鋼鐵行業發展面臨的挑戰及節能減排技術應用

酈秀萍，張春霞，周繼程，上官方欽，干 磊，樊 波，陳麗云

（1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.中國鋼鐵工業協會，北京 100711）

1 我國鋼鐵工業生產與能源現狀

1.1 產量大幅提升

我國鋼鐵工業經過20世紀80—90年代的努力，基本完成了生產工藝結構的調整，初步實現了鋼鐵生產流程現代化。自1996年粗鋼產量超過1億t以來，我國鋼鐵產業持續快速增長，連續14年居世界第一位。特別是進入21世紀以來，粗鋼產量年均增長率達到了18.5%。2009年粗鋼產量約56 784萬t，約占世界鋼產量46.6%（圖1）。

1.2 主體工藝裝備水平大幅提高

我國鋼鐵行業在鋼產量增加的同時，積極貫徹國家鋼鐵產業政策，推進工藝裝備水平大型化、現代化（表1）。

圖1 1990—2009年中國粗鋼產量及占世界比重［1］

表1 2005—2009年我國鋼鐵工業主體工藝裝備水平變化

由表1可見：

（1）重點大中型鋼鐵企業各類機械化焦爐從2005年的286座提高到2009年的317座，增加了近11%，干熄焦率由31%提高到73%，提高42個百分點；

（2）180m2以上燒結機所占比例從2005年的13.6%提高到2009年的27.5%，達到135臺；

（3）1 000m3以上高爐所占比例從2005年的20.6%提高到2009年的33.7%，達到189座；

（4）100 t以上轉爐所占比例從2005年的26%提高到2009年的38.4%，達到187座。

1.3 鋼鐵工業能效提高

從20世紀80年代起的單體節能、工序節能到90年代的流程優化帶來的系統節能，在降低能耗方面取得了一定的進展（表2）。因此，從1990年到1999年的10年間，我國鋼產量增長了將近1倍，而能源消耗總量僅增加了約31%。

表2 1990—1999年我國鋼鐵工業的節能構成［2］

進入21世紀以后，在冶金流程工程學指導下，對鋼鐵制造流程功能的認識等到拓展：由單一地注重冶金產品制造功能拓展為注重三大功能（圖2），既注重產品制造功能，又注重能源轉換功能和社會廢棄物處理功能。

圖2 鋼鐵制造流程的三大功能［3］

在鋼鐵制造流程功能拓展理念的指導下，鋼鐵行業節能技術的普及率顯著提高（圖3），有力地推動了鋼鐵行業的節能減排。

2000—2005年間，鋼產量增長了174.2%，但鋼鐵工業的能源消耗只增長了120%。我國重點鋼鐵企業的噸鋼綜合能耗由2000年的0.92 tce降至2005年的0.741 tce，2005年與2000年相比，噸鋼綜合能耗降低幅度約19.5%。

圖3 1990—2009年我國鋼鐵工業CDQ和TRT技術的普及率［4］

“十一五”期間隨著國家對于節能減排的進一步重視，我國鋼鐵工業能耗進一步降低，能源消耗總量雖然增加，但增長幅度進一步縮小。圖4顯示出我國鋼鐵工業節能發展經歷了單體節能、系統節能，能源消耗逐步降低。進入21世紀，隨著冶金流程功能的拓展和“三干一水一電”技術的推廣和應用，能耗顯著降低。“十二五”期間，在進一步鞏固和發展前期節能技術和經驗的基礎上，將更加注重發揮鋼鐵生產流程的能源轉換功能、建設鋼鐵企業能源中心及加強能源管理水平，進一步挖掘鋼鐵工業節能潛力。

圖4 1980—2010年我國鋼鐵工業節能歷程［1］

1.4 節能技術應用效果有差距

雖然我國鋼鐵工業發展取得了巨大成就，節能減排也有顯著的效果，但由于工藝、技術、裝備的多層次性以及一些企業的結構不合理，我國鋼鐵工業在余熱余能回收上與國外先進水平相比還有一定差距，一些先進的節能工藝裝備技術，如：干熄焦余熱發電（CDQ），高爐煤氣余壓能量回收透平發電（TRT），負能煉鋼等，雖得到廣泛的應用，但節能效果尚有差異（圖5、圖6）。

由圖5、圖6可見，我國鋼鐵企業只有高爐容積在3 000m3以上且配備干式TRT的條件下，其TRT發電量才可以達到40 kWh/t，而日本鋼鐵工業基本為大高爐濕式TRT，早在1995年其TRT發電量即可穩定達到40 kWh/t以上的水平。與之相比較，我國鋼鐵工業濕式TRT及3 000m3以下干式TRT發電量還有較大差距。

圖5 我國部分鋼鐵企業TRT發電量分布及高爐容積分布

圖6 日本鋼鐵工業TRT發電量

2 我國能源結構及鋼鐵工業用能結構與特點

2.1 我國能源結構以煤為主

我國和世界能源結構如圖7所示。

圖7 2008年我國和世界一次能源結構分布［5］

由圖7可見，2008年我國能源結構中煤的消耗量占總能源量的70.23%，較世界平均水平29.25%高出近40個百分點，而以煤為主的能源結構使得我國發電燃料結構中以煤電為主，燃煤發電量占總發電量的80.95%（圖8）。

圖8 2008年我國發電燃料結構

以煤為主的能源結構決定了用能系統能源利用率偏低，而CO2排放偏高（圖9）。

圖9 世界主要國家電力CO2排放因子［6］

2.2 我國鋼鐵工業用能結構與特點

我國鋼鐵工業用能結構變化如圖10所示。

圖10 2005—2007年我國鋼鐵工業的終端用能結構［7］

由圖10可見我國鋼鐵工業用能結構有如下特點：

（1）在鋼鐵工業終端用能結構中，焦炭消耗所占的比例最高，達60%左右；

（2）原煤消耗占較高比例，約為10%左右；

（3）電力消耗所占比例為10%左右。

其中，原煤主要用于鋼鐵企業自備電廠發電，10%的電力消耗是指鋼鐵工業外購電，因此鋼鐵工業電力消耗約占終端用能的20%，而我國能源結構以煤為主的特點，是我國鋼鐵工業能源效率偏低、排放偏高的先天不足。鋼鐵工業節約能源的同時，充分利用自身的二次能源資源，如：各種副產煤氣、余熱蒸汽及余壓等發展自發電，因而近年來鋼鐵工業自發電量以及相應的比例得到較大提高（表3）。

表3 2005—2007年鋼鐵行業用電量、自發電量變化情況

然而我國鋼鐵工業自發電比例依然較低，余熱資源尤其是副產煤氣還存在較大浪費，這也是造成我國鋼鐵工業能耗較高的重要因素。由圖11可見，日本鋼鐵工業自備電廠發電及余熱余能發電比例占到總用電量的50%，外購電量僅占10%左右。而為了充分利用鋼鐵企業的副產煤氣，日本還發展了發電企業與鋼鐵工業合作模式的電廠，即由電力企業運營發電設備向鋼鐵企業供電，而鋼鐵企業向發電企業提供副產能源的“共同火力”模式，由此提供的電力可占總用電量的40%左右。比較可見，在能源利用及自發電比例方面，我國與國際先進水平仍有較大差距。

圖11 日本鋼鐵工業電力構成的變化

3 我國鋼鐵工業發展面臨的節能減排形勢與挑戰

3.1 產能過剩的制約

根據中國鋼鐵工業協會2009年年報統計，2009年我國新增煉鋼產能6 473萬t，到2009年底和2010年底，我國粗鋼的生產能力分別達到了7.18億t和7.7億t。

從長遠來看，我國經濟持續高速增長，建筑、機械、輕工、汽車、造船、交通等行業的發展對鋼材有增長的需求。2009年我國人均鋼材消費量激增到了0.396 3t，而根據世界其他國家發展經驗，中等發達國家人均鋼材消費量大致維持在0.3 t～0.35 t。按照我國人均鋼材消費量約0.35 t估計，我國長期的合理的鋼材表觀消費量應維持在4.5億～5億t，折合粗鋼產量為4.7億～5.3億t，由此可見當前我國鋼鐵工業產能過剩約2億t，這部分過剩的產能對能源、資源、環境施加了巨大的壓力。

3.2 面臨能源供應緊張的挑戰

雖然我國鋼鐵工業噸鋼綜合能耗有明顯的下降，但由于我國粗鋼產量持續高速增長，鋼鐵工業的總能耗也逐年增大（表4）。

表4 2005—2008年鋼鐵工業總能耗及其占全國總能耗的比例

國家“十一五”提出單位GDP能耗約束指標，加之國際減排的壓力，我國“十二五”節能減排約束性指標將更加嚴格，鋼鐵行業產能的增長將會受到國家嚴格的控制，這就要求我國鋼鐵工業要進一步轉變發展方式。此外，“十二五”期間，國家可能在單位GDP能耗指標的基礎上，對能源消費總量進行限制，這將要求鋼鐵企業抑制產能過度擴張，合理控制能源總量增加。

3.3 面臨環境排放壓力的挑戰

我國鋼鐵工業在目前的產能規模下，在大氣污染物治理方面存在污染控制難的問題，粉塵污染治理設備不完備，無組織排放問題突出，環境保護問題非常緊迫。以現有的水平，即使將行業重點企業的環境指標與國際先進水平相比，仍存在較大差距，特別是在SO2、煙（粉）塵排放、噸鋼新水消耗和廢水排放等指標方面（表5）。

項目寶鋼股份2008年韓國浦項2008年我國重點鋼鐵企業平均2008年日本新日鐵2008年蒂森克虜伯（歐洲）2007/2008年＞98 5.20 1.33 1.43 0.59 45 1.76（寶鋼分公司2007）工業水重復利用率/%噸鋼新水消耗/m3噸鋼外排廢水/m3噸鋼SO2排放/kg噸鋼粉塵、煙塵排放/kg噸鋼COD排放/kg 96.6 5.18 2.51 1.83 1.63 157 90 4.01 1.13 0.76 0.16 15.7 94.5 4.64 2.28 0.59 1.69噸鋼NOx排放/kg 1.11 1.41噸鋼二惡英排放/10-6 TEQ較2001年下降85%0.30

我國重點大中型鋼鐵企業的環境污染局部得到控制，部分企業如寶鋼、武鋼、唐鋼、濟鋼、太鋼、萊鋼等企業有很大改善，但是中小型落后的鋼鐵企業環境污染仍在惡化，一些規模小、技術落后的設備仍在運行，影響到行業整體能耗與環境負荷水平。

3.4 面臨CO2減排的巨大壓力

控制和減少溫室氣體特別是CO2排放是人類社會面臨的緊迫任務。我國在哥本哈哥氣候談判中，提出了到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%的目標，并列入“十二五”發展綱要。這一指標的提出則要求我國轉變經濟發展模式，走低碳發展之路，而且隨著國際社會對碳減排的重視，我國在“后京都協議”的相關國際談判中面臨著巨大的壓力。不僅如此，在“后京都協議”談判中行業減排將日益受到關注，鋼鐵工業作為CO2主要排放行業必將承擔起相應的責任。

4 我國鋼鐵工業應對節能減排形勢的技術措施

4.1 淘汰落后產能，優化產業結構

我國鋼鐵工業各企業生產水平參差不齊，有代表世界先進水平的鋼鐵生產企業（如：寶鋼），同時也存在不少落后的生產企業。2006年，鋼鐵行業噸鋼能耗0.82 tce，其中重點企業粗鋼產量占全國粗鋼產量的83.5%，噸鋼能耗為0.736 tce，由此可見，占全國粗鋼產量16.5%的企業將噸鋼能耗拉高了0.084 tce。落后產能嚴重影響到我國鋼鐵工業的能效水平。

由圖12可以看出，我國鋼鐵行業噸鋼能耗與重點企業噸鋼能耗的差距在逐步縮小。隨著國家淘汰落后的進一步推進，我國鋼鐵工業整體水平將進一步提升。

4.2 提高鋼鐵生產流程能效，進一步挖掘潛力

鋼鐵行業在提高能源利用效率方面仍具有一定的節能潛力可以挖掘，“二高、一低”將會成為鋼鐵行業“十二五”的主戰場和進一步挖掘節能潛力所在。

“二高、一低”指：高效的能源回收利用（指外購能源的高質高用、二次能源的高水平回收利用和實現“零”放散損失）；高效率的能源轉換利用（指電能高效轉換利用和氣轉汽、由中溫中壓向高溫高壓轉換等）；低溫余熱回收利用（指低溫余熱資源綜合利用）。

具體從以下幾個方面推進：

（1）普及和推廣成熟的主生產流程節能減排工藝技術。主要技術有干熄焦技術（CDQ）、焦爐大型化技術、搗固焦爐技術、高爐爐頂余壓發電（TRT）技術等。

圖12 我國鋼鐵行業噸鋼能耗與重點企業噸鋼能耗比較

（2）完善一批節能減排技術，加快產業化。主要技術有：焦化煤調濕技術、降低燒結漏風率技術、燒結余熱發電技術、高爐脫濕鼓風技術、高爐噴吹焦爐煤氣技術及余熱蒸汽綜合利用技術等。

（3）研發和關注節能減排前沿技術，提前布局。主要技術有：荒煤氣余熱利用技術、高爐渣和轉爐渣余熱回收技術、高爐爐頂煤氣循環技術（TGR-BF）技術及日本鋼鐵工業COURSE50技術等。

此外，加強能源管理，提高能源管理技術水平，優化企業能源系統、電力系統等產生的節能潛力也是相當可觀的。

4.3 推進產業間聯合，促進社會資源、能源高效利用

這種減排量雖然不在鋼鐵行業或企業內部體現，但對于提高社會整體的能源、資源效率和減排CO2是有益的。

（1）消納社會廢塑料，在高爐或焦爐中高效利用。另外，鋼廠處理廢輪胎和罐類的循環利用技術也趨于成熟、穩定。

（2）與建材行業鏈接，冶金渣高附加值化。

（3）鋼廠副產煤氣的資源化利用。

（4）與電力行業鏈接，利用鋼廠副產煤氣發電。實現鋼鐵企業煤氣“零排放”的一個重要途徑是建立“共同火力”模式。

上述前3類產業間聯合已為各行業所認可并得到相當程度的發展，如：當前焦爐消納廢塑料的先進技術已經允許廢塑料能添加到焦炭產量的2%左右，折合噸鋼廢塑料消納量為8 kg；冶金渣幾乎100%用于建材行業；鋼廠焦爐煤氣用于制氫等。

但第4類鋼鐵行業與電力行業的鏈接仍有待于推進。日本鋼鐵工業發展經驗表明，“共同火力”是一項鋼廠和電廠雙贏的項目。對于鋼鐵企業，剩余的副產氣體可以全部利用，而且與鋼鐵企業自發電機組相比可以有效引進大容量、高效率的發電設備；對電力企業，通過利用制鐵所的基礎設施，選址較為容易，而且可以減輕送電設備和運行的損耗，因此國家應有相應政策鼓勵，同時2個行業都應積極支持該項目建設。

5 結束語

我國處于工業化進程中，鋼鐵工業仍處于穩定增長階段，因此其產量及能源消耗總量增長是必然的。由于我國能源結構特點決定了我國鋼鐵工業以煤為主的用能特點，使得我國鋼鐵工業具有能效偏低的先天不足，因此提高能效，減少排放的任務更加艱巨。我國鋼鐵工業面對節能減排的嚴峻形勢，應加強政策引導，采取合理的技術措施，主要有淘汰落后產能，優化產業結構；提高鋼鐵生產流程能效，進一步挖掘潛力；推進行業間聯合（尤其是電力企業與鋼鐵企業間的聯合），促進社會資源和能源高效利用。

［1］ Yin Ruiyu.Recent developmentof Chinese Steel Industry since the New Century［C］//The Proceeding of the 12th Ja-pan-China Symposium on Science and Technology of Iron and Steel.Nagoya：The Iron and Steel Institute of Japan，2010：1-10.

［2］ 殷瑞鈺.中國鋼鐵工業的崛起與技術進步［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［3］ 殷瑞鈺.冶金流程工程學［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［4］ ZHANG Chunxia，ZHOU Jicheng，SHANGGUAN Fangqin，et al.Progress and Developing Trend of Energy Saving and Emission Reduction for Chinese Steel Industry since the 21st Century［C］//TheProceedingof the12th Japan-China Sympo-sium on Science and Technology of Iron and Steel.Nagoya：The Iron and Steel Instituteof Japan，2010：148-157.

［5］2008年世界一次能源消費結構［EB/OL］.（2010-05-11）http://www.cngascn.com/htm l/news/show_news_w1_1_959.html

［6］ 上官方欽.鋼鐵工業/企業CO2排放計算方法及評估［D］.北京，2010.

［7］ 國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2009［M］.北京：中國統計出版社，2010.

（本欄責任編輯 胡玨）