河南省钢铁行业绿色低碳发展方向研究.pdf

2023年2 月第31卷第1期河南冶金HENANMETALLURGYFeb.2023Vol.31No.1河南省钢铁行业绿色低碳发展方向研究STEELINDUSTRYINHENANPROVINCE常德政1.2施琪1常胜利3鲁然英1引张继光1.2（1.河南省冶金研究所有限责任公司；2.河南省金属学会；3.河南济源钢铁（集团）有限公司）摘要钢铁工业作为我国碳排放和污染物排放的重点行业，绿色低碳发展已经成为行业面临的最紧迫任务。为此，研究了河南省钢铁行业企业分布、主要生产装备、污染物排放水平、能耗和碳排放水平，分析了产能整合和装备大型化、提高球团比例、提高电炉钢比例、提升资源能源利用效率、钢铁行业超低排放改造、发展清洁炼铁技术等对河南省钢业行业绿色低碳发展的重要影响。按不同产能、不同条件下核算河南省钢铁行业污染物排放和碳排放量，对河南省钢铁行业绿色低碳发展提出方向。关键词钢铁行业污染物排放碳排放绩效水平绿色低碳RESEARCH ON GREEN AND LOW-CARBON DEVELOPMENT DIRECTION OF IRON ANDChang Dezheng Shi Qi Changshengli?LuRanying Zhang Jiguang101,2(1.Henan Metallurgical Research Institute Co.,Ltd;2.Henan Metals Society;3.Henan Jiyuan Iron and Steel(Group)Co.)ABSTRACT As a major contributor to carbon emissions and pollutant emissions in China,the green and low-carbondevelopment of the iron and steel industry has become the most urgent task faced by the industry.The distribution ofenterprises,major production equipment,pollutant emission levels,energy consumption and carbon emission levels in HenanProvinces steel industry are introduced,and the important impacts of six aspects on the green and low-carbon developmentof Henans steel industry are analyzed,such as capacity integration and equipment large-scale,increasing the proportion ofpellets,increasing the proportion of electric furnace steel,improving the efficiency of resource and energy utilization,ultra-low emission transformation of the steel industry,and developing clean iron-making technology.The pollutant emissions andcarbon emissions of Henan Provinces steel industry are accounted for under different production capacities and conditions,and improvement directions are proposed for the green and low-carbon development of Henan Provinces steel industry.KEYWORDS Iron and steel industry Pollutant emissionslow carbon0引言钢铁行业为国民经济支柱产业，我国钢产量在1993年超越美国，1996 年钢产量破亿、超越日本，从此跃居全球第一。钢铁行业是我国污染物和碳排放的重点行业2 3，其中主要污染物排放量占全国总排放量的7%10%4，碳排放量占全国总排放量的15%左右5，钢铁行业的绿色低碳发展是我国改善环境空气质量、实现碳中和的重点领域和关键步骤。截至2 0 2 2 年底，河南省拥有炼铁产能3352万年，炼钢产能38 8 6 万/年，粗钢产能居全国第9位；2 0 2 2 年河南省粗钢产量318 7.2 4万t，产量居Carbon emissionsPerformance levelGreen and全国第10 位。经过几十年的发展，河南省钢铁企业在装备水平、节能降耗、绿色低碳方面有了长足的进步，但从整体情况看，装备水平偏低、原料结构不合理、规模化效益差、能耗水平和污染物排放水平还有提升空间。因此，研究和推进河南省钢铁行业的绿色低碳发展，是在双碳背景下，实现高质量发展呕需解决的问题。1河南省钢铁行业现状河南省现有钢铁企业19家，其中长流程钢铁13家，短流程钢铁6 家，截止2 0 2 2 年底，粗钢产能38 8 6 万t年；钢铁企业分布在安阳、平顶山、信阳、南阳、济源、郑州、焦作、商丘、周口等基金项目：河南省科学院助推科技成果转化项目（2 2 0 2 10 0 13）联系人：常德政，高级工程师，河南.郑州（450 0 53），河南省冶金研究所有限责任公司；收稿日期：2 0 2 2-12-2 029个地市，如图1所示。其中，安阳、郑州、焦作三地属于京津冀大气污染传输通道城市，为大气污染防治重点区域。河南省大气污染防治重点区域粗钢产能2496万t/年，占全省产能的6 4%；非重点区域粗钢产能139 0 万t/年，占全省产能的36%。河南省钢铁企业污染防治要求高、任务重。18001600（1.）/4002000图1河南省钢铁企业地理位置分布1.1烧结河南省钢铁企业有烧结机2 3座，主要分布在安阳、信阳、济源、商丘和平顶山；其中小于18 0 m的烧结机8 座，18 0 30 0 m烧结机8座，大于30 0 m的烧结机7 座；总体烧结产能在52 0 0 万t/年，其中小于18 0 m的烧结产能1000万t/年，占总烧结产能19.2%，具体如图2所示。141210/86420安阳平顶山商丘南阳信阳济源周口口大于30 0 m3180-300m3小于18 0 m7图2河南省烧结机规模及区域数量分布情况1.2球团河南省钢铁企业有球团生产线8 条，分布在安阳、平顶山、信阳、济源和南阳市；其中采用链篦机回转窑工艺的有3条，其中仅有1条生产线规模达到12 0 万t/年，5条生产线为竖炉工艺，年产球团矿约450 万t；再考虑非钢铁企业每年可以提供的球团数量约2 0 0 万t，河南省钢铁行河南冶金河南省共有高炉31座，主要分布在安阳、济源、南阳、信阳、商丘、平顶山；大于12 0 0 m的高炉有13座，50 0 10 0 0 m的高炉有12 座，小于50 0 m的高炉有6 座；限制类高炉数量占58%，产能占38.2%，具体如图4所示。链篦机9回转蜜粗钢产能+企业数量小于18 0 m口18 0 30 0 m11212023年第1期8信阳7654320大于30 0 m2211安阳济源链篦机回转密图3河南省球团企业情况1614121086420安阳信阳商丘 郑州周口济源平顶山南阳口大于12 0 0 m4500-1200m821小于50 0 m4图4河南省钢铁企业高炉情况1.4炼钢河南省有转炉32 座，主要分布在安阳、济源、南阳、信阳、商丘。大于10 0 t的转炉13座，小于10 0 t的转炉19座；河南省有电炉8 座，主要分布在平顶山、郑州和焦作，大于10 0 t的仅有1座，其余7 座均小于10 0 t。转炉炼钢产能3436 万t/a，占河南省粗钢产能的8 8.4%;电炉炼钢产能450 万t/a，1占河南省粗钢产能的11.6%。小于10 0 t的限制类转炉、电炉炼钢产能1951万t/a，占河南省粗钢产能的50.2%。河南省钢铁企业转炉情况如图5所示，电炉情况如图6 所示。1614121086坚炉10m2小于50 0 m3500-1200m大于12 0 0 m11四小于10 0 t11大于10 0 t3212业球团矿总量约6 50 万t/年，球团矿占高炉原料比约11.1%。河南省球团企业情况具体如图3所示。1.3炼铁2安阳济源南阳信阳商丘郑州周口平顶山口大于10 06小于10 010图5河南省钢铁企业转炉情况223312212023年第1期1.5污染物排放水平近年来，河南省不断推进钢铁企业超低排放改造和工业污染源深度治理工作，行业减排效果显著。查阅河南省19家钢铁企业排污许可证和2 0 2 2年度执行报告情况，河南省钢铁企业颗粒物、二氧化硫、氮氧化物许可排放量分别为18 8 7 5.8 5t/a、15185.54t/a、2 9 519.2 t/a；按满负荷状态下折算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物实际排放量分别为11422.33t/a、57 8 0.57 t/a、150 41.0 8 t/a，具体情况如图7 所示。经过近几年超低排放改造，污染物排放水平有了显著下降，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物实际排放绩效水平分别为0.2 94kg/t粗钢、0.149kg/t粗钢、0.38 7 kg/t粗钢。1.6能耗及碳排放水平根据2 0 2 1年河南省度钢铁行业能效对标核查和温室气体排放清单统计，河南省钢铁行业综合能耗为552 kgce/t粗钢，全年总能耗为2 145.1万tce；碳排放量为558 6.38 万t，具体见表1。高炉416对比2 0 2 0 年全国钢铁行业吨钢综合能耗545.27kgcel，河南省钢铁企业在多数没有焦化的情况下，吨钢综合能耗552 kgce，说明在能耗和碳排放方面，还有较大的提升空间。2河南省钢铁行业绿色低碳发展方向2.1优化产业布局，整合产能实现装备大型化河南省钢铁行业总体规模偏小，产能超过500万t的只有安阳钢铁集团有限公司1家，多数产能都在10 0 2 0 0 万t之间，不具有规模效应，产品同质化严重；分布在河南省的9个地市，除安阳市具有一定集聚效应外，其他地市多是1家钢铁企业独立发展；河南省钢铁企业生产装备水平相对落后，34.7%的烧结机、8 7.5%的球团生产线、58%的高炉、50%的转炉、8 7.5%的电炉设备均属于限制类生产装置；以上三个方面的关键因素，导致本就没有原料运输优势的河南省钢铁行业，在单位产品物耗、能耗、污染物排放等方面，与国内先进钢铁企业有较大差距，呕需整合钢铁行业产能，加快淘汰落后产能，优化钢铁产业空间布局，分区域建设不同钢铁产品类型的生产基地，实现装备大型化改造，推进产业链、价值链向高质、高端、高附加值迈进。河南冶金50100t郑州50100t图6 河南省钢铁企业电炉情况许可排放量实际排放量18875.85颗粒物11422.3315185.54二氧化硫5780.57氮氧化物0图7 河南省钢铁企业污染物排放情况表1河南省钢铁行业能耗及碳排放情况工序能耗/单耗(kgce:t)(kgce t粗钢-)转炉电炉-23.5673小于50 t小于50 t小于50 t5000(万tce 年-1)5522145.1在钢铁行业产能整合和装备大型化的过程中，严格按照国家钢铁行业产能置换实施办法，严格控制在大气污染重点区域新增钢铁产能。考虑到河南省的钢材年消耗量大约为6 0 0 0 万t，是一个钢材净流人省份，可适度以非重点区域的钢铁企业为依托，特别是空气质量相对较好的信阳、周口等地，形成几个约50 0 万t级的钢铁企业，不仅有利于原料、物料的统一调配，形成一定的集聚优势，降低成本，也有利于技术进步和减少污染物排放，提升企业竞争力；预计通过装备大型化改造，可以实现节能减排在5%左右。2.2全流程优化工艺过程，提高球团比例立足现有的主体工艺和装备水平，通过调整和优化原料结构、工艺结构和用能结构、创新钢铁制造工艺流程、提升流程效能，从而降低污染物排放。特别是提高球团矿比例，烧结机烟气循环，一罐到底和热装热送等流程优化；同时考虑厂区平面布置的调整和厂内物料的转运方式，减少厂内运输车辆倒运，避免落地矿，从清洁运输方面减少污染物排放和能源消耗，这也是河南省钢铁企业绿色发展之路。焦作10000排放量/(ta-1)总耗/平顶山50100t50100t29519.215041.081500020000(万t年-1)5586.3825000碳排放量/300004按照排污许可申请与核发技术规范钢铁工业的相关要求，参考设计基准废气量和排放绩效水平，以河南省现有烧结矿产能和球团矿产能为基础，核算不同球团比例情况下，大气污染物排放量的变化情况，具体如图8 所示。9000r一颗粒物排放%二氧化硫排放800070006000400300020001000图8 不同球团比例情况下污染物排放情况按球团比例从现在的11.2%提升到50%的情表2 不同产能不同电炉刚比例下河南省钢铁行业主要污染物排放量预测钢铁产能/设定电炉占比/（万年-1）(%)388611.583.88620.203 88630.00388650.004.00050.004.50050.00500050.00520050.00550050.00保持现有粗钢生产能力不变的情况下，如果电炉钢比例由现在的11.58%提升到50%，那么颗粒物的年排放量将降低2 9 41t，二氧化碳的将降低1836.39万t，下降比例分别为2 5.7%和32.8%；且电炉钢二氧化硫和氮氧化物的排放量极低，整体将大幅削减钢铁行业的污染物排放。控制现有颗粒物排放水平，按50%电炉钢比例核算，粗钢产能可由现在的38 8 6 万t/年提升到5200万t/年；控制二氧化碳排放水平，按50%电炉钢比例核算，粗钢产能可由现在的38 8 6 万t/年提升到550 0 万t/年。随着经济的发展和人均粗钢消费量的降低，同时考虑到空气质量的改善需求，建议河南省可在大气污染非重点区域适度增加钢铁产能，比如在空气质量相对较好的信阳、周口等地区，但粗钢产能控制在430 0 万t为宜，且应该大比例提高电炉钢。通过提升电炉钢比例，在粗钢生产能力不变的河南冶金况进行估算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量将从现有的7 12 5.3t/a、56 6 9.3t/a、8099 t/a、6 7 7.9万t/a减少到6 0 43.0 5 t/a、50 2 7.6 t/a、7183.8t/a、532.5万t/a，降低幅度至少达到15.1%、10.7%、10.6%和2 1.5%，能耗也同步减少2 1.5%。1000一氮氧化物排敏能耗11.220.00球团矿比例/%2023年第1期二载化碳排放通过全流程优化，预计可实现节能减排15%以上。000800070030002000100030.0050.00(t 年-)11 432.1210 787.53610.021.9948490.9108740.0009832.50010925.0001 1362.00012017.5002.3提高电炉钢比例，适度增加非重点区域钢铁产能在产能不变的情况下，提升电炉钢的比例，是明显的降碳措施7.8 。按照河南省现有钢铁企业产能和污染物排放绩效水平，核算不同电炉钢比例的情况下，全省钢铁产能颗粒物和二氧化碳排放量；并考虑设定50%电炉钢比例、适度增加钢铁产能的情况下，河南省钢铁行业颗粒物和二氧化碳排放量，具体计算结果见表2。颗粒物二氧化硫排放量/单位产品排放量/(t万t)2.9422.7762.5792.1852.1852.1852.1852.1852.185情况下，粗钢冶炼工段颗粒物减排量约15%，二氧化碳减排约2 0%；因电炉不排放二氧化硫和氮氧化物，将更大幅度削减二氧化硫和氮氧化物排放比例。2.4提升资源能源回收利用效率，实现极致能效河南省钢铁企业2 0 2 1年度高炉工序能耗水平在351428kgce/t生铁，转炉工序能耗水平在-16.2-30.6kgce/t粗钢，综合水耗在2.39 3.7 8 m/t粗钢，综合能耗在52 0 6 45kgce/t粗钢。工序能耗和综合能耗与国内先进水平相比，都有一定的提升空间。与国内先进钢铁企业相比，河南省钢铁企业在烧结烟气余热回收利用、环冷机废气低温余热利用、高炉炉顶均压煤气综合回收利用、热风炉自动燃烧和热均压技术、高炉水淬渣余热高效利用、转炉烟气余热全域回收利用、加热炉煤气回收利用、电炉废钢预热技术、钢渣有压热焖等，分质供水、梯级用水、循环利用节水技术、闭式冷却塔技术、钢铁企业智能化管排放量/(t 年-)55 863.8051 839.2447059.4637 499.9038 600.0043425.0048250.0050 180.0053.075.00单位产品排放量/(t万t）14.37613.34012.1109.6509.6509.6509.6509.6509.6502023年第1期控方面均需要进行改进和提高，从而推动钢铁生产过程的物质流、能量流协同优化，提高资源能源利用效率9。通过实施资源能源回收利用，至少可实现节能5%。2.5落实钢铁行业超低排放技术改造，进一步实现污染物减排按照绩效核算法，计算完成超低排放改造前后污染物排放削减量，说明超低排放改造对污染物减排的贡献10 。现有排放绩效按2 0 2 2 年度实际排放量计算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效水平为0.2 94kg/t粗钢、0.149kg/t粗钢、0.39kg/t粗钢；超低排放改造完成后的排放绩效水平，参考2 0 2 2 年度中钢协公布的近2 0 家通过超低排放企业的平均值核算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效水平为0.2 7 kg/t粗钢、0.11kg/t粗钢、0.32kg/t 粗钢。扣除河南省有组织、无组织已经通过超低排放评估监测的4家企业，按现有的生产规模，河南省钢铁企业全部完成超低排放改造后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物污染物年排放量将下降7 49.2 t、1016.7t、18 40.5t，减排比例在6.5%17.5%。2.6逐步发展清洁炼铁技术，推进钢化联产河南省钢铁企业也应该紧跟技术创新的步伐，加快实施钢铁企业绿色低碳改造升级，以“减污SO2产能/（万年-）工艺路线排放量/(t 年-)传统工艺8 289.644300清洁工艺2.341.21传统工艺6 784.063 886清洁工艺3 117.50如果河南省钢铁行业总体产能按430 0 万t/年核算，在绿色冶金获得突破前，随着装备大型化、极致能效工程、原料结构优化、提高电炉钢比例、超排放改造等工程的实施，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量均有明显降低，占现在实际排放量的比例分别为7 2.57%、40.50%、45.10%和55.8 0%；待氢冶金等绿色冶金技术获得突破后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占现在实际排放量的比例分别为43.54%、2 4.30%、27.06%和 2 7.90%。如果河南省钢铁行业总体产能按38 8 6 万t/年核算，在绿色冶金获得突破前，随着装备大型化、极致能效工程、原料结构优化、提高电炉钢比例、超排放改造等工程的实施，颗粒物、二氧化硫、氮河南冶金降碳协同增效”为抓手，进一步研发推广适用的节能减排技术、先进的钢铁低碳工艺、有效的多行业耦合模式。重点围绕研究推进高炉富氢和煤气脱碳循环、富氢直接还原、生物质冶炼等炼铁技术；开发等离子冶炼、闪速熔炼等熔融还原技术，实现低碳冶炼；依托钢化联产，推广应用碳捕集、利用与封存（CCUS）等碳汇技术112 ，在CO,排放到大气中之前将其捕集，作为工业生产的原料循环利用，积极利用焦炉煤气富氢与炼铁工序富碳的特征，联合生产甲醇、乙醇的工艺路线；从根本上减少或者消除污染物的排放。3未来河南省钢铁行业污染物排放及碳排放分析在现有产能和预计430 0 万t产能的基础上，考虑未来河南省钢铁行业的改进方向，在不同条件下核算颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的排放量。按长流程钢铁和短流程钢铁的比例各为50%的情况进行估算，其中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效按超低排放的水平考虑，考虑装备大型化改造、原料结构优化、极致能效工程和超低排放改造工程后，传统工艺碳排放水平为现有的6 0%；考虑到2 0 50 年，绿色冶金工艺渗透率将达到2 5%3，污染物的排放水平将下降40%，碳排放水平下降50%。具体核算结果见表3。表3不同产能不同工艺情况下河南省钢铁行业排放情况颗粒物NOx占比/排放量/%(年-)72.574.973.7640.501 404.6745.104.070.4855.801558.755.CO2占比/排放量/%(t年-)43.547 491.5024.302115.8027.066 130.9027.902.817.35氧化物、二氧化碳排放量均有明显降低，占现在实际排放量的比例分别为6 5.59%、36.6 0%、40.7 6%和50.43%；待氢冶金等绿色冶金技术获得突破后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占现在实际排放量的比例分别为39.35%、2 1.96%、24.46%和2 5.2 2%；除颗粒物外，基本上处于现在排放量的1/4。4结论在对河南省钢铁行业企业分布、装备水平、污染物排放和能耗水平进行分析的基础上，对河南省钢铁行业绿色低碳发展提出6 个方面的改进建议，通过实施这些改进措施，进一步核算河南省钢铁行业未来污染物排放和碳排放量，对河南省深人打好污染防治（下转第32 页）占比/%65.5936.6040.7650.43排放量/（万t年-）4.494.9039.351 269.5021.963 678.6024.461 408.6825.22占比/%32（1）拆除“清扫器”压缩空气抽取管，断开“清扫器”动力源。（2）拆除“清扫器”压缩空气吹扫管。（3）借助固定滑轮将清扫器垂直吊起。（4）使用专用“套环”，拉住清扫器底部，慢慢减小定滑轮拉力，将清扫器平放在焦炉顶部（清扫器高温部位达到10 0 0 左右，操作过程中要防止灼烫）。（5）将“清扫器”运送到炉顶端台固定位置降温。（6）装煤车磨电道送电，恢复正常生产2.2.2.5热制度恢复调节（1）恢复“疏通立火道”相“双联”的立火道吸力，蓄热室顶吸力恢复正常。（2）打开下降气流蓄热室排号的空气进风门盖板，将风门开度恢复正常。（3）恢复疏通燃烧室加热煤气。3应用效果（1）改善了焦炭质量，焦炭抗碎强度M40由83提高到8 4，M10耐磨强度由9.0 变为8.0。（2）避免了传统热修方法对焦炉炉体的二次伤害，减少了燃烧室窜漏对炉体的危害，炉体使用河南冶金寿命可延长3 年。（3）有效杜绝了荒煤气的外逸，节约了加热煤气用量，焦炉荒煤气放散点火次数降低了8 0%，焦煤气消耗由项目实施前的平均18 3.57 m3/t降低到实施后的平均17 8.42 m/t。（4）操作安全、快捷，实现了本质化安全提升，疏通工作由原来4人操作降为2 人操作，降低了职工的劳动强度。4结语焦炉炉体热修维护安全技术创新项目提出一种焦炉热态挖补炉墙熔洞的方法，一种焦炉立火道疏通清扫器和疏通方法，应用后系统运行稳定，操作简单方便，可靠度高，优化了焦炉加热制度，提高了炉温系数，减少了煤气放散、烟卤排放对环境的污染，获得了较好的经济效益、社会效益和环保效益。5参考文献【1童利民.焦炉热修技术的应用与探讨J.工程技术,2 0 16(6):227-227.【2 高希迎陶瓷焊补技术在焦炉热修中的应用J.冶金与材料，2 0 2 0（2)：10 9-111.【3 牟彪.老龄焦炉窜漏治理、炉体维护的改进技术及应用J.煤化工，2 0 18（4）：45-48.2023年第1期（上接第5页）积极的参考意义。（1）河南省现有19家钢铁企业，分布在9个地市，除安阳、平顶山、郑州外，其他地市均仅有1家钢铁企业，单个企业规模偏小，不具有规模效应；烧结机、球团、高炉、转炉和电炉规格偏小，50%以上的设备属于限制类，污染物排放水平和能耗、碳排放水平均有较大的提升空间。（2）河南省钢铁企业应该从整合产能实现装备大型化、全流程优化工艺、提高电炉钢比例、提升资源能源回收利用效率、落实钢铁行业超低排放技术改造、发展清洁炼铁技术等6 个方面持续努力，减少污染物排放，实现绿色低碳发展。（3）通过实施超低排放改造和提升电炉钢比例至50%，可大幅度降低污染物排放，也是降低碳排放的主要手段。河南省钢铁产能如果控制在现有产能范围内，碳排放量将控制在140 8.6 8 万t/年，需要采用CCUS等其他形式进行碳回收和碳汇，才能实现碳中和。5参考文献1钱家澍.当代世界钢铁工业发展和“中国方案”建议J攻坚战和实现碳中和具有钢铁，2 0 2 1，56（2）：1-11.【2 张建良，尉继勇，刘征建，等.中国钢铁工业空气污染物排放现状及趋势J.钢铁，2 0 2 1，56（12）：1-9.【3 汤铃，薛晓达，伯鑫，等。中国钢铁行业大气环境影响J.环境科学，2 0 2 0，41（7）：2 98 1-2 994.4邢奕，张文伯，苏伟，等。中国钢铁行业超低排放之路J.工程科学学报，2 0 2 1，43（1）：1-9.55张琦，张薇，王玉洁，等中国钢铁工业节能减排潜力及能效提升途径J.钢铁，2 0 19，54（8）：152-16 3.6 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