 ,即第 i 工序的 实物产量与钢产量之比 ,tΠt ; €vCO2 为单位燃料 CO2 平 均排放量 ,kgΠkg ; vCO2′为钢铁企业外发电厂生产单 位外购电的 CO2 排放量 , kgΠ(kW·h) ; VCO2 - 为因捕 集、分离及再资源化而减排的 CO2 量 ,kgΠt . 式 (5)中 ,等号右边第 1 项为企业外购燃料所引 起的 CO2 排放量 ,kgΠt ;第 2 项为外购电所引起的钢 铁企业外 CO2 排放量 ,kgΠt ;第 3 项为 CO2 末端治理 减排量 ,kgΠt .由式 (5) 可知 ,钢铁企业要实现 CO2 减 排 ,可从 3 个方面努力 : a1 减少外购燃料所引起的 CO2 排放 ,可采取的 措施有 : ①提高燃料的发热量 ; ②使用含碳量低的替 代能源 (如天然气、氢气) ; ③降低企业的能源消耗. b1 减少因外购电引起的厂外 CO2 排放. 因企业 外购电的折标煤系数 ( belec ) 及 CO2 排放量 ( vCO2′) 比 较稳定 ,因此 ,主要通过降低能源消耗来降低 CO2 排放. c1 加强 CO2 的捕集、分离. 311 　物质流对 CO2 排放的影响 影响钢铁企业 CO2 排放的主要物质流因素为 各生产工序的钢比系数 ( pi ) ,由式 (2) 可知 , pi 取决 于生产过程中各股物质流的流量和流向. 各股物质 流对 CO2 排放的影响为 : VCO2 = ψc bfuel 44 12 λCΠH (1 + λCΠH) + (1 - ψc )belec vCO2′· ∑ n i = 1 ei Ci 1 - ∑ n j = i +1 αj + ∑ n j = i +1 γj + ∑ n j = i +1 ∑ i m = 1 βj , m - VCO2 - (6) 　　由式 (6)可知 ,当其他影响因素不变时 ,增加外 加物质流流量 ,即生产过程中多加入废钢 ,可以减少 企业 CO2 排放 ;减小循环物质流流量和排放物质流 流量 ,即减少生产过程中各种废物料 (如含铁尘泥、 粉尘、瓦斯灰及含铁炉渣) 的产生 ,也可减少企业 CO2 排放. 这是因为各种废物要么循环使用形成循 环物质流 ,要么排入环境中形成排放物质流 ,且这 2 项都会增加企业的 CO2 排放量. 钢铁行业在推进循 环经济的过程中 ,应在强调减量化、再利用的基础 上 ,提高废物的循环利用 ,这对于降低资源消耗、提 高资源效率是非常必要的 ,但废物的循环必然增加 能源消耗和 CO2 排放. 因此 ,在钢铁生产过程中 ,为 了提高资源效率 ,采取的首要措施是减少废物的产 生 ,然后才是循环利用. 由此可见 ,钢铁行业发展循 环经济 ,减量化应该是第一位的 ,其次才是再循环和 再利用. 312 　能量流对 CO2 排放的影响 891 环 　境 　科 　学 　研 　究 第 21 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 影响钢铁企业 CO2 排放的主要因素是单位燃 料 CO2 平均排放量 ( €vCO2 )及各生产工序能耗 ( ei ) .€vCO2 与企业外购能源中的碳、氢能源比有关 :€vCO2 = 4412 λCΠH ·φC(1 + λCΠH) (7) 式中 ,λCΠH为外购燃料中碳、氢能源的质量比 , % ;φC 为碳能源中碳的质量分数 , %. 由式 (4) , (5) 和 (7) 可知 ,能量流对 CO2 排放的 影响为 : VCO2 = ψfuel€b fuel ·4412 λCΠH ·φfuel(1 + λCΠH) + (1 - ψfuel )belec vCO2′· gα, i + gβ, i - gβ, i + gζ, i pi - VCO2 - (8) 　　由式 (8)可知 ,当其他影响因素不变时 ,降低外 购燃料能源中碳、氢能源比例 ,增加回收能量流 ,减 少外加能量流 ,均会减少企业 CO2 排放. 企业余热 余能回收利用水平是决定企业 CO2 排放的又一重 要因素. 4 　实例分析 为具体分析物质流、能量流对钢铁企业 CO2 排 放的影响 ,笔者对 2 个物质流、能量流结构明显不同 的钢铁企业 A ,B 的 CO2 排放情况进行计算. 2 个企 业的能源结构及物质流、能量流参数见表 1. 表 1 　钢铁企业 A , B的能源结构及物质流、能量流参数 Table 1 　Structure of energy supply and parameters of material flows and energy flows in factory A and B 项目 钢铁企业 A 钢铁企业 B 洗精煤Π(t·t - 1) 01603 01577 喷吹煤Π(t·t - 1) 01155 01189 外购能源 动力煤Π(t·t - 1) 01216 01184 油类1)Π(t·t - 1) 01002 01001 电Π( (kW·h)·t - 1) 20211 - 7215 m (铁)Πm (钢) 11021 01887 物质流参数 入炉矿中球团矿比例Π% 20 0 电炉钢比Π% 0 910 能量流参数 余热余能回收利用率 2)Π% 2215 4014 自发电率Π% 5812 10010 能耗Π(kg·t - 1) 852 675 　　1)重油和汽油等 ; 2)不包括焦炉煤气和高炉煤气. 　　基于表 1 ,根据式 (5) ,计算了 2 个企业 CO2 排 放量. 由表 2 可知 ,企业 A 比企业 B 多排放 CO2 014 tΠt ,其中因外购电多排放了 013 tΠt ,因燃料消耗多排 放了 011 tΠt . 从表 1 可知 ,导致企业 A 多排放 CO2 的 根本原因是其吨钢能耗明显高于企业 B. 根据式 (6) , (8)计算了不同物质流、能量流对 CO2 排放的影 响. 企业 A 的铁钢比 ( m (铁)Πm (钢) )达到 11021 tΠt , 比企业 B 高出 01134 tΠt ;企业 A 的电炉钢比为 0 ,而 企业 B 达到 910 % ;上述物质流方面的差距导致企 业 A 多排放 CO2 0117 tΠt . 企业 A 的余热余能回收利 用率仅为 2215 % ,而企业 B 达到 4014 % ;企业 A 的 自发电率仅为 5812 % ,而企业 B 不仅不外购电 ,还 向外供电 (7215 (kW·h)Πt) ,这些能量流方面的差距 导致企业 A 多排放 CO2 0123 tΠt . 表 2 　物质流、能量流参数不同的企业 CO2 排放量比较 Table 2 　Comparisons of CO2 emissions in factories with different parameters of material flows and energy flows tΠt 项目 钢铁企业 A 钢铁企业 B 燃料引起的 CO2 排放量 2114 2104 外购电引起的 CO2 排放量 0122 - 0108 末端治理引起的 CO2 减排量 0 0 合计 2136 1196 　　由此可见 ,钢铁企业的物质流、能量流结构及流 量大小对企业 CO2 排放影响极大. 对于我国钢铁企 业来说 ,优化钢铁企业的物质流、能量流是节能降 耗、降低环境负荷的主要途径. 5 　结论 a1 物质流和能量流问题是钢铁生产流程中 2 个关键问题 ,对钢铁企业的 CO2 排放量影响极大 , 必须引起足够重视. b1 降低转炉铁钢比 ,提高电炉钢比 ,优化入高 炉炉料结构配比等钢铁生产中重要的物质流参数 , 是降低 CO2 排放的重要措施. 在废钢资源紧张的形 势下 ,可通过几个方面的努力提高电炉钢比 : ①建立 一系列优惠政策 ,鼓励废钢的回收与使用 ; ②积极发 展废钢回收技术 ,不仅回收纯废钢 ,而且回收含杂质 多的废钢 ; ③适当地依靠进口. 预计到 2020 年 ,我国 钢铁工业的电炉钢比有望突破 20 %. c1 在钢铁生产过程中增加外加物质流流量、减 小排放物质流流量和循环物质流流量 ,均会降低钢 铁企业的 CO2 排放量 ;尤其增加废钢使用量 ,将极 大地降低钢铁企业内部的 CO2 排放量. d1 钢铁企业发展“只买煤、不买电”能源结构 模式 ,提高自发电的比例和发电水平 ,加强钢铁企业 能量流动过程中各种余热余能的回收利用水平 ,是 991第 1 期 蔡九菊等 :钢铁企业物质流、能量流及其对 CO2 排放的影响 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 降低钢铁企业 CO2 排放量的重要措施. 参考文献 : [ 1 ] 蔡九菊 ,王建军 ,陆钟武 ,等. 钢铁企业物质流与能量流及其 相互关系[J ] . 东北大学学报 (自然科学版) ,2006 ,27 (9) :9792 982. [ 2 ] Milan Scasny , Jan Kovanda , Tomas Hak. Material flow accounts , balances and derived indicators for the Czech Republic during the 1990s :results and recommendations for methodological improvements [J ] . Ecological Economics , 2003 , 45 :41257. [ 3 ] Karen R Polenske , Francis C McMichael . A Chinese cokemaking process2flow model for energy and environmental analyses[J ] . Energy Policy ,2002 ,30 :8652883. [ 4 ] Marko Starbek ,Darko Menart . The optimization of material flow in production [ J ] . International Journal of Machine Tools & Manufacture ,2000 ,40 :129921310. [ 5 ] Jan Peter Andersen ,Barry Hyman. Energy and material flow models for the US steel industry[J ] . Energy ,2001 ,26 :1372159. [ 6 ] Ayres R U. Metals recycling : economic and environmental implications [J ] . 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